考虑轮轨作用的地铁车辆电机负载模型研究
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用 于 黏着控 制算 法 的研究 。
拉伸 ＿ ＾ Ｍ广 ＋ ＿ ＾ ＾ ＾ 压缩
为 了真 实模 拟轮 轨问 的黏着 状态 ， 提 出 一种地 铁 车
辆 牵 引 电机 负载 建模 方法 ， 可 以模 拟 由于 外界 轮 轨黏 着 变化 产生 的空转 现 象 ， 验 证 地 铁 车辆 黏 着 控 制 的 效 果 ， 对 于 黏着控 制 的研 究 和参数 整定 都具有 一定 意 义 。
的青 睐 。
形， 车轮 上被 压缩 的部 分 ， 在接 触 面 前 沿 与钢 轨 被 拉 伸
的金属 相接触 。随着 车 轮在钢 轨 上的继 续 滚动 ， 车 轮上 这块被 压缩 的金属 陆续 被放松 并伸 张 开来 ， 而 钢轨 上相
应 的被 拉伸 的金属将 被压 缩 。 因此 ， 车 轮 的 圆周 速 度将 必然 比移动 速度高 ， 这种 现象 称为 蠕滑 。蠕 滑 的大 小程 度 通 常用无 量纲 的蠕 滑率表示 ， 计 算公式 如公式 （ １ ） 。
考虑 轮 轨作 用 的地 铁 车辆 电机 负载 模 型研 究
高 翔， 郭 晓燕
（ 中国铁道科 学研 究院 机 车车 辆研 究所 ，北京 １ ０ ０ ０ ８ １）
摘 要 牵 引 电 机 负 载模 拟 是 轨 道 车辆 牵 引 传 动 系统 仿 真 中不 可 缺 少 的重 要 环 节 ， 传 统 的 电机 负 载 模 型 由 于没 有
面经 常会 出现 压缩 和拉 伸 现 象 。建 立如 图 ｌ的单 轴 轮 对轮 轨接 触 简 化 模 型 ， 可 以看 到 当 车 轮 在 驱 动 力 矩 Ｔ 作用 下 向前滚 动时 ， 轮轨 材料 在接 触 区附近发 生弹 性变
高翔（ １ ９ ８ ６ －） 男， 山西 大 同人 ， 助理 研 究 员 （ 收 稿 日期 ： ２ Ｏ ｌ ２ —１ ２ —１ ４ ）
乘 坐 的舒 适度 下 降 ， 影 响 列 车 的停 车 精 度 ， 并 引 起 轮 轨
的磨耗 加剧 ， 对地铁 运 营造成 较大 的影 响 。
黏着 控制 是牵 引传 动控制 中重 要 的组 成部 分 ， 主要
作 用是 在黏 着 状 况 发 生 变 化 时 ， 通 过 对 车 辆 状 态 的识
第３ ３卷第 ３ 期
２ ０ １ ３年 ６月
铁 道 机 车 车 辆
ＲＡＩ Ｌ Ｗ ＡＹ ＬＯＣＯＭ ＯＴＩ ＶＥ ８ Ｌ ＣＡＲ
Ｖ ｏ１ ． ３３ Ｎ Ｏ． ３
Ｊ ｕ ｒ １ ．
２ ０ １ ３
文 章编 号 ： １ ０ ０ ８ —７ ８ ４ ２（ ２ ０ １ ３ ） ０ ３ —０ ０ ６ ８ —Fra Baidu bibliotek ５
和区域 ： 接触 面 的前 部 ， 轮 轨 间没有 形成 相 对滑 动 ， 称 为 黏着 区 ， 而后 部称 为滑 动 区。这两 个 区域 面 积的大 小 随
１ 轮 轨接触 理 论与 Ｏ ｌ ｄ ｒ ｉ ｃ ｈ Ｐ ｏ ｌ ａ ｃ ｈ黏 着力计 算模 型
在轨道 运输 系 统 中 ， 由于 车辆 的质 量 ， 在 轮 轨 接 触
中 图分 类 号 ：Ｕ２ ３ ９ ． ５ 文献标志码 ： Ａ ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ８ —７ ８ ４ ２ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ３ ． １ ６
进入 ２ １世 纪 以来 ， 随着 我 国现 代化 建 设 和 社 会 经 济 的飞速 发 展 ， 地 铁 作 为 城 市 快 速 轨 道 交 通 的 一 种 工 具， 因其具 有运 量大 、 快捷、 安全、 舒适 、 乘坐方便 、 对 环 境 污 染少 、 占地 面积小 等诸 多优 点而 受 到越来 越 多城 市
） ，一 二
．
