一种防空转防滑行保护阈值确定方法

摘要

本发明公开了一种车辆防空转防滑行保护阈值确定方法，方法包括以下步骤：力矩卸载判断步骤，判断检测到的粘着力矩是否发生卸载；粘着力矩有效值确定步骤，如果粘着力矩发生卸载，根据粘着力矩计算预设时长内的粘着力矩有效值；阈值影响因子确定步骤，根据粘着力矩有效值和给定力矩，确定阈值影响因子；保护阈值确定步骤，根据粘着力矩有效值确定车辆运动参数，利用车辆运动参数和阈值影响因子确定车辆运动参数的保护阈值。本发明提供的防空转防滑行阈值确定方法能够实现对防空转防滑行阈值的动态调整和更新,能够使得粘着力矩的输出对轨面条件的适应性更强，其能够显著改善车辆的加减速性能、平稳性、舒适性以及安全性。

权利要求

1.一种车辆防空转防滑行保护阈值确定方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：力矩卸载判断步骤，判断检测到的粘着力矩是否发生卸载；

粘着力矩有效值确定步骤，如果粘着力矩发生卸载，根据所述粘着力矩计算预设时长内的粘着力矩有效值；

阈值影响因子确定步骤，根据粘着力矩有效值和给定力矩，确定阈值影响因子；

保护阈值确定步骤，根据粘着力矩有效值确定车辆运动参数，利用所述车辆运动参数和阈值影响因子确定车辆运动参数的保护阈值。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据如下公式计算所述粘着力矩有效值：其中， 表示粘着力矩有效值，T表示预设时长，T0表示预设时长的起始时刻，T0+T表示预设时长的截止时间，F表示粘着力矩。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述阈值影响因子确定步骤包括：根据所述粘着力矩有效值和给定力矩，计算力矩发挥效率；

判断所述力矩发挥效率是否小于预设触发阈值；

如果小于，则根据所述力矩发挥效率的取值范围确定阈值影响因子。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，根据如下公式计算力矩发挥效率：其中，η表示力矩发挥效率， 表示粘着力矩有效值，F0表示给定力矩。

5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述保护阈值确定步骤包括：根据粘着力矩有效值，计算车辆运动参数；

根据所述阈值影响因子，确定所述车辆运动参数的阈值系数；

根据所述车辆运动参数和相应的阈值系数，确定所述车辆运动参数的保护阈值。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述车辆运动参数包括有效加速度，其中，根据如下公式计算所述有效加速度：根据如下公式计算有效加速度的阈值系数：ka＝f

根据如下公式计算有效加速度的保护阈值：其中，表示有效加速度， 表示粘着力矩有效值，M表示车轴质量，ka表示有效加速度的阈值系数，f表示阈值影响因子，a0表示有效加速度的保护阈值。

说明书

一种防空转防滑行保护阈值确定方法

技术领域

[0001] 本发明涉及轨道交通技术领域，具体地说，涉及一种防空转防滑行保护阈值确定方法。

背景技术

[0002] 地铁车辆在钢轨上的运行是通过动轮与钢轨之间的粘着力来驱动的。在运行过程中会因为轨面条件的变化(例如轨道上存在水、油、泥土或树叶等物质)而导致轮对空转或滑行现象的发生。这种现象会使得动轮与钢轨之间可传递的牵引力或制动力急剧下降，不仅会严重影响车辆的运行性能，还会带来一定的安全隐患。因此就需要采用粘着控制策略来抑制地铁车辆在加速或减速过程中发生轮对空转或滑行现象。

[0003] 现有粘着控制策略主要是通过检测轮对加/减速度、加/减速度微分及蠕滑速度大小，并将这三个参数与相应阈值比较来综合判断轮对是否发生空转/滑行现象(或空转/滑行趋势)。

[0004] 但是现有的控制方法中上述三个参数的相应阈值在初期进行调试完成后便固定不变，也就不能根据轨面条件变化进行实时动态的调整。这就造成了在复杂变化的轨面条件下，粘着力矩卸载波动幅度很大，卸载频繁。这严重影响了地铁车辆的加减速性能、平稳性、舒适性及安全性。

