基于牵引传动系统非线性负荷动态特性的重载列车黏着优化控制方法研究

Whether fully excavate the potential of wheel-rail adhesion or not is a key problem that needs to be resolved immediately, to guarantee the locomotive play the greatest traction/braking ability to make heavy haul train safe and economic operation, and optimized adhesion control is an effective measure to solve this problem. This project intends to carry out the optimized adhesion control method research of heavy haul train considering dynamic characteristics of traction drive system nonlinear loads. Including: establishing the analysis model of traction drive system and the dynamics model of train under considering drive control; researching the relationship between traction motor dynamic characteristic and some factors such as, the condition of train operation, topology of traction drive system, and wheel/rail nonlinear contact state changes caused by coupling vibration between cars/locomotives and wheels longitudinal vibration; revealing the influence mechanism that dynamic characteristics of traction drive system nonlinear loads effect on adhesion control, analysising the significant factors what influence optimized adhesion control of heavy haul train; seeking to optimized adhesion control method to achieve the optimal match between the traction motor and its non-linear load dynamic characteristics, so that the optimal adhesion used can be obtained. The research of this project will provide the theoretical guidance for the optimization of adhesion performance, even safe and economic operation of heavy haul train.

充分挖掘轮轨黏着潜力，是保证机车发挥最大牵引/制动能力以使重载列车安全运行及经济运营急需解决的关键问题，而黏着控制则是解决这一问题的有效措施。本项目拟开展基于牵引传动系统非线性负荷动态特性的重载列车黏着优化控制方法的研究。研究内容包括：建立计及控制的牵引传动系统及列车动力学分析模型；研究牵引电机动态特性与列车运行工况、牵引传动拓扑结构、由车间耦合振动和轮对纵向振动所引起的轮轨非线性接触状态变化等因素之间的关系，揭示黏着控制效果受牵引传动系统非线性负荷动态特性的影响机理，分析表征重载列车黏着优化控制效果的关键影响因素；寻求能够实现牵引电机与其非线性负荷间动态特性优化匹配的黏着优化控制方法，以获得最优黏着利用。为重载列车黏着性能优化、乃至安全与经济运营提供理论指导。

本课题建立了计及控制的牵引传动系统仿真模型，计及控制的单轮对动力学模型，以及计及控制的整车动力学模型，开展了牵引电机动态特性与列车运行工况等诸多因素间关系的研究、以及与轮轨黏着性能有关的重载列车系统非线性动力学现象的研究，对比分析了牵引传动系统拓扑结构、牵引传动系统控制调制策略、列车非线性动力学性态等诸多影响因素对黏着优化的贡献度，为最终获取轮轨黏着状态多参数判据，以及进一步开展重载列车黏着优化控制研究奠定了基础；其次，在理论方面研究了新的黏着优化控制方法，并建立了相应的控制策略：针对轮轨当前及最佳黏着位置判定问题，开展了基于灰色理论的轮轨黏着状态识别方法研究；针对牵引传动系统不同拓扑结构及控制与调制策略下的黏着优化控制问题，基于无模型控制方法，对黏着控制器的结构优化设计及参数优化选择问题进行了研究，并结合轮轨黏着状态识别的相应研究结果，设计了黏着控制器在线调整策略。得出以下研究成果：. ①建立了重载列车动力学分析模型和车钩缓冲装置的非线性动力学模型，分析了重载列车在一些特定线路条件下的纵向冲动和轮轨切向力受列车纵向冲动影响变化情况，为重载列车黏着优化控制提供先验基础。. ②建立了轨道车辆盘形制动系统的动力学模型，分析了不同制动速度下制动系统的动力学特性；建立了具有负斜率特性的轮轨切向力计算模型及计算程序，得出了不同轮轨工作位置下制动盘摩擦颤振对轮轨黏着状态影响。. ③提出了具有更好寻优性能和更高寻优效率的动态随机局部搜索生物地理优化算法（Dynamic random local search biogeography-based optimization algorithm，简称DRLBBO算法），解决重载机车黏着优化控制中车轮转速信号所含混合噪声的滤除问题。. ④建立了重载机车黏着优化控制的性能指标，提出了重载机车的两种数据驱动控制策略，该控制策略可以有效解决仅获得实验数据情况下的重载机车黏着优化控制问题。. ⑤提出了黏着利用的在线自适应优化算法。. 本课题的研究成果为重载列车系统的非线性动力学研究积累了重要的分析手段，为重载机车黏着优化控制提供了重要的理论基础和参考依据。