牵引电力机车

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牵引电力机车 篇3

摘要：城市轨道车辆电力牵引系列课程是城市轨道车辆工程专业培养计划中的重要组成部分，在整个专业课程体系中具有重要的地位和作用。介绍了该系列课程内容及相关能力培养要求，根据其数学模型复杂、理论性强的特点，通过课内专业基础实验、集中专业实验、企业实习三个层次的实践教学环节建设，有利地补充了理论课程的不足，取得了一定的成绩。

关键词：城市轨道；电力牵引；实践教学

作者简介：师蔚（1981-），女，新疆伊宁人，上海工程技术大学城市轨道交通学院，讲师；郑树彬（1979-），男，广东揭阳人，上海工程技术大学城市轨道交通学院，副教授。（上海?201620）

中图分类号：G642.0?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）20-0076-01

上海工程技术大学城市轨道交通车辆工程专业，以城市轨道交通车辆工程为背景，培养具有城市轨道交通车辆工程基础知识与应用能力、能面向工程实际，从事城市轨道交通车辆运行保障及维护、故障诊断及维修并可延伸至整个轨道交通领域等方面工作的高级工程技术人才。该专业获批成为教育部首批试点“卓越工程师”专业。

该专业重视知识、能力与工程实践的融合，注重理论联系实际，着力提高学生的工程意识、工程素质和工程实践能力。采用产学合作、工学交替，学科链、专业链对接产业链的特色培养方式，在该专业培养的课程体系中注重机械与电气课程体系的交叉。城市轨道电力牵引系列教学环节是城市轨道车辆工程专业培养中的重要组成部分，主要由城市轨道电力牵引系列理论课程及相关实践教学环节组成，近几年来不断教学实践，充分利用学校培养及企业实践的资源优势，着力建设，取得了一定的成果。

一、城市轨道电力牵引系列理论课程介绍

城市轨道电力牵引系列理论课程主要包括专业基础课程“电机及拖动”、“电力电子技术”以及专业特色课程“城市轨道车辆电力牵引与控制”。

其中“电机及拖动”课程主要介绍交、直流电机及变压器等基本结构与工作原理，以及交、直流两大电力拖动系统的运行性能和主要特点。该课程的学习，使学生掌握扎实的电机与拖动的基本知识，具备独立分析电力拖动系统各种运行状态，掌握有关的定量计算方法，能够合理地选择和使用电动机，为后续专业课的学习打下良好的理论和技能基础，为从事专业技术工作做好基本培养和锻炼。

“电力电子课程”主要讲授电力电子学的基本理论，各类变流电路包括整流电路、斩波电路、逆变电路的原理，电路输出波形分析和基本参数的计算等。该课程的目的和任务是使学生了解电力电子技术的发展概况、技术动向和新的应用领域；熟悉各种电力电子器件的特性和使用方法；掌握各种电力电子电路的结构、工作原理、控制方法、设计的基本计算方法；熟悉各种电力电子装置的应用范围及技术经济指标。

“城市轨道车辆电力牵引与控制”课程主要介绍城市轨道交通直流及交流电力牵引的基本组成、调速原理及基本控制方法，车辆主回路及控制回路的原理及组成。该课程的目的和任务是使学生掌握城市轨道交通车辆直流及交流传动调速及控制系统的基本组成及原理，理解一些典型的传动及控制系统实例，掌握城市轨道主电路及控制电路的识读及分析能力。

上述课程中的专业基础课程“电机及拖动”、“电力电子技术”数学模型复杂，抽象不易理解；而专业特色课程“城市轨道车辆电力牵引与控制”具有涉及知识领域广、实践性强等特点，如果完全进行理论教学，则教学效果不理想，必须配备相应的实践环节进行教学补充，从而完善教学内容，提高教学质量。[1]

二、城市轨道电力牵引系列实践教学环节建设

城市轨道电力牵引系列实践环节是理论课程的重要补充，不仅能够验证理论教学环节内容，加深对理论环节教学内容的理解，同时通过设计综合实验，学生提高了在城市轨道电力牵引方面综合分析及解决问题的能力。建设根据其课程体系及培养目标，确定三个层次。第一个层次为课内专业基础实验，第二个层次为专业实验，第三个层次为企业实践环节。

1.课内专业基础实验建设

第一个层次的课内专业基础实践安排在课程“电机及拖动”及“电力电子技术”中进行，实验地点安排在学校专业实验室进行。其中“电机及拖动”课内实验主要包括直流电动机的机械特性及调速实验，异步电动机的机械特性及调速实验，主要进行理论教学内容的验证，注重加深在“电机及拖动”理论教学中的重点内容的直观理解及巩固理论教学内容。“电力电子技术”课内实验主要包括电力电子器件参数及特性测量，整流电路、斩波电路、逆变电路实验，通过实验注重培养和提高学生的在电力电子技术方面的动手能力、分析和解决相关电力电子技术变流电路方面的能力。

该环节实验为专业基础课程内的实验，因此城市轨道车辆工程专业的实验建设中，注重对学生电机及电力电子技术基础知识的认知，具有与其他电气专业通用的教学内容与实验配套内容，强调专业基础知识认知的广泛性。[2]

2.专业实验建设

第二个层次的专业实验，主要由集中实践环节“城市轨道车辆电力牵引与控制综合实验”完成，实验地点安排在学校专业实验室进行。该实验环节在理论课程“电机及拖动”、“电力电子技术”、“城市轨道车辆电力牵引与控制”后进行的一门综合实验，包括牵引及调速验证实验、牵引系统排故实验、城市轨道车辆电力牵引主回路与控制回路示教实验。

通过本实验的学习，学生能够直观地进行城市轨道车辆电力牵引与控制方面的学习，验证牵引及调速系统的构成及工作原理，能进行一些牵引系统的排除故障判断及操作。目的在于培养轨道交通车辆工程专业学生具备分析电力牵引系统调速及控制方法的能力；了解城市轨道交通车辆电力牵引主回路及控制回路的基本结构、控制逻辑；具备分析城市轨道车辆电力牵引主回路及控制回路的能力；提高学生在电力电子与电力牵引方面的综合应用能力。

该环节的实验主要作用是将专业基础科学在专业特色中的应用环节，是完成企业无法提供的实践条件，是连接学校与企业实践的重要纽带，即注重学科的基本应用，又有车辆工程实际应用的切入点。因此该实验在一般电力牵引与控制调速实验的基础上，侧重应用于城市轨道交通车辆电力牵引方向的应用特点，使学生在具备分析电力拖动、电力电子及电力牵引系统的调速及控制方法能力的基础上，能够对城市轨道交通的电力牵引与控制方法有深入的了解。[3]

3.企业实践环节建设

第三个层次主要为企业实践环节，该环节在“城市轨道车辆生产实习”中完成。该层次内的实践地点为企业，由企业和学校双导师指导。车辆电力牵引系统的部件拆装与检修则是“城市轨道车辆生产实习”的重要组成。通过现场实习，学生能了解车辆电力牵引系统拆装的基本任务、要求、手段；掌握城市轨道交通车辆电力牵引系统常见故障的诊断分析和处理方法；掌握轨道车辆各种维修工艺、设备及相关维修管理知识，了解轨道车辆维修、维护领域的标准和规范，注重电力牵引及控制系统学习在企业的应用。

该部分实践环节在整个城市轨道电力牵引系列课程中的作用偏重于企业的实际应用，将企业规范、工艺流程、设备等工程知识融入知识体系中，主要培养学生在电力牵引与控制领域的工程应用能力。

三、结论

城市轨道车辆专业以企业需求为导向，根据“卓越工程师”培养要求，确定了培养计划中的电力牵引部分培养目标，并以此进行了相应课程体系建设。通过系列理论课程配合三个层次的实践环节建设，达到了培养计划中关于城市轨道电力牵引部分的培养目标要求，取得了一定的成果。

参考文献：

[1]陈文辉,覃永新,罗文广,等.以电子技术应用为目的的实践教学改革与探讨[J].实验室科学,2010,13(1):35-37.

