电力机车牵引运行动态过程仿真及其分析_李曙辉
HXD1组合列车牵引与电制动模型的验证
HXD1组合列车牵引与电制动模型的验证张帅;魏伟【摘要】为了验证重载列车牵引与电制动模型可靠性,以HXDl型8轴9 600 kW 电力机车为研究对象,使用列车空气制动与纵向动力学联合仿真系统(TABLDSS)分别对惰行、牵引和电制动工况下的速度、车钩力等参数进行仿真计算并与试验比较.结果表明:车辆运行基本阻力模型在惰行工况下能够很好的模拟列车瞬时速度变化,最大误差0.9 km/h;上坡道牵引工况下的仿真速度与试验最大误差在±1 km/h内,第4车车钩力最大误差3.2％;下坡道制动工况下仿真速度误差0.8 km/h,第4车车钩力最大误差3.7％,证明了建立的车辆运行基本阻力、牵引与电制动模型是准确的.【期刊名称】《铁道机车车辆》【年(卷),期】2018(038)005【总页数】6页(P39-44)【关键词】HXD1机车;重载列车;运行阻力;牵引模型;电制动模型【作者】张帅;魏伟【作者单位】大连交通大学交通运输工程学院,辽宁大连116028;大连交通大学交通运输工程学院,辽宁大连116028【正文语种】中文【中图分类】U270.2提速重载是我国铁路提高货物运输能力，降低运输成本的基本方向，在列车提速重载发展的同时，必然伴随着列车纵向冲动的增大。
在列车运行时纵向冲动产生机理及操纵优化的研究中，目前常用的手段是对目标线路的列车运行过程进行实地测试，但实测取得数据的做法不仅耗费大量的人力物力，而且所得结果的通用性较差。
因此通过建立列车模型采用仿真分析的方法对优化机车操纵方式，减小纵向冲动有着积极的意义。
张波[1]通过将HXD1机车牵引仿真计算与山区铁路襄渝线线路试验相结合，确定了合理的HXD1电力机车在长大坡道地段的牵引定数及针对下坡道电制动控速能力提出了合理建议；曹震[2]在分析列车编组、列车过分相以及列车制动等因素对重载列车牵引计算影响的基础上建立了牵引计算模型，对大秦线部分路段进行列车牵引运行仿真，用仿真结果与列车实际操纵对比分析验证了牵引模型的精度；耿志修[3]通过建立重载列车运行仿真计算模型，研究了大秦线不同编组重载列车的牵引、制动等技术参数，为大秦线组织重载列车试验，制订合理操纵方法等提供了技术依据；李曙辉等人[4]在充分考虑电力机车操作、运行特点及供电系统网压波动因素基础上，完成了SS3型电力机车的牵引运行仿真，结合实际线路，分析了网压对SS3机车运行特性的影响。
基于ANSYS的电主轴温度场仿真及分析
1975 年生， 第一作者: 宋长双， 男， 工学学士， 工程 师， 主要研究方向为数控机 床 电气 控制及数控 系 统 应 用。 ( 编辑 余 捷)
－7
( 2)
( 8) ( 9)
2 /3
式中: C 为摩擦系数( 常根据 经 验 来 确定) ; ρ 为 空 气 密 kg / m3 ; ω 为角速度， rad / s; R 为 旋转 体 的 外径， m; L 度， m。 为旋转体的长度， 1． 1． 2 电损耗 电 损 耗 主要 是 定 子 与 转 子 的 电 损 高速电主轴中， 耗， 可用下式计算: P e = I2 R = I2 ρL / S ( 3) W; I 为电流， A; ρ 为导体 的 电 阻 率， 式中: P e 为电损耗， m; S 为导体的截面积， m2 。 Ω·m; L 为导体的长度， 1． 