[0005] 基于上述情况，亟需一种能够对加速度阈值、加速度微分阈值及蠕滑速度阈值进行动态调整的方法。

发明内容

[0006] 为解决上述问题，本发明提供了一种车辆防空转防滑行保护阈值确定方法，所述方法包括以下步骤：

[0007] 力矩卸载判断步骤，判断检测到的粘着力矩是否发生卸载；

[0008] 粘着力矩有效值确定步骤，如果粘着力矩发生卸载，根据所述粘着力矩计算预设时长内的粘着力矩有效值；

[0009] 阈值影响因子确定步骤，根据粘着力矩有效值和给定力矩，确定阈值影响因子；

[0010] 保护阈值确定步骤，根据粘着力矩有效值确定车辆运动参数，利用所述车辆运动参数和阈值影响因子确定车辆运动参数的保护阈值。

[0011] 根据本发明的一个实施例，根据如下公式计算所述粘着力矩有效值：

[0012]

[0013] 其中， 表示粘着力矩有效值，T表示预设时长，T0表示预设时长的起始时刻，T0+T表示预设时长的截止时间，F表示粘着力矩。

[0014] 根据本发明的一个实施例，所述阈值影响因子确定步骤包括：

[0015] 根据所述粘着力矩有效值和给定力矩，计算力矩发挥效率；

[0016] 判断所述力矩发挥效率是否小于预设触发阈值；

[0017] 如果小于，则根据所述力矩发挥效率的取值范围确定阈值影响因子。

[0018] 根据本发明的一个实施例，根据如下公式计算力矩发挥效率：

[0019]

[0020] 其中，η表示力矩发挥效率， 表示粘着力矩有效值，F0表示给定力矩。

[0021] 根据本发明的一个实施例，根据如下公式计算所述阈值影响因子：

[0022]

[0023] 其中，f表示阈值影响因子，k0、k1、k2、η0、η1、η2和η3表示常数。

[0024] 根据本发明的一个实施例，所述保护阈值确定步骤包括：

[0025] 根据粘着力矩有效值，计算车辆运动参数；

[0026] 根据所述阈值影响因子，确定所述车辆运动参数的阈值系数；

[0027] 根据所述车辆运动参数和相应的阈值系数，确定所述车辆运动参数的保护阈值。

[0028] 根据本发明的一个实施例，所述车辆运动参数包括有效加速度，其中，

[0029] 根据如下公式计算所述有效加速度：

[0030]

[0031] 根据如下公式计算有效加速度的阈值系数：

[0032] ka＝f

[0033] 根据如下公式计算有效加速度的保护阈值：

[0034]

[0035] 其中，表示有效加速度， 表示粘着力矩有效值，M表示车轴质量，ka表示有效加速度的阈值系数，f表示阈值影响因子，a0表示有效加速度的保护阈值。

[0036] 根据本发明的一个实施例，所述车辆运动参数还包括有效加速度微分值，其中，[0037] 根据如下公式计算所述有效加速度微分值：

[0038]

[0039] 根据如下公式计算有效加速度微分值的阈值系数：

[0040] kb＝α0·f+β0

[0041] 根据如下公式计算有效加速度微分值的保护阈值：

[0042] b0＝kb·b

[0043] 其中，b表示有效加速度微分值，表示有效加速度，kb表示有效加速度微分值的阈值系数，f表示阈值影响因子，α0和β0表示阈值转换系数，b0表示有效加速度微分值的保护阈值。

[0044] 根据本发明的一个实施例，所述车辆运动参数包括蠕滑速度，其中，

[0045] 根据如下公式计算蠕滑速度的阈值系数：

[0046] kc＝α1·f+β1

[0047] 根据如下公式计算蠕滑速度的保护阈值：

[0048] c0＝kc·σ

[0049] 其中，kc表示蠕滑速度阈值系数，f表示阈值影响因子，α1和β1表示阈值转换系数，c0表示蠕滑速度的保护阈值，σ表示蠕滑速度阈值常数。

[0050] 本发明提供的防空转防滑行保护阈值确定方法能够实现对防空转防滑行保护阈值的动态调整和更新。相较于现有技术中使用的固定阈值，本发明提供的阈值动态调整方法能够使得粘着力矩的输出对轨面条件的适应性更强，其能够显著改善车辆的加减速性能、平稳性、舒适性以及安全性。