[2]聂宏展,蔡国伟,崔实,等.电类技术基础课程实验教学体系改革与设想[J].东北电力学院学报,2003,23(3):57-60.

[3]谢志远,尚秋峰,李新叶.电子信息科学与技术专业创新人才培养课程体系优化与培养模式研究实践[J].中国电力教育,2005,(S1):109-111.

牵引电力机车 篇4

关键词：油泵,牵引变压器,冷却系统

0 引言

电力机车牵引变压器油泵是指专供电力机车牵引变压器强迫油循环冷却用的油泵, 应用于电力机车牵引变压器的强迫油循环风冷冷却系统中, 为油循环提供动力, 使牵引变压器达到预期的冷却效果。当牵引变压器采用单冷却回路时, 每台牵引变压器配装一个油泵, 当牵引变压器采用双冷却回路时, 每台牵引变压器配装两个油泵。牵引变压器油泵是冷却系统中的一个重要组件, 油泵在运行中如果出现了故障, 会直接影响牵引变压器的安全运行, 因此牵引变压器油泵的质量安全至关重要。目前, 电力机车行业高速发展, 电力机车牵引变压器油泵具有广阔的市场应用前景。

1 结构组成和工作原理

油泵主要由定转子、叶轮、轴、轴承、泵壳体和接线盒等组成。定转子是油泵能量转换的动力源, 将电能转化为机械能;轴的作用是传递扭矩, 带动叶轮旋转;叶轮将机械能传递给液体。

变压器油泵的工作原理是:电动机通过泵轴将机械能输入液体中, 泵轴和固定在轴上的叶轮一起旋转, 叶轮中的液体在叶片的作用下通过泵出口进入出油管, 同时, 进油口中的液体压力差流向泵内, 又进入转动的叶轮中, 形成连续的流动过程, 达到输送液体的目的。

2 油泵在牵引变压器上的应用

牵引变压器油泵应用在电力机车牵引变压器上, 随电力机车一起运行, 与地面变压器油泵相比, 应用环境对电力机车油泵提出了更高的要求, 要求具有良好的抗振动冲击性能、高防护等级, 同时要求其具有高可靠性、低噪声、节能高效等特点。

图1为电力机车牵引变压器油泵在单冷却回路的工作示意图。牵引变压器工作时发热, 使油箱里的变压器油油温升高, 油泵为变压器油的流动提供动力, 将热油从油箱顶部抽出进入冷却器, 冷却后的油从底部进入牵引变压器油箱中, 如此循环往复, 使牵引变压器达到预期的冷却效果, 保障牵引变压器持续正常工作。

牵引变压器用油泵按结构分主要有两种型式:即离心式和轴流式。这两种型式的油泵在牵引变压器上均有广泛的应用, 下面简要介绍应用在牵引变压器上的离心泵和轴流泵的特点。

2.1 离心式牵引变压器油泵特点

离心泵是根据离心力原理设计的, 高速旋转的叶轮带动液体旋转, 将液体甩出, 从而达到输送液体的目的。目前, 国内200 km动车组上使用的油泵属于离心泵, 功率为1.5 k W, 流量42 m3/h, 扬程7 m, 外观见图2。该油泵结构紧凑, 外形尺寸上, 幅向尺寸小, 轴向尺寸较高。泵部分采用离心式泵, 叶轮直接安装在电机轴端;电动机部分采用潜油结构, 油泵电机整个浸泡在变压器油中。油泵的泵体和电机壳体均采用钣金制造, 实现了耐振、抗冲击的特点, 设计时尽量减少密封圈的数量, 确保无泄漏, 轴承采用安全性能高和使用寿命长的滚动轴承。

2.2 轴流式牵引变压器油泵特点

轴流泵也称管道泵, 油泵运行时叶轮中的液体沿着与主轴同心的圆筒内排出, 特点是流量大、扬程低。目前国内HXD1型电力机车上使用的油泵属于轴流泵, 功率7.3 k W, 流量60 m3/h, 扬程21.5 m, 外观见图3。该油泵安装时要求的轴向空间小, 幅向空间大。油泵的泵体、法兰、叶轮和接线盒均采用铸铝合金制造, 实现了轻量化的要求;电动机部分采用潜油结构, 油泵电机整个浸泡在变压器油中, 变压器油能对油泵轴承进行冷却和润滑。

3 油泵使用注意事项

牵引变压器油泵运输、储存时内部应充满变压器油或者氮气, 应防止油泵在搬运过程中撞击导致轴承损伤。若油泵是充变压器油的, 安装前应确认变压器油的型号并将油倒出, 避免因变压器油不同而发生混油。油泵安装过程中, 要特别注意防止杂物混入。接线时, 三相电源的电线U、V、W应与油泵接线盒内的U、V、W相对应, 杜绝相序接反。在牵引变压器上安装好后, 应进行工频耐压、绝缘电阻、功率测量等试验的检测。油泵随牵引变压器在电力机车上运行时, 需要定期对油泵进行检查, 若发生故障应及时处理。

4 结语

牵引变压器油泵在电力机车行业得到了广泛的应用, 在选型时, 应根据项目的实际情况诸如流量、扬程、安装空间等诸多因素综合考虑选择。牵引变压器油泵随牵引变压器安装在电力机车上, 兼具使用重要性和维修困难性, 因此牵引变压器油泵要具有高品质的质量。总之, 低噪声、无渗漏、高可靠性, 节能环保等是牵引变压器油泵研制的必由之路, 高品质的牵引变压器油泵必将能使电力机车牵引变压器的品质得到更好的保障, 能在牵引变压器上得到广泛的应用。

参考文献

[1]黎贤钛.变压器油泵实用技术[M].北京:中国电力出版社, 2010.