1． 3 磁损耗 循环磁化时单位质量的损耗可用经验公式表示为 P t = CfB2 ( 4) max W; C 为 与 电 工 钢 牌 号 有 关 式中: P t 为磁 滞 损 耗 功率， Hz; B max 为磁感应最大值， T。 的常数; f 为磁化频率， 转子铁芯的损耗 由 转 差 率 来 确定， 由 于 它 的 值很 小， 可以忽略不计。 涡流损耗按下式计算: π δ ( fB ) 2 ( 5) 6 ργ c m; f 为 磁 化 式中: P 为涡流损耗功率; δ 为硅钢 片 厚 度， P = Hz; B 为磁感 应 最 大 值， T; γ c 为 铁 芯 的密度， kg / 频率， m3 ; ρ 为铁芯的电阻率， Ω·m。 1． 2 电动机生热率的计算 生热 率 q 是 指 热 源 单位 体 积 的发 热 量， 可用 下式 Q V
机车牵引电动机动态实时分析及故障检测
机
车
电
传
动 ２００４年
电压， 形成双闭环系统。
４．１
３
直流串励牵引电动机匝间短路、 接地短路故
图１
直流串励牵引电动机的仿真模型
２
２．１
直流串励牵引电动机闭环控制系统的设计
按工程设计方法设计双闭环系统［７］
对于控制系统来说， 闭环系统可以获得比开环系 统硬得多的稳态特性， 从而在保证一定静差率的要求 下， 能够提高调速范围， 且闭环系统具有良好的抗干扰
图２
直流串励牵引电动机电流斩波转速 ＰＩ 调节双闭环仿真系统 — ５１ —
收稿日期：２００３－１１－１０ ；收修改稿日期：２００４－０１－０５ 基金项目： 铁道部基金项目（Ｊ ２ ０ ０ ０ Ｚ ０ １ ３） — ５０ —
力机车直流牵引电机故障发生后电机动态性能的变化， 能够实时地检测故障类型， 从而及时采取措施避免造 成严重后果。 仿真和计算结果表明， 本文提出的方法是 正确的， 而且易于实现， 也适用于其他类型的电机， 具 有一定的应用价值。
１
１．１
直流串励牵引电动机数学模型的建立
直流牵引电机的数学模型 凡是用来驱动铁路干线电力机车、 工矿电力机车、 城 郊 和 地 下 铁 道 电 动 车 组 、城 市 电 车 以 及 其 他 电传动机车的电动机， 通常称为牵引电动机。 牵引电动 机是通过齿轮传动装置直接驱动机车的核心部件。 牵 引电动机的类型比较多， 有直流牵引电动机、 脉流牵引
［６］
性能。 采用转速负反馈和ＰＩ调节器的单闭环调速系统 可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。 如果 对系统的动态性能要求较高， 例如要求快速启制动、 突 加负载动态速降小等等， 单闭环系统就难以满足需要， 就需要设计成双闭环调速系统。 根据直流牵引电动机 实际运行的特性和方式， 建立牵引电动机的转速ＰＩ调 节和电流斩波控制双闭环系统。 ２．１．１ 转速ＰＩ调节器的设计 将直流电机校正成典型Ⅱ型系统， 其传递函数可 改写为 K2 Ω (s) = ……………………… （６） V a ( s ) (T1 s + 1)(T 2 s + 1 ) ＰＩ调节器的数学模型为 Va ( s ) K pi (τ 1 s + 1) = …………………………… （７） E (s) τ 1s 电机对象为 ： １／ （ＴａＴＬｓ２＋Ｔａｓ＋１） 。 这里Ｔ１＝Ｔａ， Ｔ２＝ＴＬ， 取 η ＝ ５ ，则 τ １ ＝ η Ｔ ２ ＝ η Ｔ Ｌ 。