簡述機電一體化技術(shù)在工裝設(shè)備中的應(yīng)用

摘要：為保證列車在南疆線風(fēng)區(qū)安全運行，集團公司建立風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)。按照風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)測量要求，需要定期對系統(tǒng)使用的ZZ6-5C型風(fēng)速風(fēng)向傳感器進行試驗檢測，目前試驗檢測在風(fēng)洞種進行，其過程工作量大，成本高。為解決風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)傳感器無小型試驗檢測設(shè)備的問題，本文介紹了利用機電一體化技術(shù)研制ZZ6-5C型風(fēng)速風(fēng)向傳感器試驗臺的過程。

關(guān)鍵詞：機電一體化;風(fēng)速風(fēng)向傳感器;變頻調(diào)速;實驗檢測

0 引言

ZZ6-5C型風(fēng)速風(fēng)向傳感器用于集團公司大風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)的采集。該型傳感器全年7×24小時不間斷運行，所測量的風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)是列車能否正常運行的重要判斷依據(jù)。一直以來風(fēng)速風(fēng)向傳感器的試驗檢測均必須在專業(yè)的風(fēng)洞實驗室進行，工作量大、成本高、校準(zhǔn)周期長。集團公司目前沒有專用的試驗檢測設(shè)備，現(xiàn)需要一種小型試驗設(shè)備能對傳感器測量精度及可靠性方便進行快捷的試驗檢測。

1? ZZ6-5C型風(fēng)速風(fēng)向傳感器介紹

ZZ6-5C型風(fēng)速風(fēng)向傳感器外形結(jié)構(gòu)像飛機，其中風(fēng)速傳感器四葉片螺旋槳式，風(fēng)向傳感器是尾葉狀，

風(fēng)速傳感器的四葉螺旋在風(fēng)力作用下帶動轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，安裝在轉(zhuǎn)軸上的 28 槽碼盤隨之轉(zhuǎn)動，光電轉(zhuǎn)換電路將機械轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換成脈沖電信號輸出，由于螺旋槳旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速與風(fēng)速成正比例關(guān)系，因此輸出的脈沖頻率也是同風(fēng)速成正比例的關(guān)系。

風(fēng)向傳感器的風(fēng)標(biāo)尾葉在風(fēng)向變化時發(fā)生轉(zhuǎn)動，并改變七位格雷碼盤的數(shù)值。碼盤將在 360°范圍分成72個方位，每轉(zhuǎn)動一個方位就出現(xiàn) 5°的變化，每一個方位都設(shè)定一組“0”、“1”編碼，然后將碼盤的二進制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為風(fēng)向值。

2? 需求分析

以往風(fēng)速風(fēng)向傳感器的試驗檢測是在外省專業(yè)風(fēng)洞（約64米長，11米寬）中完成的，疆內(nèi)目前還沒有風(fēng)洞來進行傳感器的試驗檢測。所以需要一種新型，造價低、體積小、準(zhǔn)確性高、穩(wěn)定性強的試驗臺來完成風(fēng)速風(fēng)向傳感器的試驗檢測。

3 試驗檢測數(shù)據(jù)真實性分析

ZZ6-5C型風(fēng)速風(fēng)向傳感器裝設(shè)在沿線的GSM-R基塔上，空間xzy三個方向無大面積遮擋物。而在試驗條件下，軸流風(fēng)機需要貼近地面放置以減少高速轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的振動及噪音;傳感器為了減少受湍流的影響，需跟軸流風(fēng)機同軸，所以也要貼近地面放置（如圖3-2）。因此需要知道近地面試驗環(huán)境下測量的風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)能否反映開闊的真實環(huán)境下的情況。為此采用有限元的方法在試驗環(huán)境下對傳感器進行流體動力學(xué)分析。

4 研制過程

4.14.1工作原理

由PLC輸出4位二進制數(shù)控制變頻器頻率改變，風(fēng)機受不同頻率交流電驅(qū)動產(chǎn)生不同轉(zhuǎn)速形成一到十二級風(fēng)吹向傳感器，傳感器把測量的風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)傳回給PLC。PLC再把計量風(fēng)速的脈沖信號和計量風(fēng)向的格雷碼信號轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)字信號，轉(zhuǎn)換完成的信號再傳輸?shù)紿IM進行顯示、判斷和控制。

4.2 多段風(fēng)速的實現(xiàn)：

疆內(nèi)沿線風(fēng)速變化范圍為0-36.9米/秒（一級到十二級），所以需要軸流風(fēng)機提供12段不同的轉(zhuǎn)速以形成12段風(fēng)速。常用的電機調(diào)速方法有：

①調(diào)壓調(diào)速：改變電動機定子電壓來實現(xiàn)調(diào)速的方法實現(xiàn)調(diào)速，特點是效率高，但電壓的改變會引起電機轉(zhuǎn)矩的變化，會影響軸流風(fēng)機出風(fēng)的穩(wěn)定性。

②變極調(diào)速：改變電動機定子繞組的接線方式來改變電動機的磁極對數(shù)，實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)速有級調(diào)速，特點是控制電路簡單，但只能實現(xiàn)2～3種極對數(shù)的有級調(diào)速，不滿足12段速度的設(shè)計要求。

③電磁調(diào)速：通過電磁轉(zhuǎn)差離合器來實現(xiàn)調(diào)速，特點是運行可靠，維修容易，但速度損失大，效率低，容易導(dǎo)致電機高轉(zhuǎn)速運行下發(fā)熱量過大而產(chǎn)生故障。

④變頻調(diào)速：改變異步電動機定子端輸人電源的頻率，實現(xiàn)電動機調(diào)速，特點是無附加轉(zhuǎn)差損耗，效率高，調(diào)速范圍寬，缺點是技術(shù)復(fù)雜。

通過對幾種電機的調(diào)速方式進行綜合比對可以看出，變頻調(diào)速最適合多段風(fēng)速的實現(xiàn)。

4.3試驗檢測的過程控制

試驗檢測的整個過程由寫入HMI中的程序控制。程序設(shè)定試驗開始后，風(fēng)速由小到大，每隔18秒增加一級。這期間程序自動記錄傳感器測量的風(fēng)速風(fēng)向等信息并存儲到相應(yīng)的寄存器中，試驗結(jié)束后，程序根據(jù)預(yù)設(shè)值自動判斷試驗結(jié)果是否合格并以表單的形式打印出試驗結(jié)果，同時把試驗過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)存入SD卡中供以后查詢。

5 試驗臺整體制作

用Pro/E軟件繪制試驗臺全貌，檢查各部件功能完好，無物理干涉后出圖加工制作。

6 總結(jié)

總結(jié)以上研制過程，變頻調(diào)速技術(shù)用于產(chǎn)生多級風(fēng)速，數(shù)字信號檢測技術(shù)用于接收和處理風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)用于PLC和HMI之間的串行全雙工數(shù)據(jù)傳輸，機械技術(shù)用于實體建模及加工制作。ZZ6-5C風(fēng)速風(fēng)向試驗臺研制很好的體現(xiàn)了機電一體化技術(shù)在工裝設(shè)備上的應(yīng)用。

作者簡介：

李奕超（1985-），男，漢族，四川資中，本科，工程師，機電一體化。

（作者單位：中國鐵路烏魯木齊局集團有限公司科學(xué)技術(shù)研究所）