[0051] 同时，由于本发明是通过对粘着输出力矩的历史和实时数据进行统计计算，并在一定条件下对阈值进行调整，因此相较于现有技术中设定的固定阈值，本方法得到的动态阈值更加合理、准确。

[0052] 本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

[0053] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍：

[0054] 图1是干燥和潮湿轨面下的粘着特性曲线图；

[0055] 图2是加速度保护的实现过程示意图；

[0056] 图3是加速度微分保护的实现过程示意图；

[0057] 图4是蠕滑速度保护的实现过程示意图；

[0058] 图5是根据本发明一个实施例的防空转防滑行阈值确定方法的流程图；

[0059] 图6是根据本发明一个实施例的防空转防滑行阈值确定方法的效果图。

具体实施方式

[0060] 以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

[0061] 另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

[0062] 地铁车辆的车轮在钢轨上的运行分为纯滚动状态、粘着状态和空转滑行状态三种状态。

[0063] 当车轮处于纯滚动状态时，车轮与钢轨之间无相对滑动，车轮与钢轨之间的摩擦为静摩擦。此时的静摩擦即是能够发挥出的最大牵引/制动力矩，这种状态是一种理想状态。

[0064] 当车轮处于粘着状态时，车轮和钢轨在很高的压力作用下会有少许形变，轮轨间的接触部分形成椭圆型接触区。此时，轮轨接触面之间不是纯粹的静摩擦状态，而是一种粘着状态。粘着状态是介于纯滚动状态和空转滑行状态之间的一种状态，它对牵引/制动力的发挥具有促进作用。

[0065] 图1示出了干燥和潮湿两种不同轨面状态下轮轨间的粘着特性曲线图，其中粘着特性曲线为粘着系数与蠕滑速度之间的关系曲线。

[0066] 蠕滑速度表示车轮速度与车体速度之间的差值，其可以用如下公式表示：

[0067] Vs＝Vwheel-Vvehicle          (1)

[0068] 其中，Vs表示蠕滑速度，Vwheel表示车轮速度，Vvehicle表示车体速度。

[0069] 如图1所示，不同的蠕滑速度会使粘着系数发生变化，粘着状态与轮轨之间的蠕滑速度密切相关。当蠕滑速度较小时，轮轨之间处于粘着状态。而当蠕滑速度较大时，轮轨间进入空转滑行状态。粘着系数具有最大值，处于最大值左边的区域为稳定区，即车轮处于粘着状态；处于最大值右边的区域为空转滑行区。

[0070] 从图1中可以看出，当蠕滑速度超过最佳粘着点所对应的速度时，轮轨间就进入空转滑行状态。当车轮在钢轨上出现空转/滑行时，它们之间形成动摩擦力，此时车轮受到的牵引/制动力将大大减小。同时车轮在钢轨上的空转滑行也会导致车轮踏面擦伤。因此这种情况是必须要避免的，粘着控制策略也就成为必要的了。

[0071] 粘着力控制策略主要是利用轮对的加速度、加速度微分及蠕滑速度进行粘着保护。通过实时检测轮对加速度、加速度微分以及蠕滑速度大小来判断是否发生或即将发生空转滑行现象。

[0072] 图2示出了轮对加速度保护的主要实现流程。

[0073] 如图2所示，首先采集轮对速度并利用该速度计算处理得到轮对加速度。随后将轮对加速度与预设的加速度保护阈值进行比较。如果检测到的轮对加速度大于预设的加速度保护阈值，则利用预设的力矩卸载控制算法对给定力矩进行卸载，使车辆实际给定力矩减小，从而改善轮轨间的粘着性能，抑制轮对空转现象；否则保持当前给定力矩不变。

[0074] 图3示出了轮对加速度微分保护的主要实现流程。

[0075] 如图3所示，首先利用得到的轮对加速度计算轮对加速度的变化率，得到轮对加速度微分值。随后计算预设加速度微分保护阈值与该加速度微分值，并根据比较结构利用预设比较策略对给定力矩进行卸载，使车辆实际给定力矩减小，从而改善轮轨间的粘着性能，抑制轮对空转现象。