确 定 参 数 Ｋ ｎ ＝ ５ ０００，Ｋ ｐｉ ＝ （η＋１）／（２η２Ｔ２）＝７５０ ０００， 调节器中电流极限Ｉｍａｘ＝１ ２５０ Ａ。 ２．１．２ 电流滞环比较器 滞环比较器的滞环宽度设定为０．０２ Ａ， 其输出参考 电流 Ｉｆｒｅ 与实时电流 Ｉａ进行滞环比较， 当所比差值绝对 值大于滞环宽度时， 输出跳转。 滞环宽度较小时， 闭环 系统反应变快， 能及时地进行控制。 电流脉动会对系统产生不良的影响， 加入平波电 抗器， 以抑制电流脉动。 平波电抗器的电感量一般按低 速轻载时保证电流连续的条件来选择， 通常给定最小 电流 Ｉｍｉｎ， 再利用它计算所需的总电感量。 ２．２ 双闭环仿真系统设计 根据上述要求， 利用 ＳＩＭＵＬＩＮＫ ［６］可以建立图 ２ 所 示的双闭环调速系统的仿真模型。 直流电源由 ＧＴＯ 进 行斩波控制， 而ＧＴＯ的门极信号是回馈得到的；二极管 ＶＤ１ 是晶闸管ＧＴＯ的吸收电路。 可变直流电压作为输入 信号输入到直流电机的子系统模型中。 而子系统的输 出信号通过分路器分离成４路信号电流 ｉ、 电压 ｖ、 转速 ω、 转矩 Ｔｅ。 输出转速与给定转速通过ＰＩ调节器得到的 电流， 在与输出电流一起经过滞环比较器后， 转换为控 制信号， 控制晶闸管ＧＴＯ的开通和关断， 由此控制可变
电气化铁路牵引供电系统的仿真及影响研究
电气化铁路牵引负荷具有非线性、冲击性、不平衡性等特点，这些特点导致 了谐波的产生。具体来说，非线性是指牵引负荷中的电力电子设备（如整流器、 逆变器等）的功率因数低于1，这使得电流波形发生畸变；冲击性是指牵引负荷 在启动、加速和制动过程中的瞬时功率变化较大，使得电网承受瞬时冲击；不平 衡性是指牵引负荷的三相电流不平衡，导致电网电压发生波动。
参考内容二
随着科技的不断发展，高速铁路已成为现代交通运输的重要方式之一。而牵 引供电系统作为高速铁路的关键部分，直接影响到列车的运行安全和效率。本次 演示将对高速铁路同相AT牵引供电系统进行深入研究，探讨其结构、功能及其应 用。
高速铁路牵引供电系统主要是由牵引变电所和接触网两部分组成。牵引变电 所将电网的高电压转换为适合列车使用的低电压，并通过接触网向列车供电。同 相AT牵引供电系统作为一种先进的牵引供电技术，在高速铁路中得到了广泛应用。
在结论与展望部分，我们将总结本次演示的主要内容，并指出其中的关键点。 我们将讨论目前数字建模及仿真还存在的研究空白，以及未来可能的研究方向。 例如，可以考虑更加精细的模型，引入更多非线性元素和不确定因素，或者结合 和机器学习等技术进行模型优化和预测等。
总之，高速铁路牵引供电系统数字建模及仿真是一项复杂而重要的工作。通 过这一方法，我们可以更准确地预测和优化系统的性能，提高高速铁路的运行效 率和安全性。本次演示已初步探讨了这一主题，未来还有许多值得深入研究的方 向值得我们进一步探讨和挖掘。
研究方法
本次演示采用理论分析和仿真实验相结合的方法，对电气化铁路牵引供电系 统进行深入研究。首先，建立牵引供电系统的数学模型，包括变压器、整流器、 逆变器和电机等关键部件。然后，利用仿真软件对模型进行数值计算和分析，通 过调整参数值来研究不同设置下的系统性能。
SS7型电力机车牵引电机垂向振动加速度分析
