铁路行业的栅电一傩化系统
摘要]机电一体化技术的快速发展，推动着社会工业技术不断进步，在铁路行业的应用也越来越广泛。本文就当前机电一体化如火如荼地发展，简述了机电一体化的内涵，列举了在铁路域内已成熟应用的机电一体化系统.. 摆式列车、主动悬挂以及独立车轮．井对发展前景进行了展望。
关键词]机电一体化铁路摆式列车主动悬挂独立车轮
引言随科学技术的高速发展，机电一体化系统在各个行业都得到广泛应用。在建筑领域，机电一体化系统用于电液自动控制的工程机器人，替代人工完成海底作业和有毒现场施工。在机械制造领域，机电一体化系统用于自动生产线的位置、速度与时间控制，用于加丁中心(数控机床)实现机械零件的高精度自动加工，用于电液控制的机械手替代人工完成生产线上焊接、喷漆、装配等。在汽车工程车辆中，机电一体化系统用于机械伺服转向系统，用于汽车无人驾驶、自动换挡控制等。在军事工业中，机电一体化系统用于飞机的操纵系统、雷达跟踪和舰船的舵机装置、导弹的位置控制和发射架自动控制等l】I。那么，在当今快速发展的铁路领域，无论是轮轨交通系统中的高速动车组、准高速的大铁路车辆、负责货运的重载列车，还是无轨磁悬浮列车，均涉及了大量机电一体化设计。
机电一体化名称是日本安川电机公司在.. l9世纪.. 60年代末的商业注册时创用的，由机械学.. echanic)词头和电子学(dectronics)词尾组合而成.. mehtois，成为一正式英文。目前已在世界范围内得到认同名词。机电一体化是指在机构的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术，将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称。机电一体化是从系统的观点出发，综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术，根据系统功能目标和优化组织目标，合理配置与布局各功能单元，在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值，并使整个系统最优化的系统程技术。其中，机电一体化涵盖技术和产品两个方面，各种技术的相互关系如1所示。机械一体化产品不仅是人类肢体的延伸，还是人类感官与头脑的延伸，具有智能化的特足机电一体化与机械电气化在功能上的本质区别。
机电一体化在铁路车辆中的应用早在.. 18世纪，铁路开始之初，铁路车辆设计主要由机械工程师完成，并无电子学或反馈控制的引入。铁路行业属于成本密集型，轨道基础设施的铺造和维护、新车的研制与维修等都是大资金投入，都制约着铁路行业，让其谨慎前行。为提高铁路与其他交通模式的竞争力，铁路系统应逐步降低成本和能耗，这即意味着车辆应更加轻巧，机械结构更加简易。
车辆转向架就已独立命名，但欧洲花了将近4O年才在公共铁路中使其规律化。自从.. 19世纪60年代车辆动力学的出现，车辆悬挂系统的有效分析才算真正开始，计算机也越来越多地应用于完整车辆性能的分析和预测中，并在机械结构上获得了独特创新，如交叉支承、迫导向转向架和单轴转向架等。主动悬挂的到来，才真正预示着车辆设计进入机电一体化设计阶段口1。
摆式列车摆式列车，是一种特殊主动二系悬挂实例，其倾摆机构是机电一体化的典型结构，是小半径曲线线路提速车辆的最佳选择，可使车辆在普通路轨上的弯曲路段高速驶过而无需减速。欧洲国家大部分都发展了此类车辆，意大利的Pendolino、瑞典的、西班牙的Talgo、德国动车组以及瑞士的SIG。
摆式车辆通过曲线时，主动向曲线内侧倾斜，降低乘客所感受的离心加速度。图.. 2是瑞典.. ADtaz20车辆两侧空设计的X00车辆截面图，簧作为二系悬挂，安装于倾摆摇枕之上，通过倾斜摆杆与转向架连接，形成倾摆运动。倾斜摆杆能有效倾斜车体，且倾斜中心在车体地板面上。在欧洲，极力推荐采用机电作动器来取代早期使用的液压作动器。
图3是意大利.. Pendolino截面，由.. Fiat提出，年用于瑞典，年用于英国。早期采用两钢弹簧作二系，液压作动器垂直安装于车辆中，受电弓通过一机械结构与转向架相连，以避免与车体一同倾斜而导致的弓网离线问题。在.. SIG设计上，中间安装一个大囊式空簧作为二系，用环形滚轴梁取代机械倾摆杆，设计独立控制作动器对受电弓进行倾摆补偿，作动器选择上主要采用快速响应的机电作动器.. l。
倾摆硬件机械结构在不断地改进，那么倾摆软件倾摆控制策略又是如何改变的呢?现代的控制理论发展都很成熟，关键在于软硬件与实际错综复杂T况的配合，尤其对于控制系统的输入提取。
刚开始，采用最直观的控制方法，在车体上安装加速度传感器，计算横向加速度调节量，驱动同向的作动器，采用经典的负反馈逐步调节。但突然消失的横向加速度会使乘客感觉车辆存在运动问题，且倾摆机构在缓和曲线段反应慢。其后，则将加速度传感器装于不倾斜的结构转向架上，在反馈环中测试倾摆角再提供倾摆角度命令信号，抵消～70％的曲线通过时叠加的.离心加速度。但传感器测试值包括曲线加速度以及由轨道不平顺引起的横向加速度，则需要滤波，否则将影响直线运行乘坐舒适度。此策略由会导致曲线进入区段的判定延迟。最后，羊0用车端信号的提前预测设计，以避免此问题的发生，较合理地实现了机电一体化设计。
主动二系悬挂若不大改变车辆结构，又要更进一步改善更高速车辆对轨道不平顺的响应，提高乘坐质量，则关键设计是车辆二系悬挂的阻尼设计，目前较多应用机电控制，使普通的阻尼器变为阻尼可变且可控的减振器，天棚阻尼就是一典型设计。天棚阻尼控制是由美国D．Kamopp教授提出，是对车辆横向振动进行控制。假设在车体和一个固定墙之间安装一个虚拟的天棚减振器(如图4所示)，这个虚拟减振器在列车运行时始终提供这样的阻尼力：力的大小只与车体绝对速度有关，与转向科技信息专题论述架和车体之间的相对速度无关。天棚阻尼控制因不需要建立系统的数学模型且极易实现，从而得到广泛应用。
图4天棚阻尼控制原理图可变阻尼减振器阻尼的调节通常有两种方法.. 调节减振器的节流孔大小和液体黏度大小，实际操作中，则因控制策略和执行机构的不同，而产生了不同类型的主动、半主动悬挂方式，尤其在日本、法国、瑞典fABB)和英国等研究较多。目前，最优控制、鲁棒控制、自适应控制和智能控制等现代控制理论都在逐步应用于车辆悬挂控制，电磁作动器以及磁流变作动器等也都不断改进，软硬件同步发展和应用，不断提升着车辆机电一体化水平。