地铁作 为轮 轨交 通运输 工具 ， 牵 引 和制 动都 是 经 由 轮 轨接触 产生 黏着力 来 实现 的 。因此 ， 不可 避 免 的会受
到雨、 雪、 油污 等轨 面条 件 的影 响 ， 导致 轮轨 之 问黏 着 利
（ １ ）
用 下降 ， 从 而影 响实 际发 挥 的牵引 、 电制 动 力 ， 造 成 旅 客
考 虑 轮 轨 关 系 而 无 法 应 用 于 地 铁 黏 着 控 制算 法 的研 究 。在 分 析 了地 铁 车 辆 力 传 递 关 系 的 基 础 上 ， 提 出 用 考 虑 轮 轨 作 用 的 力 传 递模 型 来 替 代 传 统 的 阻 力 负 载模 型 ， 可 以模 拟 地 铁 车 辆 在 运 行 中 出 现 的 空 转 现 象 ， 验 证 黏 着 控 制 策 略
的控 制 效 果 ， 整 定 控 制参 数 。结 合 北 京 地 铁 １ ３ 号 线 实 车参 数 和 牵 引 特 性 ， 验证 该 负 载 模 型 应 用 于 黏 着 控 制 研 究 的
有效性和可用性 。
关 键 词 地 铁 车 辆 ； 再 黏着 控 制 ；力 传 递 模 型 ； 轮 轨 作 用 ；电 机 负 载模 型
别， 结合 由司机 给 出 的手 柄 位 置 ， 向牵 引 电机 控 制 系 统 发 出恰 当 的指令 ， 抑 制 由于 黏着 下 降 导 致 的 空转 、 滑行 现 象 。而传 统 的电 机负 载 模 型 是将 车辆 受 到 的 阻 力 归 算 为 电机 的负 载转 矩 ， 这 种 方 法可 用 于牵 引 计算 、 线 路 仿 真 以及能 耗推算 ， 却 由于 没有考 虑 轮轨 关 系而无 法 应
图 １ 单 轮 对 简 化 模 型
如果 没有 蠕滑 ， 施 加 的力矩 就不 能变 为 传给 钢 轨 的 切线 力 。图 １所示 的模 型 中 ， 由于 弹性 形 变 的作 用 ， 力 矩 Ｔ在 接触 面上 产 生切 线 力 Ｆ， 且 Ｆ＝ ＝ ＝ Ｔ ／ Ｒ（ Ｒ 为 车轮 半径） 。切线 力 Ｆ 即 轮周 牵 引力 ， 它 使 车 轮 滚 动 向前 。 如图 ２ ， 切 线力在 轮轨 接触 面之 间形 成 两 个不 同的状 态
拉伸 ＿ ＾ Ｍ广 ＋ ＿ ＾ ＾ ＾ 压缩
为 了真 实模 拟轮 轨问 的黏着 状态 ， 提 出 一种地 铁 车
辆 牵 引 电机 负载 建模 方法 ， 可 以模 拟 由于 外界 轮 轨黏 着 变化 产生 的空转 现 象 ， 验 证 地 铁 车辆 黏 着 控 制 的 效 果 ， 对 于 黏着控 制 的研 究 和参数 整定 都具有 一定 意 义 。
的青 睐 。
形， 车轮 上被 压缩 的部 分 ， 在接 触 面 前 沿 与钢 轨 被 拉 伸
的金属 相接触 。随着 车 轮在钢 轨 上的继 续 滚动 ， 车 轮上 这块被 压缩 的金属 陆续 被放松 并伸 张 开来 ， 而 钢轨 上相
应 的被 拉伸 的金属将 被压 缩 。 因此 ， 车 轮 的 圆周 速 度将 必然 比移动 速度高 ， 这种 现象 称为 蠕滑 。蠕 滑 的大 小程 度 通 常用无 量纲 的蠕 滑率表示 ， 计 算公式 如公式 （ １ ） 。
考虑 轮 轨作 用 的地 铁 车辆 电机 负载 模 型研 究
高 翔， 郭 晓燕
（ 中国铁道科 学研 究院 机 车车 辆研 究所 ，北京 １ ０ ０ ０ ８ １）
摘 要 牵 引 电 机 负 载模 拟 是 轨 道 车辆 牵 引 传 动 系统 仿 真 中不 可 缺 少 的重 要 环 节 ， 传 统 的 电机 负 载 模 型 由 于没 有
面经 常会 出现 压缩 和拉 伸 现 象 。建 立如 图 ｌ的单 轴 轮 对轮 轨接 触 简 化 模 型 ， 可 以看 到 当 车 轮 在 驱 动 力 矩 Ｔ 作用 下 向前滚 动时 ， 轮轨 材料 在接 触 区附近发 生弹 性变
高翔（ １ ９ ８ ６ －） 男， 山西 大 同人 ， 助理 研 究 员 （ 收 稿 日期 ： ２ Ｏ ｌ ２ —１ ２ —１ ４ ）
乘 坐 的舒 适度 下 降 ， 影 响 列 车 的停 车 精 度 ， 并 引 起 轮 轨