利用ADAMS/Rail 软件进行SS7型电力机车牵引电机垂向振动加速度分析傅秀通杨绍普詹斐生张志宏封全保美国MDI 公司北京办事处石家庄铁道学院铁道部科学研究院大同机车厂摘要：本文利用美国MDI 公司的ADAMS/Rail 软件，对大同机车厂的SS7 电力机车建立了整车模型，模型包括了牵引电机、大小齿轮、电枢轴等。
考虑了牵引电机的吊挂刚度，分析了SS7 电力机车在120km/h 时采用抱轴方式时的电机垂向振动加速度，计算结果与试验结果取得了较好的一致性，为牵引电机的设计提供了依据。
关键词：ADAMS 机车动力学1、概述机车转向架的设计除了应保证机车具有良好的动力学性能外如：横向及垂向平稳性、横向蛇行稳定性、曲线通过性能、轮轨动作用力、牵引粘着性能，还必须保证牵引电机具有良好的工作条件，特别是整流子、电刷的工作条件。
因为在机车运行过程中，牵引电机将随机车一起振动，特别是当线路存在随机不平顺或某些局部的不平顺冲击时，对电机的振动影响很大。
牵引电机受到较大的加速度，从而影响牵引电机的正常工作。
因此要求电机的垂向振动加速度要尽量小，以延长牵引电机的使用寿命，降低故障率。
大同机车厂与株州电力机车研究所共同研制的SS7 型电力机车，牵引电机采用轴悬式悬挂，对于低速机车这是一种最简单和最经济的牵引电机悬挂方式，至今仍然被广泛采用。
这种驱动方式就是将牵引电机的一端通过抱轴轴承刚性地抱在轮对上，另一端通过橡胶垫吊挂在构架上，在设计上唯一可以改变的参数就是牵引电机的吊挂刚度。
西南交通大学分析了SS7机车在不同运行速度下，考虑轨道不平顺激励时, 机车及牵引电机产生的振动，进而分析了牵引电机吊挂刚度对电机振动的影响，并提出了牵引电机的合理吊挂刚度值，为机车的设计提供了理论依据。
在以往机车的动力学试验中，实测的电机及轴箱加速度值差别很大，数据离散性很强，很难找出一定的规律来，原因就是因为试验的中线路的随机性，而试验经费及线路条件不允许做很多试验，因此试验值仅供参考。
机车牵引电机振动测试及数据分析
１) 零漂的处理ꎮ 电机受到的冲击量级较大ꎬ
容易产生高频饱和ꎬ造成信号的零漂ꎬ一般认为信
号失真ꎬ但是通过修正也可以使用ꎮ
２) 信号削波ꎮ 由于测量的信号超过量程ꎬ测
量仪器采集的电压信号无法真实显示ꎬ削波通常增
加了信号的高频成分ꎬ因此应剔除削波信号ꎮ
Ｌａｌａｎｎｅ 通过对 ＳＤＯＦ 系统的研究ꎬ提出直接
的某型机车开展了机车牵引电机冲击与振动及螺栓应变在线测试ꎬ对测得的振动加速度数据进
行了筛选并统计出冲击响应峰值和响应时间ꎬ对冲击响应归纳冲击响应谱并进行对比分析ꎮ 通
过对比分析可知螺栓所承受的载荷较大ꎮ 同时ꎬ对螺栓上的应变进行分析ꎬ进一步验证了螺栓受
到较大冲击和螺栓强度偏低是造成螺栓断裂的关键性因素ꎮ 实测数据的振动量级与 ＧＢ / Ｔ ２１５６３
时所受到的冲击以及振动状况ꎬ本文对某型电力机
车开展了整备状态下的振动加速度测试并对数据
进行了分析ꎮ
１ 牵引电机线路测试实验说明
图 １ 机车牵引电机安装结构
本文测试的线路为机车牵引电机发生螺栓批
量故障的运营线路ꎬ该线路隧道较多ꎬ上坡道较长ꎬ
最小 弯 道 半 径 ５００ ｍꎬ 最 大 坡 道 １２‰ꎬ 最 长 坡 道
复到正常振动幅值ꎬ因此选取峰值与正常振动的结
点能更有效地反映冲击的有效持续时间ꎮ 对测试
线路全程数据进行筛选ꎬ选出最大的 ３ 次冲击ꎬ并
进行冲击响应峰值和冲击响应持续时间的计算和
统计ꎬ统计结果见表 １ꎮ
图 ２ 端盖冲击响应归纳谱