牵引电力机车 篇5

班级学号姓名

一、填空（每空1分，共20分）

1．电源电流谐波与

2．利用二点式逆变器，只能把中间直流回路的接到电动机上去。

3．东风4型内燃机车励磁电路的调整就是保证在不同主手柄下牵引发电机励磁电流随负载电流的变化而按相应的形曲线变化。

4．电力机车的电气线路按其作用的不同，可分为、和三大部分。

5．有级调速电力机车如SS1有级消磁。

6．为了保证电力机车正常运行，机车上设有辅助电路和辅助机械装置。

7．6K型机车采用牵引电动机，当机车运行于高速区域时，通过控制的办法来达到规定的磁场削弱系数。

8．斩波器主要由组合而成。

9．对于城市电车或地铁动车，一般由直流 的接触网供电。

10．为了机车能安全可靠地工作，必须设置可靠的保护系统，以便在出现各种不利的能及时地采取防护措施。

11．单闭环调节系统对于 都有抑制作用，因为一切扰动最终都要反映到被调量上来，都可以通过测出被调量的偏差而进行调节。

12．系统动态特性的数学表达式，叫做。

13．SS1型机车设有两个两位置开关，即开关和。

14．6G型机车为六轴机车，六台牵引电动机 分成两组，每组三台牵引电动机。

二、名词解释（每题4分，共20分）

1．四象限脉冲整流器：

2．恒压运行：

3．调速性能指标：

4．斩波器：

5、交-直流传动方式：

三、简答题（每题5分，共30分）

1． 串激牵引电机有哪些优缺点？

2． 电阻制动有哪些优缺点？

3． 电力机车上可能发生的过电压有哪几种？

4．移相电路分为哪几种？各有什么用途？

5采用异步电机作牵引电机有哪些优点？

四、叙述题（每题10分，共计10分）

细述SS1型电力机车司机控制器的转换手柄与调速手柄之间的机械联锁作用。

电力牵引控制系统复习题

一、填空

1．电力机车的电气线路按其作用的不同，部分。

2．有级调速电力机车如SS1型机车，它有有级消磁。

3辅助电路和辅助机械装置。

4．6K型机车采用复励牵引电动机，当机车运行于高速区域时，通过控制 励磁整流器而改变它励绕组电流IF的办法来达到规定的磁场削弱系数。

5组合而成。

6．等因素有关系，且不同斩波器情况也不一样。接到电动机上去。

8．东风4型内燃机车励磁电路的调整就是保证在不同主手柄下牵引发电机励磁电流随负载电流的变化而按相应的“马鞍”形曲线变化。

9．对于城市电车或地铁动车，一般由直流 的接触网供电。

10．为了机车能安全可靠地工作，必须设置可靠的保护系统，以便在出现各种不利的工作环境和故障时能及时地采取防护措施。

11． 都有抑制作用，因为一切扰动最终都要反映到被调量上来，都可以通过测出被调量的偏差而进行调节。

13．SS1型机车设有两个两位置开关，即主变压器次边绕组正反串接开关和牵引、制动工况转换开关。

14．6G 分成两组，每组三台牵引电动机并联运行。

二、名词解释

1．四象限脉冲整流器：为了改善机车的功率因数和减少谐波电流对电网的干扰，在交-直-交机车上除电机侧有逆变器以外，电源侧还设有四象脉冲整流器。从本质上讲，四象限脉冲蒸馏器是按斩波方式工作的整流器。所以，它也常被称为脉冲整流器。

2．恒压运行：将电流手柄置于较高给定，使电流环不参与调节，操作电压手柄，则电机端压不断上升，机车加速，当电压手柄停留在某一级位上，则机车保持在这一恒定电压下运行。

3．调速性能指标：就是对调速系统技术性能的定量要求。设计自动控制系统需要满足静态（稳态）和动态两个方面的要求。

4．斩波器：就是将负载与电源接通继而又断开的一种通/断开关，它能从固定输入的电源电压产生出经过斩波的负载电压。

5、交-直流传动方式：就是采用交流牵引发电机，通过大功率硅整流器使交流电变为直流电，然后再供给数台直流牵引电动机。

三、简答题

1串激牵引电机有哪些优缺点？答：交直型电力机车普遍采用串激牵引电机，串激电机具有牛马特性，即起动牵引力大，随着机车速度增加，牵引力相应地减小，基本上具有恒功特性，所以十分适合于机车牵引的需要。它的最大缺点是软特性和防空转能力差，容易超速。

2电阻制动有哪些优缺点？

答：优点：

1、提高列车运行的安全性。

2、减少了闸瓦和轮缘磨耗。

3、提高了列车下坡运行速度。

4、节约了能量。

5、易于实现制动力自动控制。

缺点：低速时，制动力直线下降。改缺点目前有下列几种克服方法：

1、采用加馈电阻制动。

2、将制动电阻分成两级。

3电力机车上可能发生的过电压有哪几种？

答：两种，一种是来自大气的雷击过电压，简称大气过电压，可高达数百万伏，又称外部过电压，通过接触网导线或直接侵入车顶高压部分。

另一种是来自机车内部的电器设备，如硅整流元件的整流换相；电器开关如主断路器的分合等，称为操作过电压货内部过电压。

4移相电路分为哪几种？各有什么用途？

答：移相电路可分为四种：阻容移相，单结晶体管移相、交流与直流叠加移相和锯齿波与直流叠加移相。前两种一般用于功率不大的整流装置，触发系统不经脉冲变压器隔离，直接与主电路晶闸管门级相连接。后两种用于大功率电力机车整流装置，移相电路输出，中间经脉冲信号形成电路（例如单稳电路）和隔离脉冲变压器，再送到晶闸管的门极。

5采用异步电机作牵引电机有哪些优点？

答：

1、由于转速可达4000r/min以上，功率比较大；

2、通过选择最佳传动比，减少电动机质量，而不会影响其性能；

3、由于利用了换向器所占的空间，每单位体积发出的力矩更大；

4、由于定子绕组沿圆周均匀分布，散热条件好，电动机的热利用最佳。

四、叙述题

细述SS1型电力机车司机控制器的转换手柄与调速手柄之间的机械联锁作用。

答：1。当调速手柄在“0”位时，转换手柄可以从其“0”位取出、插入或从“0”位扳倒“后”、“前”或“制”位。

2．转换手柄在“0”位或取出后，调速手柄被锁在其“0”位不能扳动。

3．转换手柄扳倒“前”或“后”位时，调速手柄可以在牵引各位（“0”-“快”）间任意扳动。

4．调速手柄离开“0”位时，转换手柄不能从“后”、“制”或“前”位扳回“0”位。

5．调速手柄在“降、固

1、固

2、升”各位时，转换手柄可以在“前、Ⅰ、Ⅱ Ш”各位来回扳动；同样转换手柄在“前、Ⅰ、Ⅱ Ш”各位时，调速手柄可以在“降、固

1、固

2、升”任意扳动；

6．转换手柄在“制”位时，调速手柄可由“0”位扳倒“制”位，当继续推动调速手柄时便带动电位器转动，通过半控整流桥平滑调节牵引电机励磁电流的大小。

6作为内燃机车的传动装置，主要应完成哪些任务？

1．当机车运行在需要柴油机发出满功率时，应使机车在规定的运行速度范围内保证柴油机在额定功率下工作，既不过载也不欠载；

2．当机车仅需柴油机以部分负荷运行时，应使机车在规定的运行速度范围内保证柴油机能按其经济特性运行；

3．机车应有良好的起动性能。

这三项任务主要依靠调节牵引发电机的外特性来得到。

7电力牵引闭环自动控制系统的基本工作原理。

机车恒速牵引PLC控制技术初探 篇6

关键词：PLC,恒速,控制

1 引言

内蒙古大唐国际锡林浩特矿业公司是隶属于中国大唐集团公司, 是一座产能10Mt/a的新兴露天煤矿。为保证煤炭铁路外销效率, 公司配套建设了核心技术采用美国KSS单元的大型煤炭铁路装车系统, 由DF10DD内燃调车机车低恒速牵引C70运煤敞车通过装车站装载煤炭。通过近3年的运行, 系统可靠性较好, 达到了公司年装载8Mt的能力要求。

