鐵路行業(yè)的柵電一儺化系統

摘要]機電一體化技術(shù)的快速發(fā)展，推動(dòng)著(zhù)社會(huì )工業(yè)技術(shù)不斷進(jìn)步，在鐵路行業(yè)的應用也越來(lái)越廣泛。本文就當前機電一體化如火如荼地發(fā)展，簡(jiǎn)述了機電一體化的內涵，列舉了在鐵路域內已成熟應用的機電一體化系統.. 擺式列車(chē)、主動(dòng)懸掛以及獨立車(chē)輪．井對發(fā)展前景進(jìn)行了展望。
　　關(guān)鍵詞]機電一體化鐵路擺式列車(chē)主動(dòng)懸掛獨立車(chē)輪
引言隨科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，機電一體化系統在各個(gè)行業(yè)都得到廣泛應用。在建筑領(lǐng)域，機電一體化系統用于電液自動(dòng)控制的工程機器人，替代人工完成海底作業(yè)和有毒現場(chǎng)施工。在機械制造領(lǐng)域，機電一體化系統用于自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)的位置、速度與時(shí)間控制，用于加丁中心(數控機床)實(shí)現機械零件的高精度自動(dòng)加工，用于電液控制的機械手替代人工完成生產(chǎn)線(xiàn)上焊接、噴漆、裝配等。在汽車(chē)工程車(chē)輛中，機電一體化系統用于機械伺服轉向系統，用于汽車(chē)無(wú)人駕駛、自動(dòng)換擋控制等。在軍事工業(yè)中，機電一體化系統用于飛機的操縱系統、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(dòng)控制等l】I。那么，在當今快速發(fā)展的鐵路領(lǐng)域，無(wú)論是輪軌交通系統中的高速動(dòng)車(chē)組、準高速的大鐵路車(chē)輛、負責貨運的重載列車(chē)，還是無(wú)軌磁懸浮列車(chē)，均涉及了大量機電一體化設計。
　　機電一體化名稱(chēng)是日本安川電機公司在.. l9世紀.. 60年代末的商業(yè)注冊時(shí)創(chuàng )用的，由機械學(xué).. echanic)詞頭和電子學(xué)(dectronics)詞尾組合而成.. mehtois，成為一正式英文。目前已在世界范圍內得到認同名詞。機電一體化是指在機構的主功能、動(dòng)力功能、信息處理功能和控制功能上引進(jìn)電子技術(shù)，將機械裝置與電子化設計及軟件結合起來(lái)所構成的系統的總稱(chēng)。機電一體化是從系統的觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，綜合運用機械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動(dòng)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)，根據系統功能目標和優(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(shí)現特定功能價(jià)值，并使整個(gè)系統最優(yōu)化的系統程技術(shù)。其中，機電一體化涵蓋技術(shù)和產(chǎn)品兩個(gè)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(lèi)肢體的延伸，還是人類(lèi)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)區別。
　　機電一體化在鐵路車(chē)輛中的應用早在.. 18世紀，鐵路開(kāi)始之初，鐵路車(chē)輛設計主要由機械工程師完成，并無(wú)電子學(xué)或反饋控制的引入。鐵路行業(yè)屬于成本密集型，軌道基礎設施的鋪造和維護、新車(chē)的研制與維修等都是大資金投入，都制約著(zhù)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，鐵路系統應逐步降低成本和能耗，這即意味著(zhù)車(chē)輛應更加輕巧，機械結構更加簡(jiǎn)易。
　　車(chē)輛轉向架就已獨立命名，但歐洲花了將近4O年才在公共鐵路中使其規律化。自從.. 19世紀60年代車(chē)輛動(dòng)力學(xué)的出現，車(chē)輛懸掛系統的有效分析才算真正開(kāi)始，計算機也越來(lái)越多地應用于完整車(chē)輛性能的分析和預測中，并在機械結構上獲得了獨特創(chuàng )新，如交叉支承、迫導向轉向架和單軸轉向架等。主動(dòng)懸掛的到來(lái)，才真正預示著(zhù)車(chē)輛設計進(jìn)入機電一體化設計階段口1。
