- 相關(guān)推薦
鐵路行業(yè)的柵電一儺化系統(tǒng)
摘要]機電一體化技術(shù)的快速發(fā)展，推動著社會工業(yè)技術(shù)不斷進步，在鐵路行業(yè)的應用也越來越廣泛。本文就當前機電一體化如火如荼地發(fā)展，簡述了機電一體化的內(nèi)涵，列舉了在鐵路域內(nèi)已成熟應用的機電一體化系統(tǒng).. 擺式列車、主動懸掛以及獨立車輪．井對發(fā)展前景進行了展望。
關(guān)鍵詞]機電一體化鐵路擺式列車主動懸掛獨立車輪
引言隨科學技術(shù)的高速發(fā)展，機電一體化系統(tǒng)在各個行業(yè)都得到廣泛應用。在建筑領(lǐng)域，機電一體化系統(tǒng)用于電液自動控制的工程機器人，替代人工完成海底作業(yè)和有毒現(xiàn)場施工。在機械制造領(lǐng)域，機電一體化系統(tǒng)用于自動生產(chǎn)線的位置、速度與時間控制，用于加丁中心(數(shù)控機床)實現(xiàn)機械零件的高精度自動加工，用于電液控制的機械手替代人工完成生產(chǎn)線上焊接、噴漆、裝配等。在汽車工程車輛中，機電一體化系統(tǒng)用于機械伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，用于汽車無人駕駛、自動換擋控制等。在軍事工業(yè)中，機電一體化系統(tǒng)用于飛機的操縱系統(tǒng)、雷達跟蹤和艦船的舵機裝置、導彈的位置控制和發(fā)射架自動控制等l】I。那么，在當今快速發(fā)展的鐵路領(lǐng)域，無論是輪軌交通系統(tǒng)中的高速動車組、準高速的大鐵路車輛、負責貨運的重載列車，還是無軌磁懸浮列車，均涉及了大量機電一體化設計。
機電一體化名稱是日本安川電機公司在.. l9世紀.. 60年代末的商業(yè)注冊時創(chuàng)用的，由機械學.. echanic)詞頭和電子學(dectronics)詞尾組合而成.. mehtois，成為一正式英文。目前已在世界范圍內(nèi)得到認同名詞。機電一體化是指在機構(gòu)的主功能、動力功能、信息處理功能和控制功能上引進電子技術(shù)，將機械裝置與電子化設計及軟件結(jié)合起來所構(gòu)成的系統(tǒng)的總稱。機電一體化是從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，綜合運用機械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、計算機技術(shù)、信息技術(shù)、傳感測控技術(shù)、電力電子技術(shù)、接口技術(shù)、信息變換技術(shù)以及軟件編程技術(shù)等群體技術(shù)，根據(jù)系統(tǒng)功能目標和優(yōu)化組織目標，合理配置與布局各功能單元，在多功能、高質(zhì)量、高可靠性、低能耗的意義上實現(xiàn)特定功能價值，并使整個系統(tǒng)最優(yōu)化的系統(tǒng)程技術(shù)。其中，機電一體化涵蓋技術(shù)和產(chǎn)品兩個方面，各種技術(shù)的相互關(guān)系如1所示。機械一體化產(chǎn)品不僅是人類肢體的延伸，還是人類感官與頭腦的延伸，具有智能化的特足機電一體化與機械電氣化在功能上的本質(zhì)區(qū)別。
機電一體化在鐵路車輛中的應用早在.. 18世紀，鐵路開始之初，鐵路車輛設計主要由機械工程師完成，并無電子學或反饋控制的引入。鐵路行業(yè)屬于成本密集型，軌道基礎(chǔ)設施的鋪造和維護、新車的研制與維修等都是大資金投入，都制約著鐵路行業(yè)，讓其謹慎前行。為提高鐵路與其他交通模式的競爭力，鐵路系統(tǒng)應逐步降低成本和能耗，這即意味著車輛應更加輕巧，機械結(jié)構(gòu)更加簡易。
車輛轉(zhuǎn)向架就已獨立命名，但歐洲花了將近4O年才在公共鐵路中使其規(guī)律化。自從.. 19世紀60年代車輛動力學的出現(xiàn)，車輛懸掛系統(tǒng)的有效分析才算真正開始，計算機也越來越多地應用于完整車輛性能的分析和預測中，并在機械結(jié)構(gòu)上獲得了獨特創(chuàng)新，如交叉支承、迫導向轉(zhuǎn)向架和單軸轉(zhuǎn)向架等。主動懸掛的到來，才真正預示著車輛設計進入機電一體化設計階段口1。
擺式列車擺式列車，是一種特殊主動二系懸掛實例，其傾擺機構(gòu)是機電一體化的典型結(jié)構(gòu)，是小半徑曲線線路提速車輛的最佳選擇，可使車輛在普通路軌上的彎曲路段高速駛過而無需減速。歐洲國家大部分都發(fā)展了此類車輛，意大利的Pendolino、瑞典的、西班牙的Talgo、德國動車組以及瑞士的SIG。