内燃机车低恒速技术的应用, 对提高整列装车效率有着重要意义。公司目前所采用的机车恒速仪是进口设备 (可在给定的0.8-3Km/h速度范围内自由选择调速) , 不能与国产机车的控制信号较好兼容, 运用中系统性和偶发性故障较多, 维修起来不太方便。且该系统没有针对锡林浩特地区风沙大、冬季严寒等具体气候特征作适应性设计和考验, 导致恒速系统使用完好率的下降, 已经成为装车系统增产扩容的主要瓶颈。本文针对进口恒速系统的这些缺点, 通过简单可靠的可编程序控制器 (PLC) 采集机车速度和柴油机转速等信号, 自动地进行机车加载、减载及机车的电空制动控制以达到稳定持续的装车调速目的。为保证系统运行可靠、方便维修, 应采用模块化设计的方案。

2 PLC硬件控制系统的组成

PLC硬件控制系统包括机箱和彩色液晶显示器。

机箱内装有PLC主机、AD综合模块和故障切除开关等。PLC主机用于接收来自司机的操作指令、恒功励磁控制、恒低速控制、机车运行逻辑控制、柴油机控制、辅助系统控制、故障检测诊断保护及相关的数据显示记录修改等。AD综合模块用于采集司控器、琴键开关开关量信号以及牵引电机电流、主发电机电压、柴油机水温及滑油油压等模拟量信号, 其输出信号通过隔离放大处理后去控制电控制动阀、接触器和继电器等。故障切除开关则是在机车发生各种故障时用于切除相应的系统。

彩色液晶显示器主要负责恒速系统工作状态的显示, 并配合机车上的状态显示屏告知司机目前煤列的恒速运行状态和相关故障信息。

3 PLC控制系统工作原理

3.1 柴油机调速与恒功励磁控制

通过司控器级位 (0、1、降、保、升) 控制步进电机以达到柴油机调速的目的。在机车低恒速牵引工况下, 由于柴油机调速机制的存在, 如何保证不同转速工况下柴油机轮周功率的恒定发挥就成了机车恒速牵引装车的先决条件。

PLC根据AD综合模块得到的柴油机转速信号获得该转速条件下柴油机的标定和轮周功率, 然后与6台牵引电动机的实际工况功率加以比对, 取电压、电流的最小差值进行调节运算, 并将结果以操作信号的方式反馈给机车, 控制斩波器调节主发电机励磁电流, 使主发励磁功率向给定的理想功率值调节, 实现主发的励磁恒功控制。

3.2 结合辅助系统的机车防空转控制

AD综合模块持续监测机车6台牵引电机的输出电流值。当电流分配系数大于给定值或最小一台电机电流值大于规定值时判为该电动机所在轴位踏面空转, PLC将利用机车综合辅助系统中的撒沙功能及持续降低主发电机电压的措施来消除。空转消失后主发电压立即以柔线性恢复至正常恒速牵引水平。这里设置PLC的主发电压补偿必须为柔线性, 否则后部车厢由于牵引力增升过快容易发生闯动、断钩等运用事故, 不利于装车站持续安全的煤炭装载。撒沙延时2-3秒关闭持续增加踏面摩擦力, 避免机车复又转回空转状态导致动轮迟缓事故的发生。如果空转现象无法依靠这些措施消除, 则PLC依靠机车控制系统使柴油机卸载。

3.3 机车恒低速控制

司机通过机车操纵台上安装的低恒速速度选择转式开关选择需要的恒速值。这时PLC保持柴油机处于某一固定转速以保证牵引电动机的通风, 以防电机过热。PLC控制装置以机车速度作为功率给定的基础, 根据实际运行时的速度、电流值与标准值经行比对, 取最小值进行调节运算, 并通过斩波调节主发电机励磁电流, 使机车速度向给定的恒速值调节, 实现机车的低恒速控制。

3.4 故障连锁保护

PLC控制系统将AD综合模块检测到的各类参数与标准值加以比对, 当差值超出规定范围会采取报警、卸载及停机等措施保证机车牵引工况下的运行安全。

4 结语

由于PLC控制机箱容纳了所有的功能实现模块, 所以它的运行稳定对机车恒速系统的正常可靠运行有着决定性影响。基于此, 机箱采用优质镀锌钢板制造, 并对所有的部件妥善放置, 并做了必要的防震、防尘及放电磁干扰措施。经过实际装车试验, 安装位置最终确定为司机操控台左下方机车制动装置的调整阀室, 不仅可以利用既有的阀室门方便的进行检修, 而且安装布线简单容易, 美观大方。

实际应用方面, 通过现场装车试验表明:1) 在给定的0.8-3Km/h恒速调速范围内机车主发电机电流可以平稳升至5000A, 保证了DF10DD机车在该矿牵引装车的必需牵引力;2) 依据该矿装车单钩最大煤炭载重量6500t测定, 该工况下机车低恒速牵引时机车速度超调量小于20%, 且稳定到目标恒速值的时间小于3s。

经过近一年在该矿的考验运行, 该系统运行平稳、维护简便、效果良好, 充分发挥了该矿装车系统的自动化优势, 为该系统今后的扩容改造打下了坚实的基础。

参考文献

[1]王军.DF12型机车低恒速PLC控制系统[J].自动化仪表, 2005, 第26卷第7期:35-36.

[2]于海生.微型计算机控制技术.清华大学出版社, 1999.

[3]Simatic公司.S7-200参考手册.

机车转向架牵引装置对比研究 篇7

机车转向架牵引装置是连接转向架与车体的重要部件, 传递轮轨间相互作用产生的牵引力和制动装置产生的制动力。牵引装置既要保证机车正常运行时不对转向架与车体的相对运动造成干涉, 同时也要适应机车曲线通过时车体相对转向架的转角。

1 两种不同的牵引装置结构

牵引装置 (一) 主要由牵引杆1、牵引杆2、三角撑杆3和销轴4等组成, 如图1所示。牵引杆1水平布置在牵引电机下方, 两端通过销轴分别与构架牵引梁和三角撑杆相连;牵引杆2为对称结构, 呈倾斜状态, 连接车体牵引座的一端高于连接三角撑杆的一端, 牵引杆2两端装有橡胶关节以适应机车车体与转向架之间的相对运动, 同时起到吸振降噪的作用;三角撑杆通过两支座吊挂在构架前端梁上。

1, 2.牵引杆3.三角撑杆4.销轴

牵引装置 (二) 主要由单牵引杆和压装在牵引杆端部的橡胶关节组成。牵引杆采用箱形焊接结构, 并在梁体中间布置有筋板以获得足够的强度和刚度。为了降低牵引点的高度以获得较高的黏着重量利用率, 牵引杆从牵引电机下部通过, 同时为了保证机车运行时牵引装置与牵引电机之间有足够的间隙, 牵引杆采用折弯的结构, 如图2所示。