[0076] 图4示出了轮对蠕滑速度保护的主要实现流程。

[0077] 如图4所示，首先采集轮对速度和车体速度。随后根据车体速度和轮对速度的差值计算得到蠕滑速度，并利用该蠕滑速度与预设的蠕滑速度保护阈值进行比较。如果计算得到的蠕滑速度大于预设的蠕滑速度保护阈值，则利用预设的力矩卸载控制算法对给定力矩进行卸载，使车辆实际给定力矩减小，从而改善轮轨间的粘着性能，抑制轮对空转现象。

[0078] 现有的粘着控制策略中加速度、加速度微分以及蠕滑速度的保护阈值是固定不变的，也就是在车辆运行之前先将阈值通过调试设置好或分段设置好，在车辆运行过程中这些保护阈值保持不变。这种设置方法使得在不同轨面条件下使用的保护阈值是相同的。这容易导致粘着力矩频繁卸载，或本应卸载而没有卸载，从而致使空转/滑行趋势变得严重而立即进行大幅度卸载，粘着力矩卸载从而出现很大的波动，影响车辆的加速性能和可靠性。

[0079] 所以本发明针对现有的保护阈值固定不变的缺陷，提出了能够对各个保护阈值进行动态调整的防空转防滑行保护阈值确定方法，图5示出了本方法的流程图。

[0080] 如图5所示，本实施例中，首先在步骤S501中判断实时检测到的粘着力矩是否发生卸载。如果粘着力矩发生卸载，则执行步骤S502以确定粘着力矩有效值；如果粘着力矩没有发生卸载，则继续执行步骤S501。

[0081] 当粘着力矩发生卸载时，本实施例中，在步骤S502中根据检测到的粘着力矩计算预设时长内的粘着力矩有效值。本实施例中，根据如下公式计算粘着力矩有效值：

[0082]

[0083] 其中， 表示粘着力矩有效值，T表示预设时长，T0表示预设时长的起始时刻，T0+T表示预设时长的截止时间，F表示粘着力矩。本实施例中，预设时长的起始时刻T0即为检测到发生力矩卸载的时刻。

[0084] 需要说明的是，在根据本发明的其他实施例中，粘着力矩有效值还可以采用其他合理方法计算得到，本发明不限于此。

[0085] 当计算得到粘着力矩有效值后，本实施例在阈值影响因子确定步骤中根据得到的粘着力矩有效值和给定力矩，确定阈值影响因子。

[0086] 如图5所示，为了得到阈值影响因子，首先在步骤S503中根据步骤S502中计算得到的粘着力矩有效值和给定的粘着力矩，计算力矩发挥效率。其中，本实施例中，根据如下公式计算力矩发挥效率：

[0087]

[0088] 其中，η表示力矩发挥效率，F0表示给定力矩。

[0089] 随后，在步骤S504中，判断步骤S503中计算得到的力矩发挥效率是否小于预设的触发阈值。如果力矩发挥效率小于与预设的触发阈值，则表明此时实际的粘着力矩过小，可能导致车轮的空转或滑行，也就需要对当前的保护阈值进行调整，所以此时在步骤S505中根据力矩发挥效率确定阈值影响因子；如果力矩发挥效率大于或等于预设的触发阈值，则表明此时的力矩发挥效率满足要求，当前不需要对粘着力矩进行调整，所以保持当前的粘着力矩和运动参数不变。

[0090] 因为不同的力矩发挥效率反映了车轮在钢轨上的不同状态，所以为了更好地防止出现车轮空转或滑行现象，本实施例中，对于不同的力矩发挥效率的取值范围，采用不同的策略来调整确定保护阈值。

[0091] 因此，在步骤S505中，根据力矩发挥效率的取值范围来确定阈值影响因子。其中，本实施例根据如下公式计算阈值影响因子：

[0092]

[0093] 其中，f表示阈值影响因子，k0、k1、k2、η0、η1、η2和η3表示常数，且k0＜k1＜k2，η0＞η1＞η2＞η3。这是因为力矩发挥效率η越小，就更加需要加大保护阈值，从而减小粘着力矩卸载量和卸载频率，以使粘着力矩尽快恢复到给定力矩。

[0094] 需要说明的是，本实施例中所确定的阈值影响因子所需要的常数均是根据多次试验得到的，但本发明不限于此，在根据本发明的其他实施例中，上述常数还可以通过其他合理方式得到。

