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鐵路行業(yè)的柵電一儺化系統(tǒng)

時(shí)間:2023-03-22 00:13:54 機(jī)電畢業(yè)論文 我要投稿
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鐵路行業(yè)的柵電一儺化系統(tǒng)

摘要]機(jī)電一體化技術(shù)的快速發(fā)展,推動(dòng)著社會(huì)工業(yè)技術(shù)不斷進(jìn)步,在鐵路行業(yè)的應(yīng)用也越來越廣泛。本文就當(dāng)前機(jī)電一體化如火如荼地發(fā)展,簡(jiǎn)述了機(jī)電一體化的內(nèi)涵,列舉了在鐵路域內(nèi)已成熟應(yīng)用的機(jī)電一體化系統(tǒng).. 擺式列車、主動(dòng)懸掛以及獨(dú)立車輪.井對(duì)發(fā)展前景進(jìn)行了展望。
  關(guān)鍵詞]機(jī)電一體化鐵路擺式列車主動(dòng)懸掛獨(dú)立車輪
引言隨科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展,機(jī)電一體化系統(tǒng)在各個(gè)行業(yè)都得到廣泛應(yīng)用。在建筑領(lǐng)域,機(jī)電一體化系統(tǒng)用于電液自動(dòng)控制的工程機(jī)器人,替代人工完成海底作業(yè)和有毒現(xiàn)場(chǎng)施工。在機(jī)械制造領(lǐng)域,機(jī)電一體化系統(tǒng)用于自動(dòng)生產(chǎn)線的位置、速度與時(shí)間控制,用于加丁中心(數(shù)控機(jī)床)實(shí)現(xiàn)機(jī)械零件的高精度自動(dòng)加工,用于電液控制的機(jī)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(jī)電一體化系統(tǒng)用于機(jī)械伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng),用于汽車無人駕駛、自動(dòng)換擋控制等。在軍事工業(yè)中,機(jī)電一體化系統(tǒng)用于飛機(jī)的操縱系統(tǒng)、雷達(dá)跟蹤和艦船的舵機(jī)裝置、導(dǎo)彈的位置控制和發(fā)射架自動(dòng)控制等l】I。那么,在當(dāng)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(dòng)車組、準(zhǔn)高速的大鐵路車輛、負(fù)責(zé)貨運(yùn)的重載列車,還是無軌磁懸浮列車,均涉及了大量機(jī)電一體化設(shè)計(jì)。
  機(jī)電一體化名稱是日本安川電機(jī)公司在.. l9世紀(jì).. 60年代末的商業(yè)注冊(cè)時(shí)創(chuàng)用的,由機(jī)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(nèi)得到認(rèn)同名詞。機(jī)電一體化是指在機(jī)構(gòu)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(jī)械裝置與電子化設(shè)計(jì)及軟件結(jié)合起來所構(gòu)成的系統(tǒng)的總稱。機(jī)電一體化是從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā),綜合運(yùn)用機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、傳感測(cè)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(biāo)和優(yōu)化組織目標(biāo),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(xiàn)特定功能價(jià)值,并使整個(gè)系統(tǒng)最優(yōu)化的系統(tǒng)程技術(shù)。其中,機(jī)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(jī)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(jī)電一體化與機(jī)械電氣化在功能上的本質(zhì)區(qū)別。
  機(jī)電一體化在鐵路車輛中的應(yīng)用早在.. 18世紀(jì),鐵路開始之初,鐵路車輛設(shè)計(jì)主要由機(jī)械工程師完成,并無電子學(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(chǔ)設(shè)施的鋪造和維護(hù)、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(jǐn)慎前行。為提高鐵路與其他交通模式的競(jìng)爭(zhēng)力,鐵路系統(tǒng)應(yīng)逐步降低成本和能耗,這即意味著車輛應(yīng)更加輕巧,機(jī)械結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)易。
  車輛轉(zhuǎn)向架就已獨(dú)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(jì)60年代車輛動(dòng)力學(xué)的出現(xiàn),車輛懸掛系統(tǒng)的有效分析才算真正開始,計(jì)算機(jī)也越來越多地應(yīng)用于完整車輛性能的分析和預(yù)測(cè)中,并在機(jī)械結(jié)構(gòu)上獲得了獨(dú)特創(chuàng)新,如交叉支承、迫導(dǎo)向轉(zhuǎn)向架和單軸轉(zhuǎn)向架等。主動(dòng)懸掛的到來,才真正預(yù)示著車輛設(shè)計(jì)進(jìn)入機(jī)電一體化設(shè)計(jì)階段口1。