2 牵引装置强度和稳定性分析

利用ANSYS软件分别建立有限元分析模型, 并采用相同的载荷条件, 即牵引装置在承受转向架5g载荷冲击下, 对其强度和稳定性进行分析。

2.1 牵引装置 (一) 强度分析

三角撑杆由撑杆及三角撑杆体两部分组焊而成, 撑杆由16Mn DR锻造而成, 三角撑杆体则由ZG20Si Mn铸造而成, 其性能指标见表1, 应力云图如图3。

MPa

由图3可知, 三角撑杆计算最大应力为476 MPa, 满足材料抗拉强度极限。

牵引杆1和牵引杆2都采用锻件, 材料为42Cr Mo, 其性能指标见表2, 应力云图如图4和图5所示。

MPa

由图4和图5可知, 牵引杆1计算最大应力为641 MPa, 牵引杆2计算最大应力为496 MPa, 因此, 牵引杆1和牵引杆2都满足材料抗拉极限强度。

车体牵引座采用锻件, 材料为C级钢, 其性能指标见表3, 应力云图如图6。

MPa

由图6可知, 车体牵引座计算最大应力为568MPa, 满足材料抗拉极限强度。

2.2 牵引装置 (二) 强度分析

单牵引杆全部由16Mn DR钢板组焊而成。根据GB3531《低温压力容器用低合金钢板》、《机械工程材料性能数据手册》以及国际焊接学会《焊接接头与部件的疲劳设计》, 其材料的机械性能见表4, 应力云图如图7。

MPa

由图7可知, 单牵引杆计算最大应力为356 MPa, 满足材料抗拉极限强度。

2.3牵引装置 (一) 稳定性分析

牵引杆的两端装有关节, 为了安全, 稳定性计算时将牵引杆两端定位方式简化为铰支结构, 其压杆失稳的临界载荷计算式为

式中:Pcr为压杆失稳临界载荷;L为压杆两端铰支点的中心距;Ix为截面惯性矩;E为材料弹性模量。

计算得出牵引杆的临界载荷Pcr1=2 343 k N, Pcr2=2 912 k N。每转向架的启动牵引力Fqql=285 k N。每转向架的最大冲击力 (5g) 为Fcj=5×30×9.81=1 471.5 k N。

由计算结果可以看出, 牵引杆1和牵引杆2的失稳临界载荷大于其承担的最大冲击载荷1 471.5 k N, 因此牵引杆1和牵引杆2是稳定的。

2.4牵引装置 (二) 稳定性分析

如图8所示, 稳定性计算时将牵引杆两端定位方式同样简化为铰支结构, 在受到轴向力F作用时, 还受到横向力Q的作用。

单牵引杆横截面的最小惯性矩:

单牵引杆横截面面积

转向架5g冲击下, 单牵引杆受力情况如下:

根据《材料力学》[4]可知:

可用欧拉公式计算该牵引杆的临界压力, 其失稳临界压力为Pcr=π2EI/ (μL) 2=3.141 592×2.1×1011×1.79×10-5÷[ (1×3.559) 2×103]=2 934.37 k N。

综上所述, 牵引杆在转向架5g工况下稳定性安全系数为

因此单牵引杆满足压杆稳定性要求。

3 结语

文中两种牵引装置其车体端和构架端具有相同的高度, 结构上存在差异, 经过计算可知, 两种牵引装置其强度和稳定性都满足要求。因结构差异导致两种牵引装置名义牵引点高度不同, 因而机车黏着重量利用率各异, 且牵引装置 (一) 的黏着重量利用率要高于牵引装置 (二) , 但后者结构简单, 生产和制造成本低, 维护方便。总之, 从机车黏着重量利用率的角度出发, 建议采用低牵引点高度的牵引装置 (一) , 只有在满足机车黏着重量利用率的前提下, 才选用牵引装置 (二) 的结构。

参考文献

[1]陈清明, 陈喜红, 周建斌, 等.HXD1B型大功率交流传动电力机车转向架[J].电力机车与城轨车辆, 2011, 34 (4) :4-8.

[2]邹文辉, 陈国胜, 周建斌.大功率客运机车轮对结构与技术特点[J[.铁道机车车辆, 2011, 31 (1) :82-85.

[3[曾艳梅, 陶功安, 罗华军.ZMA120型地铁车辆转向架构架结构设计[J].电力机车与城轨车辆, 2010, 33 (1) :14-17.

牵引电力机车 篇8

交流传动的控制技术,实质上是交流电动机的调速控制。目前的交流传动机车和动力车,普遍采用转差频率控制、矢量控制和直接转矩控制[1]。尽管矢量控制理论能实现交流电动机高性能速度控制,但所得到的控制器对于较大范围的应用来说太复杂,而且对电机参数的依赖性过大[2]。直截转矩控制技术是1985年由德国鲁尔大学Depenbrock教授首次提出的,是继矢量控制技术之后又一高性能的交流变频调速技术,它摒弃了矢量控制中解耦的思想,借助瞬时空间矢量理论,计算电机的磁链和转矩,获得高效的控制性能[2]。这种控制技术与矢量控制技术对比,对电机的参数不敏感,不受转子参数的影响,简单易行,在很大程度上克服了矢量控制技术的缺点,具有广阔的应用前景[3,4]。

本文把直接转矩控制原理应用到电力牵引异步电动机控制系统中,建立了该种系统的仿真模型,并对其进行了仿真,最后对仿真结果进行了说明。

2 建立系统的仿真模型

Simulink是一个开放的编程环境,它提供了良好的图形用户界面,用户可以直接从模块库中调用各种模块,经过简单的操作就可以建立自己的模型。

2.1 磁链和转矩的估算模型

三相异步电动机的定子电压3/2坐标变换关系如(1)所示[1]:

电压2/3的变换关系如式(2)所示[4]:

电流的坐标变换关系和电压的坐标变换关系是一致的,这里不作详细介绍。

在静止两相坐标系下(其直轴α轴在定子A相轴线上)异步电机的定子磁链和电磁转矩的计算式如下[1]:

根据上述方程构造出磁链和转矩模型如图1所示,该模块完全是由常规模块组成,Fcn模块是一个特殊表达式模块,本例中,表达式为sqrt(u(1)×u(1)+u(2)×u(2)),即可实现式(5),得到定子磁链幅值。最后封装为子系统。

2.2 逆变器的数学模型

逆变器在直接转矩控制系统中起着非常重要的作用,其输出的电压直接加到异步电动的定子上。直接转矩控制系统用到180°电压型的逆变器,如果把三相负载的定子绕阻接成星形,那么它的输出电压矢量us(t)经引入Park矢量变换后的表达式为

上式中ua、ub、uc分别表示三相定子负载绕组的相电压。本文采用模拟的方法来获得逆变器模型,如图2所示。首先根据逆变器的电压状态与逆变器的开关状态Sabc和直流电压Ed之间的关系得到usα、usβ,再通过2/3坐标变换器得到ua、ub、uc,最终可得:

本文仿真模型中的电机采用Simulink软件下的Powerlib模块。该电动机输入为定子三相电压和负载转矩。上述基本模块连接起来的直接转矩控制系统仿真结构图如图3所示。

3 仿真结果及分析

仿真用到的重要参数:

(1)电机:额定功率PN=2.2k W,额定电压UN=380V,额定频率fN=50Hz,额定磁链ψN=1.0Wb,Rs=2.69Ω,Rr=2.34Ω,LS=0.28H,Lr=0.28H,Lm=0.27H,pn=2,J=0.01kg·m2。

(2)控制系统:|ψs|*=1.0Wb,磁链滞环比较器△|ψs|=0.01Wb,转矩滞环比较器△T=1N·m。速度给定值:0≤t≤0.15s,ω*=80rad/s;t>0.15s,ω*=40rad/s。负载转矩给定值:0≤t≤0.08s,TL=0N·m;t>0.08s,TL=20N·m。

