簡述機電一體化技術在工裝設備中的應用

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

關鍵詞：機電一體化;風速風向傳感器;變頻調速;實驗檢測

0 引言

ZZ6-5C型風速風向傳感器用于集團公司大風監測系統風速、風向數據的采集。該型傳感器全年7×24小時不間斷運行，所測量的風速風向數據是列車能否正常運行的重要判斷依據。一直以來風速風向傳感器的試驗檢測均必須在專業的風洞實驗室進行，工作量大、成本高、校準周期長。集團公司目前沒有專用的試驗檢測設備，現需要一種小型試驗設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型風速風向傳感器介紹

ZZ6-5C型風速風向傳感器外形結構像飛機，其中風速傳感器四葉片螺旋槳式，風向傳感器是尾葉狀，

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

風向傳感器的風標尾葉在風向變化時發生轉動，并改變七位格雷碼盤的數值。碼盤將在 360°范圍分成72個方位，每轉動一個方位就出現 5°的變化，每一個方位都設定一組“0”、“1”編碼，然后將碼盤的二進制數據轉換為風向值。

2? 需求分析

以往風速風向傳感器的試驗檢測是在外省專業風洞（約64米長，11米寬）中完成的，疆內目前還沒有風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、準確性高、穩定性強的試驗臺來完成風速風向傳感器的試驗檢測。

3 試驗檢測數據真實性分析

ZZ6-5C型風速風向傳感器裝設在沿線的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，軸流風機需要貼近地面放置以減少高速轉動產生的振動及噪音;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境下測量的風速風向數據能否反映開闊的真實環境下的情況。為此采用有限元的方法在試驗環境下對傳感器進行流體動力學分析。

4 研制過程

4.14.1工作原理

由PLC輸出4位二進制數控制變頻器頻率改變，風機受不同頻率交流電驅動產生不同轉速形成一到十二級風吹向傳感器，傳感器把測量的風速風向數據傳回給PLC。PLC再把計量風速的脈沖信號和計量風向的格雷碼信號轉換為十進制數字信號，轉換完成的信號再傳輸到HIM進行顯示、判斷和控制。

4.2 多段風速的實現：

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

①調壓調速：改變電動機定子電壓來實現調速的方法實現調速，特點是效率高，但電壓的改變會引起電機轉矩的變化，會影響軸流風機出風的穩定性。

②變極調速：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，實現電動機轉速有級調速，特點是控制電路簡單，但只能實現2～3種極對數的有級調速，不滿足12段速度的設計要求。

③電磁調速：通過電磁轉差離合器來實現調速，特點是運行可靠，維修容易，但速度損失大，效率低，容易導致電機高轉速運行下發熱量過大而產生故障。

④變頻調速：改變異步電動機定子端輸人電源的頻率，實現電動機調速，特點是無附加轉差損耗，效率高，調速范圍寬，缺點是技術復雜。

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

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。程序設定試驗開始后，風速由小到大，每隔18秒增加一級。這期間程序自動記錄傳感器測量的風速風向等信息并存儲到相應的寄存器中，試驗結束后，程序根據預設值自動判斷試驗結果是否合格并以表單的形式打印出試驗結果，同時把試驗過程中產生的數據存入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

總結以上研制過程，變頻調速技術用于產生多級風速，數字信號檢測技術用于接收和處理風速風向數據，數據傳輸技術用于PLC和HMI之間的串行全雙工數據傳輸，機械技術用于實體建模及加工制作。ZZ6-5C風速風向試驗臺研制很好的體現了機電一體化技術在工裝設備上的應用。

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技術研究所）