  擺式列車擺式列車,是一種特殊主動(dòng)二系懸掛實(shí)例,其傾擺機(jī)構(gòu)是機(jī)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(dòng)車組以及瑞士的SIG。
  擺式車輛通過曲線時(shí),主動(dòng)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(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)。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(jī)電作動(dòng)器來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)器垂直安裝于車輛中,受電弓通過一機(jī)械結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)向架相連,以避免與車體一同傾斜而導(dǎo)致的弓網(wǎng)離線問題。在.. SIG設(shè)計(jì)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(jī)械傾擺桿,設(shè)計(jì)獨(dú)立控制作動(dòng)器對(duì)受電弓進(jìn)行傾擺補(bǔ)償,作動(dòng)器選擇上主要采用快速響應(yīng)的機(jī)電作動(dòng)器.. l。
  傾擺硬件機(jī)械結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(cuò)綜復(fù)雜T況的配合,尤其對(duì)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(jì)算橫向加速度調(diào)節(jié)量,驅(qū)動(dòng)同向的作動(dòng)器,采用經(jīng)典的負(fù)反饋逐步調(diào)節(jié)。但突然消失的橫向加速度會(huì)使乘客感覺車輛存在運(yùn)動(dòng)問題,且傾擺機(jī)構(gòu)在緩和曲線段反應(yīng)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(cè)試傾擺角再提供傾擺角度命令信號(hào),抵消~70%的曲線通過時(shí)疊加的離心加速度。但傳感器測(cè)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(yùn)行乘坐舒適度。此策略由會(huì)導(dǎo)致曲線進(jìn)入?yún)^(qū)段的判定延遲。最后,羊0用車端信號(hào)的提前預(yù)測(cè)設(shè)計(jì),以避免此問題的發(fā)生,較合理地實(shí)現(xiàn)了機(jī)電一體化設(shè)計(jì)。
  主動(dòng)二系懸掛若不大改變車輛結(jié)構(gòu),又要更進(jìn)一步改善更高速車輛對(duì)軌道不平順的響應(yīng),提高乘坐質(zhì)量,則關(guān)鍵設(shè)計(jì)是車輛二系懸掛的阻尼設(shè)計(jì),目前較多應(yīng)用機(jī)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(shè)計(jì)。天棚阻尼控制是由美國D.Kamopp教授提出,是對(duì)車輛橫向振動(dòng)進(jìn)行控制。假設(shè)在車體和一個(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)虛擬減振器在列車運(yùn)行時(shí)始終提供這樣的阻尼力:力的大小只與車體絕對(duì)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(duì)速度無關(guān)。天棚阻尼控制因不需要建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型且極易實(shí)現(xiàn),從而得到廣泛應(yīng)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(shí)際操作中,則因控制策略和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的不同,而產(chǎn)生了不同類型的主動(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(yīng)控制和智能控制等現(xiàn)代控制理論都在逐步應(yīng)用于車輛懸掛控制,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(yīng)用,不斷提升著車輛機(jī)電一體化水平。
  獨(dú)立車輪或輪對(duì)鶘圖5獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪輪對(duì)網(wǎng)6扭矩控制獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪圖7直接驅(qū)動(dòng)車輪當(dāng)下機(jī)電一體化設(shè)計(jì)理念最創(chuàng)新的當(dāng)屬主動(dòng)車輪的設(shè)計(jì)。近兩個(gè)世紀(jì)的車輛布置,都是1個(gè)車體、2個(gè)轉(zhuǎn)向架和4個(gè)輪軸固接輪對(duì)(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(yùn)動(dòng)失穩(wěn),調(diào)優(yōu)車體內(nèi)部乘坐舒適度。而主動(dòng)車輪/獨(dú)立車輪,輪對(duì)的構(gòu)想(如圖5至圖.. 7所示),打破了原有機(jī)械結(jié)構(gòu),兩車輪旋轉(zhuǎn)獨(dú)立,分別控制,直線運(yùn)行與曲線通過同時(shí)兼顧,運(yùn)用了更多的機(jī)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(dòng)器的相互協(xié)調(diào)問題、機(jī)電一體化單元的可靠性、復(fù)雜的車輛運(yùn)行工況的難以預(yù)意義重大。