图4(a)为转速(rad/s),图4(b)为转矩(N·m),图4(c)为定子电流(A),横坐标为时间(s)。从图4(a)可以看出,转速在很短的时间里即接近了给定值,略有超调,而后很快转入稳态。图4(b)显示,电磁转矩启动过程中很大,用来加速,转矩在极短时间里到达给定转矩值,并且没有超调,这正验证了直接转矩控制系统中,转矩响应迅速且无超调的特性;在转速达到稳定值后,异步电机输出转矩迅速减小到负载转矩值附近振荡。图4(c)可见,定子电流非常接近正弦波形,启动电流很大,到达稳态过程中逐渐变小,稳定在某个值,在0.08s时电流发生变化,这是由于负载转矩增加的原因,在0.15s时电流发生变化,这是由于该点转速突然降低导致的。图4(d)是定子的磁链完整轨迹图(H)。由图4可知,改变负载转矩值或改变转速给定值,整个系统能迅速做出正确的响应。

4 结语

本文利用Matlab/Simulink建立了电力牵引系统中异步电动机直接转矩控制系统的仿真模型,并通过仿真结果验证了此模型的正确性。可以看出:采用直接转矩控制的异步电动机具有负载给定及转速给定突然变化时波动小、响应速度快、暂态时间短、系统性能受转子参数影响小、磁链幅值保持恒定等优点,充分证明了直接转矩控制的优越性和有效性。

参考文献

[1]陈坚.交流电机数学模型及调建系统[M].北京:国防工业出版社,l989.

[2]李夙.异步电动机直接转矩控制[M].北京:机械工业出版社,1998.

[3]王俊柳,王敏,王颖.基于MATLAB的异步电动机仿真试验平台[J].计算机仿真,2002,19(4):118-122.

牵引电力机车 篇9

1955年, 整流器的发明标志是机车电力牵引传动技术开始进入实践动态。1957年可控硅整流器 (即普通晶闸管) 的发明, 标志着电力牵引时代的出现, 大功率电子硅整流技术广泛应用于机械传动系统, 这个技术使机车传动和电力传动系统从内燃机-直流或直流电动机向交流电动机转变。1965年, 晶闸管的机车牵引动力系统出现了, 各国的铁路运输系统广泛采用晶闸管电力传动系统。大功率可关断晶闸管 (GTO) 的出现和发展推动了微机控制技术, 在20世纪70年代, 交流-直流-交流的传动系统取代了交流-直流的传输模式, 至今仍在不断的进行迭代更新。

1科学技术的发展, 交流电动机作为牵引电机具有独特的优势

(1) 交流电机体积小, 重量轻, 功率大, 小体积解决了安装时占用空间过大的问题, 电动机的重量轻, 减少地面设备的体积, 有利于提高机车轮轨力, 以满足大功率、高转速的高速动态要求。

(2) 交流电机的速度和保持恒功率范围比较大, 有利于实现通用式的机车以满足运输乘客和货物的需求。

(3) 交流电动机没有换向器、电刷磨损和清除器等易损设备, 提高了整个电力牵引传动系统的可靠性, 降低制造成本和维护成本。

(4) 交流感应电动机具有牵引性能优良的自然特征, 有助于提高在复杂地形的利用率, 更好地发挥电力牵引力的控制作用。

虽然交流电动机, 特别是异步电动机具有特殊的优点, 但在上世纪70年代之前, 通过简单的控制的直流电机得到了广泛的使用, 电力电子开关与晶闸管整流装置工艺的改进致使直流传动系统更加普及。随着快速晶闸管基础的牵引电机出现, 以快速晶闸管变流器为单元的内燃机滑动车组DE-2500内燃机车问世了, 交流传动控制技术领域开启机车车辆设备的新纪元。

2交流传输线控制优势

1983年, 5台大功率BR120交流传输线控制的电力机车诞生于德国联邦铁路, BR120机车的总体布置、系统设计和参数选择更加优化, 电路结构和材料的主要成分都有所更新, 如卧式水平主变压器、牵引变流器、牵引电机空心轴和万向节等, 在外观设计和辅助变流器上都成功地进行了尝试, 建立了机车电力牵引设计和运行的基本模式, 交流传动不仅优于直流电机, 采用新技术后带来了更多的优势:

(1) 机车广泛使用四象限脉冲变流器, 大大降低电流谐波分量的电源网络, 提高供电质量, 提升通信信号的抗干扰能力。

(2) 交流传动可以实现电网功率的高效能量转换, 降低电网能量损耗, 多方向的反馈结果是网络质量好, 节能效果也很优异。

(3) 前后机车牵引制动操作无需转换, 开关位置的变化可以通过主电路控制, 整个系统简单可靠。

发达国家已经进入大规模的轨道交通系统, 交流传动的研究和开发, 以及评估技术更新都完成的比较彻底, 交流传动车辆取代了直流驱动产业, 形成了自己的新干线, 已经成为铁路运输的现代化符号, 铁路管理实现高速发展。在发展的过程中, 发展电力电子器件的基本技术就是交流传动技术。第一代机车采用快速晶闸管变流器单元结构复杂, 效率较低, 可靠性和可维护性都不突出。GTO在80年代问世, 之后大功率交流传动系统迅速应用于机车组, 并且伴随着性能的改进。在上世纪90年代, IGBT高压装置提高了电源转换器和更新的效果。同时, 控制发展进步的基础还是对交流传动的控制技术, 目前有可控硅移相开关控制, 脉冲PWM控制和四象限整流控制, 还有磁场定向控制和直接转矩控制等。

微电子技术、信息技术和通信传输技术的进步也使控制装置从模拟数字电路转向复杂控制, 并逐步使其操作简单化, 现代网络控制的模块也在单片机和微处理器质量提升的推动下不断提高, 发展为8位, 32位和64位的浮点运算程序, 每一点科技的进步都会大大提高电力牵引传动控制技术的处理能力。这个庞大系统得益于电力电子技术的发展水平, 牵引力的交流传动系统依赖于技术的革新。

3我国机车电力牵引系统的发展与现状

1958年年底, 我国生产的电力机车主表, 即机车电力机车是前苏联的直流型电力机车为模型, 根据中国铁路的规范研制而成, 当时大功率电子器件还不成熟, 整流器件是电力机车运行试验后通过环形铁路客车车辆。1962年, 前后共5个单元投入到宝凤线试运行, 由于主要设备 (调压开关、牵引电机等) 技术和质量问题仍然存在, 特别是引燃管整流难以达到实际使用的要求, 因此电力机车不能大规模生产。随后中国的发展工业、电力电子整流二极管的高功率开始进入实用阶段, 机车电力牵引技术在该技术的基础上形成了新型电力机车, 交流-直流电力机车大规模使用, 从1969年开始直到1988年停产, 共计826台, 我国机车交流-直流电传技术在这个周期内广泛应用。

可控硅式装置使机车电力牵引传动技术上了一个新台阶, 通过二极管整流级压力控制形成了最新型的电力牵引传动技术, 在SS3型电力电路中使用调压变压器, 在低压侧之间的牵引开关和相控晶闸管调压相结合的平滑调速技术, 使机车获得更好的调速性能。无级调压和交流-直流传动轴重载货运电力机车构成一个相控晶闸管的一系列产品, 该型机车由2部分相同的4轴电力机车重新连接每个部分, 使机车的性能和质量大大提高, 成为我们的主要干线运输机车。

我国机车电传动技术已走过50余年的发展里程, 取得了巨大进步, 铁路运输从速度和功率已被用到技术极限的交-直传动迈入速度更快、功率更高的交流传动的阶段, 但这项技术的创新和开拓是永无止境的, 它必将随着相关技术的发展而不断提高到更新的水平上, 为我国的社会主义现代化建设做出贡献, 进而走向世界, 在高速、重载铁路牵引设备领域与世界先进企业同台竞争。

摘要：电力电子与电力传动技术在发展过程中伴随着传输功率的交流传动, 本文回顾了电力牵引传动控制技术历史并揭示了这些技术的密切关系, 重点在于研究我国目前的电力牵引发展情况和前景, 旨在于让同行们加强交流, 让电力牵引传动技术更好的服务于车辆装备和铁路机车制造业。

关键词：电力牵引,交流传动,控制,电力,电子器件

参考文献

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[3]张大勇.我国机车电传动技术的发展[J].机车电传动, 2011 (05) .