擺式車輛通過曲線時，主動向曲線內(nèi)側(cè)傾斜，降低乘客所感受的離心加速度。圖.. 2是瑞典.. ADtaz20車輛兩側(cè)空設計的X00車輛截面圖，簧作為二系懸掛，安裝于傾擺搖枕之上，通過傾斜擺桿與轉(zhuǎn)向架連接，形成傾擺運動。傾斜擺桿能有效傾斜車體，且傾斜中心在車體地板面上。在歐洲，極力推薦采用機電作動器來取代早期使用的液壓作動器。
圖3是意大利.. Pendolino截面，由.. Fiat提出，年用于瑞典，年用于英國。早期采用兩鋼彈簧作二系，液壓作動器垂直安裝于車輛中，受電弓通過一機械結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)向架相連，以避免與車體一同傾斜而導致的弓網(wǎng)離線問題。在.. SIG設計上，中間安裝一個大囊式空簧作為二系，用環(huán)形滾軸梁取代機械傾擺桿，設計獨立控制作動器對受電弓進行傾擺補償，作動器選擇上主要采用快速響應的機電作動器.. l。
傾擺硬件機械結(jié)構(gòu)在不斷地改進，那么傾擺軟件傾擺控制策略又是如何改變的呢?現(xiàn)代的控制理論發(fā)展都很成熟，關(guān)鍵在于軟硬件與實際錯綜復雜T況的配合，尤其對于控制系統(tǒng)的輸入提取。
剛開始，采用最直觀的控制方法，在車體上安裝加速度傳感器，計算橫向加速度調(diào)節(jié)量，驅(qū)動同向的作動器，采用經(jīng)典的負反饋逐步調(diào)節(jié)。但突然消失的橫向加速度會使乘客感覺車輛存在運動問題，且傾擺機構(gòu)在緩和曲線段反應慢。其后，則將加速度傳感器裝于不傾斜的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向架上，在反饋環(huán)中測試傾擺角再提供傾擺角度命令信號，抵消～70％的曲線通過時疊加的離心加速度。但傳感器測試值包括曲線加速度以及由軌道不平順引起的橫向加速度，則需要濾波，否則將影響直線運行乘坐舒適度。此策略由會導致曲線進入?yún)^(qū)段的判定延遲。最后，羊0用車端信號的提前預測設計，以避免此問題的發(fā)生，較合理地實現(xiàn)了機電一體化設計。
主動二系懸掛若不大改變車輛結(jié)構(gòu)，又要更進一步改善更高速車輛對軌道不平順的響應，提高乘坐質(zhì)量，則關(guān)鍵設計是車輛二系懸掛的阻尼設計，目前較多應用機電控制，使普通的阻尼器變?yōu)樽枘峥勺兦铱煽氐臏p振器，天棚阻尼就是一典型設計。天棚阻尼控制是由美國D．Kamopp教授提出，是對車輛橫向振動進行控制。假設在車體和一個固定墻之間安裝一個虛擬的天棚減振器(如圖4所示)，這個虛擬減振器在列車運行時始終提供這樣的阻尼力：力的大小只與車體絕對速度有關(guān)，與轉(zhuǎn)向科技信息專題論述架和車體之間的相對速度無關(guān)。天棚阻尼控制因不需要建立系統(tǒng)的數(shù)學模型且極易實現(xiàn)，從而得到廣泛應用。
圖4天棚阻尼控制原理圖可變阻尼減振器阻尼的調(diào)節(jié)通常有兩種方法.. 調(diào)節(jié)減振器的節(jié)流孔大小和液體黏度大小，實際操作中，則因控制策略和執(zhí)行機構(gòu)的不同，而產(chǎn)生了不同類型的主動、半主動懸掛方式，尤其在日本、法國、瑞典fABB)和英國等研究較多。目前，最優(yōu)控制、魯棒控制、自適應控制和智能控制等現(xiàn)代控制理論都在逐步應用于車輛懸掛控制，電磁作動器以及磁流變作動器等也都不斷改進，軟硬件同步發(fā)展和應用，不斷提升著車輛機電一體化水平。
獨立車輪或輪對鶘圖5獨立旋轉(zhuǎn)車輪輪對網(wǎng)6扭矩控制獨立旋轉(zhuǎn)車輪圖7直接驅(qū)動車輪當下機電一體化設計理念最創(chuàng)新的當屬主動車輪的設計。近兩個世紀的車輛布置，都是1個車體、2個轉(zhuǎn)向架和4個輪軸固接輪對(固接式)，固定的結(jié)構(gòu)始終存在一世界難題蛇行，一二系懸掛系統(tǒng)也僅是抑制運動失穩(wěn)，調(diào)優(yōu)車體內(nèi)部乘坐舒適度。而主動車輪／獨立車輪，輪對的構(gòu)想(如圖5至圖.. 7所示)，打破了原有機械結(jié)構(gòu)，兩車輪旋轉(zhuǎn)獨立，分別控制，直線運行與曲線通過同時兼顧，運用了更多的機電控制。