表 １ 冲击响应时间和峰值
测点
机座
端盖
悬挂
轴承位
方向
参数
数据样本
Ⅰ
Ⅱ
２０２０ 年 ５ 月 机械设计与制造工程 Ｍａｙ. ２０２０
关于2009年(第十期)工程实践活动学生报名工作的通知
关于2009年（第十期）工程实践活动学生报名工作的通知
校内相关实验室、中心、教学基地：
我处于6月3日发布了申报2009年（第十期）工程实践项目的通知，共收到申报项目273项。
根据《西南交通大学对本科生开放工程实践项目管理办法》的相关规定，我处确定下列243个项目（见附件一）作为候选项目，可以接纳学生报名。
每位学生限报一个项目，每个项目最多可接纳4名学生，学生报名截止时间为9月16日。
请各候选项目指导教师对报名学生进行筛选，并于9月18日之前以实验室为单位，将筛选后的学生名单（见附件二）的打印件及电子文档送交实验室及设备管理处（行政楼546）赵老师（Email：swjtu_lab@）。
附件可在 下载。
专此通知。
实验室及设备管理处 2009年9月7日
附件一：2009年（第十期）重点实验室工程实践候选项目
附件二：西南交通大学2009年（第十期）工程实践活动报名学生名单
实验室名称：实验室负责人（签字）：。
基于电力机车不同工况的负荷谐波分析与仿真研究
基于电力机车不同工况的负荷谐波分析与仿真研究作者：李大鹏来源：《硅谷》2014年第09期摘要随着近几年来铁路交通的不断发展和进步，电力机车扮演了一个极为重要的角色。
电力机车主要是从电网中摘取能源获得动力的机车，其主要牵引力就来自于供电系统的接触网或第三轨。
正是由于这一电力输送对电网中产生了一定的高次谐波，使得供电网的供电频率受到影响，严重影响了供电网的供电质量。
文章从电力机车在电网中产生的负荷谐波进行理论分析，并使用MATLAB来对电力机车在不同的工作情况下的负荷所产生的谐波进行仿真研究，对不同工矿下的仿真研究结果进行对比分析。
关键词电力机车；牵引负荷；谐波分析；仿真分析中图分类号：U264 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）09-0050-021 电力机车谐波产生的机理分析经多年的相关研究分析证明，供电网络和电力机车的动力系统之间的电力输送传递的过程中所产生的谐波主要是来自于电力机车的负荷，这些负荷主要是指机车中像整流器、变压器、旋转电机、继电保护装置等非线性元件[1]。
这些非线性元件在进行工作的过程中由于其自身的阻抗而产生了谐波电流源，各个非线性元件所产生的谐波电流源相互叠加形成谐波潮流，并以谐波电信号的形式反馈给供电网络，而并非原本的供电网络中所存在的[3]。
故而，在对电力机车的谐波分析时都直接忽略掉牵引变电所的变压器的二次侧电压所产生的谐波，认为为机车提供动力的电压是正弦电压信号。
根据能量守恒定律进行分析，能量不能够凭空产生也不能够凭空消失[2]。
当电力机车从电网中获取能量的过程中，存在着能量损耗，而这部分的能量就由于非线性负荷的原因而被转化为了谐波功率反馈到原本的供电网络中，影响了原本的供电网络的频率和功率情况，造成了供电网络波动影响原本供电网络的平稳性。
2 在交—直电力机车不同工况下的负荷谐波仿真笔者在对交—直电力机车的不同工况的负荷谐波进行仿真分析时主要选择了电力机车的惰性状态、机车启动、机车加速以及机车减速和制动这几个相对具有代表性的工况。