　　擺式列車(chē)擺式列車(chē)，是一種特殊主動(dòng)二系懸掛實(shí)例，其傾擺機構是機電一體化的典型結構，是小半徑曲線(xiàn)線(xiàn)路提速車(chē)輛的最佳選擇，可使車(chē)輛在普通路軌上的彎曲路段高速駛過(guò)而無(wú)需減速。歐洲國家大部分都發(fā)展了此類(lèi)車(chē)輛，意大利的Pendolino、瑞典的、西班牙的Talgo、德國動(dòng)車(chē)組以及瑞士的SIG。
　　擺式車(chē)輛通過(guò)曲線(xiàn)時(shí)，主動(dòng)向曲線(xiàn)內側傾斜，降低乘客所感受的離心加速度。圖.. 2是瑞典.. ADtaz20車(chē)輛兩側空設計的X00車(chē)輛截面圖，簧作為二系懸掛，安裝于傾擺搖枕之上，通過(guò)傾斜擺桿與轉向架連接，形成傾擺運動(dòng)。傾斜擺桿能有效傾斜車(chē)體，且傾斜中心在車(chē)體地板面上。在歐洲，極力推薦采用機電作動(dòng)器來(lái)取代早期使用的液壓作動(dòng)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(dòng)器垂直安裝于車(chē)輛中，受電弓通過(guò)一機械結構與轉向架相連，以避免與車(chē)體一同傾斜而導致的弓網(wǎng)離線(xiàn)問(wèn)題。在.. SIG設計上，中間安裝一個(gè)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(dòng)器對受電弓進(jìn)行傾擺補償，作動(dòng)器選擇上主要采用快速響應的機電作動(dòng)器.. l。
　　傾擺硬件機械結構在不斷地改進(jìn)，那么傾擺軟件傾擺控制策略又是如何改變的呢?現代的控制理論發(fā)展都很成熟，關(guān)鍵在于軟硬件與實(shí)際錯綜復雜T況的配合，尤其對于控制系統的輸入提取。
　　剛開(kāi)始，采用最直觀(guān)的控制方法，在車(chē)體上安裝加速度傳感器，計算橫向加速度調節量，驅動(dòng)同向的作動(dòng)器，采用經(jīng)典的負反饋逐步調節。但突然消失的橫向加速度會(huì )使乘客感覺(jué)車(chē)輛存在運動(dòng)問(wèn)題，且傾擺機構在緩和曲線(xiàn)段反應慢。其后，則將加速度傳感器裝于不傾斜的結構轉向架上，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(xiàn)通過(guò)時(shí)疊加的離心加速度。但傳感器測試值包括曲線(xiàn)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(xiàn)運行乘坐舒適度。此策略由會(huì )導致曲線(xiàn)進(jìn)入區段的判定延遲。最后，羊0用車(chē)端信號的提前預測設計，以避免此問(wèn)題的發(fā)生，較合理地實(shí)現了機電一體化設計。
　　主動(dòng)二系懸掛若不大改變車(chē)輛結構，又要更進(jìn)一步改善更高速車(chē)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(chē)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(chē)輛橫向振動(dòng)進(jìn)行控制。假設在車(chē)體和一個(gè)固定墻之間安裝一個(gè)虛擬的天棚減振器(如圖4所示)，這個(gè)虛擬減振器在列車(chē)運行時(shí)始終提供這樣的阻尼力：力的大小只與車(chē)體絕對速度有關(guān)，與轉向科技信息專(zhuān)題論述架和車(chē)體之間的相對速度無(wú)關(guān)。天棚阻尼控制因不需要建立系統的數學(xué)模型且極易實(shí)現，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節通常有兩種方法.. 調節減振器的節流孔大小和液體黏度大小，實(shí)際操作中，則因控制策略和執行機構的不同，而產(chǎn)生了不同類(lèi)型的主動(dòng)、半主動(dòng)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代控制理論都在逐步應用于車(chē)輛懸掛控制，電磁作動(dòng)器以及磁流變作動(dòng)器等也都不斷改進(jìn)，軟硬件同步發(fā)展和應用，不斷提升著(zhù)車(chē)輛機電一體化水平。
　　獨立車(chē)輪或輪對鶘圖5獨立旋轉車(chē)輪輪對網(wǎng)6扭矩控制獨立旋轉車(chē)輪圖7直接驅動(dòng)車(chē)輪當下機電一體化設計理念最創(chuàng )新的當屬主動(dòng)車(chē)輪的設計。近兩個(gè)世紀的車(chē)輛布置，都是1個(gè)車(chē)體、2個(gè)轉向架和4個(gè)輪軸固接輪對(固接式)，固定的結構始終存在一世界難題蛇行，一二系懸掛系統也僅是抑制運動(dòng)失穩，調優(yōu)車(chē)體內部乘坐舒適度。而主動(dòng)車(chē)輪／獨立車(chē)輪，輪對的構想(如圖5至圖.. 7所示)，打破了原有機械結構，兩車(chē)輪旋轉獨立，分別控制，直線(xiàn)運行與曲線(xiàn)通過(guò)同時(shí)兼顧，運用了更多的機電控制。