牵引电力机车 篇10

随着我国铁路日趋高速化、重载化的发展,机车的设备运行安全一直备受关注[1]。同时,在诸多铁路局尚未经过系统的牵引运行实验和运行考核[6]。特别是机车上的最重要组成部分牵引电机,其质量的好坏对于整个机车的安全行走起着至关重要的作用。因此,对牵引电机进行故障诊断具有十分重要的现实意义[4]。

由于机车牵引电机在运行过程中会产生各种故障信息,通过对故障信息安全、快速采集,可以较早采取措施,这对保障铁路运输安全有着十分重要的意义。目前的故障诊断技术有小波分析法、分析理论、混沌理论等,其中,小波分析法对信号的时频分析特性较好,但对信号的高频部分分辨率较差,小波包分解法弥补了小波分析方法的高频部分分辨率的不足,能够有效地检测出机车牵引电机故障与否。

此外,由于目前机务段采用的顶轮检测技术也存在诸多局限性[5]。首先是在故障诊断时需多人同步操作,且检测设备复杂、仅仅机车顶轮电源就相当笨重。通常检测一台机车的六组牵引电机,少则几小时,多则一天。而且机务人员需经过专门的培训,相应的检测成本也非常高[7]。

为了克服当前应用中存在的这些问题,同时使故障检测能够更加精确的识别并分类,本文提出了基于Android为平台下的机车牵引电机声音检测与故障诊断系统。利用Android平台突出优势以及声音在故障诊断中的某些优点[1],并将小波包分解与重构算法、BP算法等与传统故障声音诊断技术相结合,这样既可实现对机车牵引电机故障诊断的功能,又可满足便携式故障检测应用的需求。

1 系统总体方案设计

系统的总体设计方案主要包括机车牵引电机声音信号的采集、处理以及故障识别三大模块。

在声音采集的过程中具体通过MIC传感器采集机车牵引电机在故障和正常状态下产生的声音信息。在声音处理方面主要包括声音信号的预处理操作以及特征值提取计算,在此过程分析了小波阈值去噪算法在去噪过程中以及三层小波包分解与重构算法在特征值提取中的突出优势。最后对提取到的能量特征值通过归一化转化为能量特征向量输入到系统下故障识别模块中的BP神经网络检测模型中,通过与保存训练好的BP神经网络模型进行对比分析,最终实现故障类型判断。并利用MAT-LAB工具对上述算法的选用的可行性和有效性进行了仿真分析。系统流程设计如图1所示。

2 系统方案实现

2.1 声音采集

声音采集在声音的故障检测过程中是需要首先解决的问题。本文在声音传感器的选择上采用的是MIC传感器,传感器结构内部存在一个由振膜、垫片和极板组成的电容器。在其工作时MIC膜片上充有电荷,因此当膜片受到声压强的作用,膜片要产生振动,从而改变了膜片与极板之间的距离,最终完成对声信号到电信号的转换。本课题采集的声音数据为集宁机务段呼和车间HXD3型电力机车YJ85A型牵引电机工作时声音信号[3]。

在声音信号采集参数的设定上:采样频率采用标准的44.1KHz的采样率、单声道以及16位量化精度。通过前期实地采集,共整理369组声音信号,其中86组故障、283组正常。随机选取66组故障263组正常的声音信号用于BP神经网络的自学习与训练,另外20组用于系统的测试工作。

2.2 声音处理

声音处理主要包括声音去噪和特征提取两大模块。由于机车牵引电机在声音信号传输过程中,总不可避免地含有噪声,对声音信号处理和分析的准确度有很大影响。因此前期有必要先进行去噪处理。

随着小波理论的发展与实际应用中的不断检验,小波去噪的方法受到了广泛的关注。

目前,小波去噪方法主要有小波模极大值去噪、小波空域相关去噪和小波阈值去噪。

三种方法都各有优缺点,事实上小波阈值去噪是目前应用最广泛的一种方法,它具有方法简单、计算量小、去噪效果好的特点。此外,对于前期消噪来说,要求计算量越小越好,因此,本文采用小波阈值去噪的方法。

在信号特征提取算法选择上本文应用的是小波包分解与重构算法。小波包分析是小波分析的改进,将小波分析中没有细分的高频部分进一步分解[2]。

小波包分解实质上是对信号的多带通滤波,一般来说,正常状态与故障状态下机车牵引电机输出信号的各频带成分是不同的。在这种情况下,通过分析系统结构和故障机理找出系统故障与否的特征频率,从而依据这些频率分量的变化确定故障存在与否[6]。

在小波母函数的选择上[17],考虑到特征提取需要在任意尺度上进行,因此母函数的时频域紧支撑性尤为关键。其次,重构的精确性也十分重要,因此母函数的正交性也应着重考虑。基于上述两点本文选取了db6小波进行信号分析。

小波包分解与重构算法[17]如下:

设f(x)在子空间Unj中的系数为{cn,kj,k∈Z},则在子空间U2nj+1和U2n+1j+1中的分解系数{c2n,kj+1,c2n+1,kj+1,k∈Z}为:

由上式可知,小波包分解过程实质上是通过一组高、低通组合的共轭正交滤波器h、g,将信号分解到不同的频带上。表1为db6小波滤波器系数hk。

同理,设f(x)在子空间U2nj+1和U2n+1j+1中的分解系数{c2n,kj+1,c2n+1,kj+1,k∈Z},则在子空间Unj中的重构系数为{cn,kj,k∈Z}为:

对小波包分解系数重构,提取各频带上的信号,求各个频带信号的总能量,以三层小波包分解为例第3层从低频到高频8频段的能量为:

其中,Ej(j=0,1,…,7)为S3j对应的能量特征值;xjk(j=0,1,…,7;k=1,2,…,n)表示重构信号离散点的幅值,n为采样点数。

通常情况下,系统出现故障时,各频带内信号特征会有较大变化,以频带能量谱构造一个特征向量:

2.3 故障识别

机车牵引电机故障状态识别的现代分析方法主要有四种[9,10],对比如表2所示。

通过综合考虑,本课题诊断方法选用BP神经网络法。

2.3.1 BP神经网络模型建立

BP神经网络是在对人脑组织结构和运行机智的认识理解基础之上模拟其结构和智能行为的一种工程系统。本文以双隐含层为例对神经网络模型加以介绍。图2为双隐含层神经网络结构示意图。