[0095] 当得到阈值影响因子后，在保护阈值确定步骤中，根据粘着力矩有效值确定车辆运动参数，并利用得到的车辆运动参数和阈值影响因子确定车辆运动参数的相应的保护阈值。

[0096] 本实施例中，在确定车辆运动参数的相应保护阈值时，首先根据粘着力矩有效值计算车辆运动参数。其中，车辆的运动参数可以包括有效加速度、有效加速度微分值和蠕滑速度中的任一项或几项。但是需要说明的是，在本发明的其他实施例中，车辆的运动参数还可以包括其他合理参数，本发明不限于此。

[0097] 为了更加清楚地阐述本所发明提供的方法的目的、原理以及优点，本实施例中，以车辆运行参数包括有效加速度、有效加速度微分值和蠕滑速度来进行说明。

[0098] 如图5所示，在步骤S506中，根据粘着力矩有效值和车轴质量计算有效加速度和有效加速度微分值。

[0099] 本实施例中，分别根据如下公式计算有效加速度 和有效加速度微分值b：

[0100]

[0101]

[0102] 其中， 表示有效加速度，M表示车轴质量。

[0103] 需要说明的是，在根据本发明的其他实施例中，还可以根据其他合理方式计算有效加速度 以及有效加速度微分值b，本发明不限于此。

[0104] 此外，在步骤S506中，还可以根据实际经验数据得到车辆的蠕滑速度阈值常数σ。

[0105] 在步骤S507中，根据步骤S505中得到的阈值影响因子分别计算有效加速度、有效加速度微分值和蠕滑速度的阈值系数。其中，本实施例中分别根据如下公式计算各个参数的阈值系数：

[0106] ka＝f              (7)

[0107] kb＝α0·f+β0          (8)

[0108] kc＝α1·f+β1           (9)

[0109] 其中，ka表示有效加速度的阈值系数，kb表示有效加速度微分值的阈值系数，kc表示蠕滑速度的阈值系数，α0、β0与α1、β1均表示阈值转换系数。

[0110] 当得到各个参数的阈值系数后，最后在步骤S508中根据步骤S507得到阈值系数和步骤S506得到的各个参数的取值计算相应的保护阈值。

[0111] 本实施例中，分别根据如下公式计算有效加速度、有效加速度微分值和蠕滑速度的保护阈值：

[0112]

[0113] b0＝kb·b        (11)

[0114] c0＝kc·σ        (12)

[0115] 其中，a0表示有效加速度的保护阈值，b0表示有效加速度微分值的保护阈值，c0表示蠕滑速度的保护阈值。

[0116] 至此完成对防空转防滑行阈值的动态确定。

[0117] 为了更加清楚地阐述本发明所提供的方法的优点，以下结合图6所示出的本方法的效果图来进行进一步说明。

[0118] 如图6所示，从T0时刻开始实际粘着力矩明显小于给定力矩，这表明在T0时刻粘着力矩发生卸载。所以本方法通过统计T0到T0+T时刻之间的实际粘着力矩数据来对车辆运动参数的保护阈值进行调整，并确定出新的保护阈值。由于轨面条件的变化，同时车辆运动参数的保护阈值未进行调整，此时粘着输出力矩(即实际粘着力矩)出现较大波动并且卸载频繁。

[0119] 从T0+T时刻开始，调整后的保护阈值开始发挥作用。从图6中可以看出，此时粘着输出力矩波动变小，且卸载频率也减小。这说明调整后的保护阈值能够适应当前当前轨面条件。

[0120] 从上述描述中可以看出，本发明提供的防空转防滑行阈值确定方法能够实现对防空转防滑行阈值的动态调整和更新。相较于现有技术中使用的固定阈值，本发明提供的阈值动态调整方法能够使得粘着力矩的输出对轨面条件的适应性更强，其能够显著改善车辆的加减速性能、平稳性、舒适性以及安全性。

[0121] 同时，由于本发明是通过对粘着输出力矩的历史和实时数据进行统计计算，并在一定条件下对阈值进行调整，因此相较于现有技术中设定的固定阈值，本方法得到的动态阈值更加合理。

[0122] 应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

[0123] 说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

[0124] 虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权利要求书来限定。