  施工準(zhǔn)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(jī)組的建造工藝,因此,此階段不同技術(shù)路線的工程進(jìn)度計(jì)劃的安排有著很大的不同。主要影響有:
  主設(shè)備訂貨。采用技術(shù)路線,當(dāng)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(shè)備制造;而.. M310技術(shù)主設(shè)備制造已經(jīng)相當(dāng)成熟。因此,設(shè)備采購計(jì)劃對(duì)于 AP1000技術(shù)來說更難控制,而技術(shù)沒有如此情況。因此,計(jì)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(yù)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(zhǔn)備階段盡早確定,以便承包商進(jìn)場(chǎng)安排各結(jié)構(gòu)模塊的現(xiàn)場(chǎng)拼裝;M310機(jī)組無需此階段確定安裝施工承包商。
  四、核電前期工程進(jìn)度計(jì)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(fù)雜,進(jìn)度計(jì)劃的制定很難一次成型。隨著項(xiàng)目前期工作的深入進(jìn)行,需要不斷的調(diào)整更新進(jìn)度計(jì)劃,以便適應(yīng)形勢(shì)和項(xiàng)目發(fā)展的需要。
  核電前期工程進(jìn)度計(jì)劃的編制,應(yīng)遵循科學(xué)性與預(yù)見性的原則,盡可能維護(hù)工程進(jìn)度的穩(wěn)定性,堅(jiān)持責(zé)任制。要為進(jìn)度控制提供資源保證,安排風(fēng)險(xiǎn)對(duì)策,計(jì)劃調(diào)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(jì)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(shè)計(jì)與施工、采購間的接El,活動(dòng)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(yàn)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(shè)計(jì)、采購、制造、土建、主系統(tǒng)和配套系統(tǒng)安測(cè)問題以及車輛單元部件的繁多等,目前此設(shè)計(jì)應(yīng)用推廣范圍尚窄。
  另外,車輛的牽引和制動(dòng)系統(tǒng),這部分與電力電子更加相關(guān),電力驅(qū)動(dòng)、交流電機(jī)、輪轂電機(jī)以及電力再生設(shè)備都是高度集成,功能性強(qiáng),都嘗試?yán)孟冗M(jìn)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(duì)接觸斑的利用。更加特殊的磁懸浮車輛中,更加繁雜地運(yùn)用了機(jī)電一體化思想,將電、磁、機(jī)都很好的結(jié)合在一起,但此設(shè)計(jì)的社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值一直受到質(zhì)疑,有待技術(shù)的逐步成熟來緩解。當(dāng)然,除了鐵路車輛本身,與之相配套的設(shè)備,如線路、售票系統(tǒng)(鐵路客票制票機(jī)和移動(dòng)補(bǔ)票系統(tǒng)等)、車站以及車輛維修基地等,都有機(jī)電一體化系統(tǒng)的參與。
  機(jī)電一體化在鐵路領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)鐵路行業(yè)機(jī)電一體化程度不斷提高,機(jī)械結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化,車輛布局更加合理,車輛性能亦更加優(yōu)良,F(xiàn)代車輛中逐步將眾多機(jī)械設(shè)計(jì)的復(fù)雜性轉(zhuǎn)移到機(jī)電控制設(shè)計(jì)中,機(jī)電充分耦合,多學(xué)科知識(shí)交叉運(yùn)用,將智能動(dòng)作不斷地植入車輛,使車輛設(shè)計(jì)技術(shù)不斷地推陳出新,不斷完善設(shè)計(jì)。可見,鐵路業(yè)是多么亟待機(jī)電一體化的更多應(yīng)用。
  目前鐵路域中的機(jī)電一體化正逐漸趨于模塊化、網(wǎng)絡(luò)化和系統(tǒng)化,隨著機(jī)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(jī)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(jī)電一體化、綠色化以及仿生化硐,讓鐵路車輛、鐵路運(yùn)營(yíng)和服務(wù)系統(tǒng)都日臻完善。

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