　　但，因車(chē)輛速度提升限制、控制硬件.. 傳感器、控制器與作動(dòng)器的相互協(xié)調問(wèn)題、機電一體化單元的可靠性、復雜的車(chē)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(kāi)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(xiàn)的工程進(jìn)度計劃的安排有著(zhù)很大的不同。主要影響有：
　　主設備訂貨。采用技術(shù)路線(xiàn)，當前全球裝備制造業(yè)尚不能大規模滿(mǎn)足.. AP1000技術(shù)路線(xiàn)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(lái)說(shuō)更難控制，而技術(shù)沒(méi)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(xiàn)，必須盡早安排鋼制安全殼、結構模塊的預制以及重型吊車(chē)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(jìn)場(chǎng)安排各結構模塊的現場(chǎng)拼裝；M310機組無(wú)需此階段確定安裝施工承包商。
　　四、核電前期工程進(jìn)度計劃的編制總的來(lái)說(shuō)，核電前期工程不確定性因素多、外部接口關(guān)系復雜，進(jìn)度計劃的制定很難一次成型。隨著(zhù)項目前期工作的深入進(jìn)行，需要不斷的調整更新進(jìn)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(jìn)度計劃的編制，應遵循科學(xué)性與預見(jiàn)性的原則，盡可能維護工程進(jìn)度的穩定性，堅持責任制。要為進(jìn)度控制提供資源保證，安排風(fēng)險對策，計劃調整貫徹動(dòng)態(tài)控制原則，遵守變更程序；并正確處理進(jìn)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(jìn)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(dòng)的時(shí)序，設計與施工、采購間的接El，活動(dòng)之間的銜接，施工與調試邏輯順序要求；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、主系統和配套系統安測問(wèn)題以及車(chē)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(chē)輛的牽引和制動(dòng)系統，這部分與電力電子更加相關(guān)，電力驅動(dòng)、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(jìn)的電力控制來(lái)操作輪軌粘滑特性，整合控制系統來(lái)優(yōu)化對接觸斑的利用。更加特殊的磁懸浮車(chē)輛中，更加繁雜地運用了機電一體化思想，將電、磁、機都很好的結合在一起，但此設計的社會(huì )價(jià)值和經(jīng)濟價(jià)值一直受到質(zhì)疑，有待技術(shù)的逐步成熟來(lái)緩解。當然，除了鐵路車(chē)輛本身，與之相配套的設備，如線(xiàn)路、售票系統(鐵路客票制票機和移動(dòng)補票系統等)、車(chē)站以及車(chē)輛維修基地等，都有機電一體化系統的參與。
　　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，機械結構大為簡(jiǎn)化，車(chē)輛布局更加合理，車(chē)輛性能亦更加優(yōu)良�，F代車(chē)輛中逐步將眾多機械設計的復雜性轉移到機電控制設計中，機電充分耦合，多學(xué)科知識交叉運用，將智能動(dòng)作不斷地植入車(chē)輛，使車(chē)輛設計技術(shù)不斷地推陳出新，不斷完善設計�？梢�(jiàn)，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(luò )化和系統化，隨著(zhù)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(jìn)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(chē)輛、鐵路運營(yíng)和服務(wù)系統都日臻完善。

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