但，因車輛速度提升限制、控制硬件.. 傳感器、控制器與作動器的相互協(xié)調(diào)問題、機電一體化單元的可靠性、復雜的車輛運行工況的難以預意義重大。
施工準備階段。由于核電工程采用了模塊化施工、土建安裝平行施工、開頂法施工等有別于.. M310核電機組的建造工藝，因此，此階段不同技術(shù)路線的工程進度計劃的安排有著很大的不同。主要影響有：
主設備訂貨。采用技術(shù)路線，當前全球裝備制造業(yè)尚不能大規(guī)模滿足.. AP1000技術(shù)路線的主設備制造；而.. M310技術(shù)主設備制造已經(jīng)相當成熟。因此，設備采購計劃對于 AP1000技術(shù)來說更難控制，而技術(shù)沒有如此情況。因此，計劃的制定需要盡可能兼顧各方、綜合平衡。
采用.. AP1000技術(shù)路線，必須盡早安排鋼制安全殼、結(jié)構(gòu)模塊的預制以及重型吊車的采購，而.. M310僅需要盡早考慮環(huán)吊的訂貨。
安裝施工單位需在施工準備階段盡早確定，以便承包商進場安排各結(jié)構(gòu)模塊的現(xiàn)場拼裝；M310機組無需此階段確定安裝施工承包商。
四、核電前期工程進度計劃的編制總的來說，核電前期工程不確定性因素多、外部接口關(guān)系復雜，進度計劃的制定很難一次成型。隨著項目前期工作的深入進行，需要不斷的調(diào)整更新進度計劃，以便適應形勢和項目發(fā)展的需要。
核電前期工程進度計劃的編制，應遵循科學性與預見性的原則，盡可能維護工程進度的穩(wěn)定性，堅持責任制。要為進度控制提供資源保證，安排風險對策，計劃調(diào)整貫徹動態(tài)控制原則，遵守變更程序；并正確處理進度控制、質(zhì)量控制、投資控制之間的關(guān)系。
核電工程前期進度計劃的編制步驟有：
確定總工期及主要階段的工期；確定各主要活動的時序，設計與施工、采購間的接El，活動之間的銜接，施工與調(diào)試邏輯順序要求；按序倒排，從完工驗收向前追索各工序所需的工期和交叉與銜接關(guān)系，然后排出正排的設計、采購、制造、土建、主系統(tǒng)和配套系統(tǒng)安測問題以及車輛單元部件的繁多等，目前此設計應用推廣范圍尚窄。
另外，車輛的牽引和制動系統(tǒng)，這部分與電力電子更加相關(guān)，電力驅(qū)動、交流電機、輪轂電機以及電力再生設備都是高度集成，功能性強，都嘗試利用先進的電力控制來操作輪軌粘滑特性，整合控制系統(tǒng)來優(yōu)化對接觸斑的利用。更加特殊的磁懸浮車輛中，更加繁雜地運用了機電一體化思想，將電、磁、機都很好的結(jié)合在一起，但此設計的社會價值和經(jīng)濟價值一直受到質(zhì)疑，有待技術(shù)的逐步成熟來緩解。當然，除了鐵路車輛本身，與之相配套的設備，如線路、售票系統(tǒng)(鐵路客票制票機和移動補票系統(tǒng)等)、車站以及車輛維修基地等，都有機電一體化系統(tǒng)的參與。
機電一體化在鐵路領(lǐng)域的發(fā)展趨勢鐵路行業(yè)機電一體化程度不斷提高，機械結(jié)構(gòu)大為簡化，車輛布局更加合理，車輛性能亦更加優(yōu)良。現(xiàn)代車輛中逐步將眾多機械設計的復雜性轉(zhuǎn)移到機電控制設計中，機電充分耦合，多學科知識交叉運用，將智能動作不斷地植入車輛，使車輛設計技術(shù)不斷地推陳出新，不斷完善設計。可見，鐵路業(yè)是多么亟待機電一體化的更多應用。
目前鐵路域中的機電一體化正逐漸趨于模塊化、網(wǎng)絡化和系統(tǒng)化，隨著機電一體化技術(shù)高尖端性、可靠性以及靈敏性的不斷發(fā)展，在今后，鐵路業(yè)中的機電一體化也必將跟隨其他行業(yè)更進一步地邁人智能化、微型化、光機電一體化、綠色化以及仿生化硐，讓鐵路車輛、鐵路運營和服務系統(tǒng)都日臻完善。
【鐵路行業(yè)的柵電一儺化系統(tǒng)】相關(guān)文章：
關(guān)于鐵路主體化機車信號系統(tǒng)中的安全冗余設計03-02
談機電一體化系統(tǒng)中的軟件系統(tǒng)設計03-12
探究機電一體化系統(tǒng)中的軟件系統(tǒng)設計及討論03-14
機電一體化系統(tǒng)功能原理03-23
機電一體化系統(tǒng)中的軟件03-14
基于數(shù)據(jù)挖掘的煙草行業(yè)物流信息系統(tǒng)一體化構(gòu)架03-07
辦公自動化系統(tǒng)03-07
探索家庭自動化系統(tǒng)11-15