的磨耗 加剧 ， 对地铁 运 营造成 较大 的影 响 。
黏着 控制 是牵 引传 动控制 中重 要 的组 成部 分 ， 主要
作 用是 在黏 着 状 况 发 生 变 化 时 ， 通 过 对 车 辆 状 态 的识
第３ ３卷第 ３ 期
２ ０ １ ３年 ６月
铁 道 机 车 车 辆
ＲＡＩ Ｌ Ｗ ＡＹ ＬＯＣＯＭ ＯＴＩ ＶＥ ８ Ｌ ＣＡＲ
Ｖ ｏ１ ． ３３ Ｎ Ｏ． ３
Ｊ ｕ ｒ １ ．
２ ０ １ ３
文 章编 号 ： １ ０ ０ ８ —７ ８ ４ ２（ ２ ０ １ ３ ） ０ ３ —０ ０ ６ ８ —Fra Baidu bibliotek ５
和区域 ： 接触 面 的前 部 ， 轮 轨 间没有 形成 相 对滑 动 ， 称 为 黏着 区 ， 而后 部称 为滑 动 区。这两 个 区域 面 积的大 小 随
１ 轮 轨接触 理 论与 Ｏ ｌ ｄ ｒ ｉ ｃ ｈ Ｐ ｏ ｌ ａ ｃ ｈ黏 着力计 算模 型
在轨道 运输 系 统 中 ， 由于 车辆 的质 量 ， 在 轮 轨 接 触
中 图分 类 号 ：Ｕ２ ３ ９ ． ５ 文献标志码 ： Ａ ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ８ —７ ８ ４ ２ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ３ ． １ ６
进入 ２ １世 纪 以来 ， 随着 我 国现 代化 建 设 和 社 会 经 济 的飞速 发 展 ， 地 铁 作 为 城 市 快 速 轨 道 交 通 的 一 种 工 具， 因其具 有运 量大 、 快捷、 安全、 舒适 、 乘坐方便 、 对 环 境 污 染少 、 占地 面积小 等诸 多优 点而 受 到越来 越 多城 市
） ，一 二
．
地铁作 为轮 轨交 通运输 工具 ， 牵 引 和制 动都 是 经 由 轮 轨接触 产生 黏着力 来 实现 的 。因此 ， 不可 避 免 的会受
到雨、 雪、 油污 等轨 面条 件 的影 响 ， 导致 轮轨 之 问黏 着 利
（ １ ）
用 下降 ， 从 而影 响实 际发 挥 的牵引 、 电制 动 力 ， 造 成 旅 客
考 虑 轮 轨 关 系 而 无 法 应 用 于 地 铁 黏 着 控 制算 法 的研 究 。在 分 析 了地 铁 车 辆 力 传 递 关 系 的 基 础 上 ， 提 出 用 考 虑 轮 轨 作 用 的 力 传 递模 型 来 替 代 传 统 的 阻 力 负 载模 型 ， 可 以模 拟 地 铁 车 辆 在 运 行 中 出 现 的 空 转 现 象 ， 验 证 黏 着 控 制 策 略
的控 制 效 果 ， 整 定 控 制参 数 。结 合 北 京 地 铁 １ ３ 号 线 实 车参 数 和 牵 引 特 性 ， 验证 该 负 载 模 型 应 用 于 黏 着 控 制 研 究 的
有效性和可用性 。
关 键 词 地 铁 车 辆 ； 再 黏着 控 制 ；力 传 递 模 型 ； 轮 轨 作 用 ；电 机 负 载模 型
别， 结合 由司机 给 出 的手 柄 位 置 ， 向牵 引 电机 控 制 系 统 发 出恰 当 的指令 ， 抑 制 由于 黏着 下 降 导 致 的 空转 、 滑行 现 象 。而传 统 的电 机负 载 模 型 是将 车辆 受 到 的 阻 力 归 算 为 电机 的负 载转 矩 ， 这 种 方 法可 用 于牵 引 计算 、 线 路 仿 真 以及能 耗推算 ， 却 由于 没有考 虑 轮轨 关 系而无 法 应
图 １ 单 轮 对 简 化 模 型
如果 没有 蠕滑 ， 施 加 的力矩 就不 能变 为 传给 钢 轨 的 切线 力 。图 １所示 的模 型 中 ， 由于 弹性 形 变 的作 用 ， 力 矩 Ｔ在 接触 面上 产 生切 线 力 Ｆ， 且 Ｆ＝ ＝ ＝ Ｔ ／ Ｒ（ Ｒ 为 车轮 半径） 。切线 力 Ｆ 即 轮周 牵 引力 ， 它 使 车 轮 滚 动 向前 。 如图 ２ ， 切 线力在 轮轨 接触 面之 间形 成 两 个不 同的状 态