面向重载机车轮轨粘着利用的异常检测及高性能容错控制

Heavy haul locomotive is one of the key development products determined in national strategy. It is a bottleneck urgent to be broken through at present to obtain larger traction by improving the adhesion utilization rate of the locomotive. However, complex and changing locomotive operating environment often causes frequent changes in wheel/rail adhesion characteristic and it is difficult to perceive such changes. As a consequence, the traction falling caused by idling/sliding or other abnormalities can only be made compensated relying on the experiences in the adhesion controller, which make it difficult to give more overall traction performance of the locomotive. Therefore, the adhesive system’s key parameters perception, the sensitive characteristics extraction of incipient fault and multi-traction cooperative control are focused as the critical technical subjects for improving adhesion utilization in this project. The multi-conditions modeling of wheel/rail adhesive system across time and space is conducted to realize real-time dynamic reflection of adhesion characteristics change rule, the incipient fault diagnosis and fault prediction methods of wheel/rail adhesive system are studied to realize active prevention and prior compensation of idling or sliding fault, and the adhesion coordinated consistency fault-tolerant control strategy is also researched to realize high operation reliability of the locomotive under poor adhesion utilization condition. Thus, the effective and applicable locomotive adhesion abnormalities detection and high-performance fault-tolerant control theory and method are finally developed, which provides an important theoretical basis and key technical support for the improvement of heavy haul locomotive traction performance.

重载机车是国家战略确定的重点发展产品之一，通过提高机车粘着利用率获得更大牵引力是目前亟待突破的瓶颈。然而，复杂随机变化的机车运行环境常引起轮轨间的粘着特性发生多变且难以感知，使得现有的粘着控制器往往只能依据经验补偿因空转或滑行等异常造成的牵引力跌落，机车整体牵引性能难以得到较大程度发挥。因此，本项目围绕粘着系统的关键参数感知、微小故障敏感特征提取、多牵引力协同控制等提高粘着利用的关键科学问题，研究跨时空轮轨粘着系统多工况建模方法，以实现粘着特性变化规律的实时动态反映；研究轮轨粘着系统微小故障诊断和故障预测方法，以实现空转或滑行故障的主动预防和事前补偿；研究协同一致性粘着容错控制策略，以实现恶劣粘着利用工况下的机车高可靠运行。最终形成有效和可供工程应用的重载机车粘着异常检测和高性能容错控制理论与方法，为提升重载机车的牵引性能提供重要理论依据和关键技术支撑。

本项目面向《中国制造2025》提出的构建重载机车研发平台和研制重载机车的重大需求，结合轨道交通故障诊断和容错控制中存在的重大共性工程技术问题，以机车的高性能粘着利用和确保安全运行为目标，依据重载机车运行过程中遇到的环境复杂、轮轨条件多变、粘着特性非线性、牵引/制动力生成过程复杂等工程技术难题，从中提炼科学问题，开展重载机车轮轨粘着利用的异常检测与高性能容错控制方法研究。..项目在突破数据信息不完备条件的关键参数感知、机车粘着微小故障敏感特征提取、输出饱和受限的多牵引力协同控制等关键科学问题的基础上，首先研究复杂环境下轮轨粘着系统模型建立方法，探索基于历史运行数据的关键特征提取策略，为模型构建提供完备数据信息；建立不同轨面状态下的关键参数主动感知方法，为获取最大粘着系数和实时粘着系数提供保障。然后，针对机车运行过程中出现的故障、尤其是微小故障和故障隐患等粘着异常情况，研究全天候粘着异常整体感知方法；针对粘着异常引起的车轮打滑、空转等故障和微小故障，研究融合数据和机理的故障分类与定位方法。最后，结合重载机车对各电机牵引总量保持不变的需求，开展协同一致性粘着容错控制方法研究。研究基于最优粘着利用的轮对容错控制和异常主动保护方法，建立利用机车各轮对动力冗余进行牵引力再分配的容错控制方法，以避免发生轮对故障、减少牵引力损失、提升粘着利用性能提供关键支撑。项目研究成果不仅为重载机车高性能粘着利用提供重要的理论支撑和方法指导，同时也是突破国外粘着控制技术壁垒，实现自主知识产权道路上的有益探索。..项目研究期间，项目组成员出版了2部专著；发表代表性论文21篇，其中被SCI收录15篇；申请/授权专利10项；新获批国家自然科学基金2项，国家重点研发计划课题2项；获国家技术发明二等奖２项，湖南省技术发明一等奖1项，湖南省科学技术二等奖２项；培养研究生18人，形成了一支具有一定水平的科研队伍和相对稳定的研究方向。