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鐵路行業的柵電一儺化系統
摘要]機電一體化技術的快速發展，推動著社會工業技術不斷進步，在鐵路行業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展，簡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、主動懸掛以及獨立車輪．井對發展前景進行了展望。
關鍵詞]機電一體化鐵路擺式列車主動懸掛獨立車輪
引言隨科學技術的高速發展，機電一體化系統在各個行業都得到廣泛應用。在建筑領域，機電一體化系統用于電液自動控制的工程機器人，替代人工完成海底作業和有毒現場施工。在機械制造領域，機電一體化系統用于自動生產線的位置、速度與時間控制，用于加丁中心(數控機床)實現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線上焊接、噴漆、裝配等。在汽車工程車輛中，機電一體化系統用于機械伺服轉向系統，用于汽車無人駕駛、自動換擋控制等。在軍事工業中，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射架自動控制等l】I。那么，在當今快速發展的鐵路領域，無論是輪軌交通系統中的高速動車組、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年代末的商業注冊時創用的，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得到認同名詞。機電一體化是指在機構的主功能、動力功能、信息處理功能和控制功能上引進電子技術，將機械裝置與電子化設計及軟件結合起來所構成的系統的總稱。機電一體化是從系統的觀點出發，綜合運用機械技術、微電子技術、自動控制技術、計算機技術、信息技術、傳感測控技術、電力電子技術、接口技術、信息變換技術以及軟件編程技術等群體技術，根據系統功能目標和優化組織目標，合理配置與布局各功能單元，在多功能、高質量、高可靠性、低能耗的意義上實現特定功能價值，并使整個系統最優化的系統程技術。其中，機電一體化涵蓋技術和產品兩個方面，各種技術的相互關系如1所示。機械一體化產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區別。
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。鐵路行業屬于成本密集型，軌道基礎設施的鋪造和維護、新車的研制與維修等都是大資金投入，都制約著鐵路行業，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，這即意味著車輛應更加輕巧，機械結構更加簡易。
車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年代車輛動力學的出現，車輛懸掛系統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，并在機械結構上獲得了獨特創新，如交叉支承、迫導向轉向架和單軸轉向架等。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，其傾擺機構是機電一體化的典型結構，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，主動向曲線內側傾斜，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構與轉向架相連，以避免與車體一同傾斜而導致的弓網離線問題。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。
傾擺硬件機械結構在不斷地改進，那么傾擺軟件傾擺控制策略又是如何改變的呢?現代的控制理論發展都很成熟，關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，計算橫向加速度調節量，驅動同向的作動器，采用經典的負反饋逐步調節。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構轉向架上，在反饋環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區段的判定延遲。最后，羊0用車端信號的提前預測設計，以避免此問題的發生，較合理地實現了機電一體化設計。
主動二系懸掛若不大改變車輛結構，又要更進一步改善更高速車輛對軌道不平順的響應，提高乘坐質量，則關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，使普通的阻尼器變為阻尼可變且可控的減振器，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，與轉向科技信息專題論述架和車體之間的相對速度無關。天棚阻尼控制因不需要建立系統的數學模型且極易實現，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，實際操作中，則因控制策略和執行機構的不同，而產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獨立旋轉車輪輪對網6扭矩控制獨立旋轉車輪圖7直接驅動車輪當下機電一體化設計理念最創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個轉向架和4個輪軸固接輪對(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失穩，調優車體內部乘坐舒適度。而主動車輪／獨立車輪，輪對的構想(如圖5至圖.. 7所示)，打破了原有機械結構，兩車輪旋轉獨立，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調問題、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。采用技術路線，當前全球裝備制造業尚不能大規模滿足.. AP1000技術路線的主設備制造；而.. M310技術主設備制造已經相當成熟。因此，設備采購計劃對于 AP1000技術來說更難控制，而技術沒有如此情況。因此，計劃的制定需要盡可能兼顧各方、綜合平衡。
采用.. AP1000技術路線，必須盡早安排鋼制安全殼、結構模塊的預制以及重型吊車的采購，而.. M310僅需要盡早考慮環吊的訂貨。
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構模塊的現場拼裝；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，需要不斷的調整更新進度計劃，以便適應形勢和項目發展的需要。
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，計劃調整貫徹動態控制原則，遵守變更程序；并正確處理進度控制、質量控制、投資控制之間的關系。
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，這部分與電力電子更加相關，電力驅動、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，整合控制系統來優化對接觸斑的利用。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、機都很好的結合在一起，但此設計的社會價值和經濟價值一直受到質疑，有待技術的逐步成熟來緩解。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(鐵路客票制票機和移動補票系統等)、車站以及車輛維修基地等，都有機電一體化系統的參與。
機電一體化在鐵路領域的發展趨勢鐵路行業機電一體化程度不斷提高，機械結構大為簡化，車輛布局更加合理，車輛性能亦更加優良。現代車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，使車輛設計技術不斷地推陳出新，不斷完善設計�？梢�，鐵路業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、網絡化和系統化，隨著機電一體化技術高尖端性、可靠性以及靈敏性的不斷發展，在今后，鐵路業中的機電一體化也必將跟隨其他行業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都日臻完善。
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