定义各神经元的输入为u,输出为v,上标表示神经元所处层,下标表示层中的序号。其中任意一个训练样本Xk都是一个M维矢量,即:

训练样本为:Xk=[Xk1,Xk2,…,Xk M]k=1,2,…,N

期望输出为:dk=[dk1,dk2,…,dkp]T

实际输出为:Yk=[Yk1,Yk2,…,Yk P]T

当网络输入训练样本为:Xk=[Xk1,Xk2,…,Xk M]

各层输入输出表达式如下:

第一隐含层神经元的输入记为:

第一隐含层神经元的输出记为:

同理,以此类推第二隐含层神经元的输出如式(7)所示、输出层神经元的输入、输出如式(8)、式(9)。

2.3.2 BP神经网络系统设计

1)网络层数的选择

BP神经网络层数是对隐含层而言[13],通常情况下增加隐含层数可以降低误差、提高网络精度,与之同时也使网络复杂化,增加了网络的训练时间和过度拟合的倾向[14]。对于实际问题中相对复杂的对应关系时,通常会考虑使用双层或多隐含层网络。本课题实验结果表明采用单隐含层训练结束参数为0.00276,采用双隐含层时训练结束参数为0.000998,明显优于单层训练效果。因此,本文选择双隐含层。

2)输入层、输出层和隐含层的设计

输入和输出层在神经元个数的选取上与实际问题的输入、输出变量有关。对于输入层神经元个数取决于数据的向量维数,输出层神经元个数则取决于输出的状态类型数[15]。

本文机车牵引电机声音信号,依次经过小波去噪和三层小波包变换后,归一化得到的8个不同频带内的特征向量信号,因此,输入层神经元个数为M=8。对于输出的状态类型选取上,本课题基于客观的实际情况,仅选取了2种工作状态,即将牵引电机工作状态统归为故障和正常两种,因此输出层神经元个数为P=2[12]。

隐含层神经元个数的选取是一个非常困难的问题,但通常情况下与输入和输出神经元的个数有着间接的关系。隐含层单元数目选择不恰当将会导致学习时间过长、容错性差、误差不一定最佳等问题,从而也会影响故障诊断的效果[16]。然而目前还没有一个理想的表达式来确定隐含层单元数目,往往需要根据经验或多次实验验证来确定[9]。

本课题通过对比实验验证,并且参考公式s=2m+1,其中,m为输入层神经元个数,p为输出层神经元个数,s为隐含层神经元个数。最终确定了隐含层神经元个数为14个。

3)传递函数的选择

传递函数也称为激活函数,作用于各连接层之间用以实现神经元输入到输出的转换[8],是神经网络又一重要的组成部分。在传递函数的选择上本课题选用了目前应用最为广泛的sigmod传递函数。

从公式可以看出,f(x)为定义域内连续可微函数。其中,a为倾斜变量,a的取值不同对应函数的形状也将有相应的差异[10],图3为a取1、2、3时对应的函数曲线图。其中,函数的斜率随着a的增大而降低。

Sigmod函数相较于其他连续函数,有其众多优点[10]:

①首先,Sigmod函数本身兼顾了敏感性和稳定性,即在在中间细微部分变化敏感,而两端部分逐渐趋于稳定,这一点使得网络对于特征识别尤为关键。

②其次,在误差反向传播时,传递函数必须连续可导,若是一般的连续函数,对于计算机的存储以及神经网络训练的速度都有影响。因此基于这一点倾斜变量a取1。

故障判断过程如图4所示。当采集到新的牵引电机声音数据时,经过声音信号预处理数据输入到系统故障识别模块下,通过与已经建立好的BP神经网络模型进行比对,从而获得相应的牵引电机工作正常或故障状态。

3 实验结果分析

本课题实际采集的原始数据为集宁机务段呼和车间HXD3型电力机车YJ85A型牵引电机的声音信号。由于数据量巨大,本文选取了牵引电机正常与故障状态下的一组数据中的320个采样点的数据进行测试与分析。

应用程序的安装文件导入并安装到安卓移动端后,系统登录界面、运行主界面如图5、图6所示。

为更加直观地表征信号特征,本系统依次进行了正常与故障状态下去噪前后波形的显示。图7-图10分别为两种状态下的原始波形与去噪之后波形,其中,横坐标代表信号的采样点数,纵坐标代表每个信号采样点所对应的幅值大小。

通过图7、图8对两种状态下的原始波形对比可以看出:正常状态下的原始波形各采样点相对紧凑,波形表征平。但故障状态下的原始波形中在采样点在180至210波形出现很大的稀疏、波形跳跃性降低。

通过图9、图10对两种状态下的去噪波形对比可以看出:正常状态下的去噪波形各采样点相对稀疏,但采样点在240至270之间时,波形幅度值跳跃性明显比其他采样点较低;故障状态下的去噪波形中各采样点幅度值相对平缓,少量波形幅度值出现明显抖动,采样点幅度值无明显差异。

通过两种状态下去噪前后波形对比可以直观看出:正常状态下声音信号波形相比于故障状态下的声音信号波形较稳定。此外,也验证了选用小波包阈值去噪算法的良好去噪性。因此,在一定程度上可以根据牵引电机两种状态下的时域信息对电机状态做前期初步判断。

在机车牵引电机声音的故障检测中,时域波形分析只能对电机状况进行直观的定性分析,且准确性不高,仅仅可以作为一个参考[18]。因此,有必要对电机状况进行定量分析。因此本文主要采用的特征值提取算法,即通过小波包分解后得到的能量系数进行重构。图11为特征值显示界面。

本文由于篇幅的原因对牵引电机两种状态各选取了十组特征值用于本文数据分析。表3、表4分别为牵引电机在两种状态下10组特征值。

表3、表4是从369组声音样本中随机选取的牵引电机在两种状态下10组特征值。是牵引电机声音信号经三层小波包分解与重构后所得到的8个频带内包含的能量特征值。通过统计可以发现,两种状态下的特征值具有显著的差异性,即使同一状态下的各频段内信号包含的能量特征值也有差异。统计结果显示牵引电机故障状态下第七带内特征值普遍在170到200之间。而牵引电机正常工作状态下第七带内的特征值普遍在105到180之间。此外,统计结果显示信号在第一个频带内的能量值相对于其他七个频带内的特征值明显偏低。由于两种状态下特征值存在的显著差异,一定程度上验证了能量作为特征值对牵引电机进行故障检测是可行的。也为后续的神经网络的判断分析奠定了基础。

将所得的特征值作归一化处理。得到相应的特征向量。将特征向量输入到BP神经网络模型中,利用系统中保存好的故障数据库进行牵引电机故障状态的判断测试。判断测试结果如图12、图13所示。

其中,后缀-*.wav中用0、1分别表示为采集到的牵引电机状态类型为正常、故障,前缀*-.wav表示测试数据序号。此外,输出结果类型表示BP神经网络训练时,所设定的期望输出,其中0、1分别表示正常、故障,牵引电机状态表示计算测试结果。

4 结语

通过20组样本的系统性能测试,结果显示17组分析结果正确。即10组正常状态下声音样本和7组故障状态声音样本,即正确率为85%。此外,前期在集宁机务段呼和车间调研了解到,目前该车间采用的定轮检测技术的检测率也只是80%。

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