軌道微型平臺車系統(tǒng)構(gòu)建探索

【摘 要】本文闡述基于軌道交通的微型平臺車系統(tǒng)構(gòu)建的要求，從平臺車動力系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向架機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳動系統(tǒng)、速度控制系統(tǒng)、制動控制系統(tǒng)等五個方面綜合考慮，設(shè)計軌道微型平臺車系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】軌道交通 微型平臺車 系統(tǒng) 轉(zhuǎn)向架 調(diào)速系統(tǒng) 制動系統(tǒng)

【中圖分類號】G 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】0450-9889（2017）01C-0189-02

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展和軌道交通類專業(yè)的開設(shè)，基于軌道交通的基礎(chǔ)開發(fā)平臺面臨著巨大的發(fā)展機(jī)遇。在當(dāng)前國家實施轉(zhuǎn)型升級戰(zhàn)略、提倡“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”的大環(huán)境下，為軌道交通實驗室控制系統(tǒng)開發(fā)和教學(xué)用戶設(shè)計與開發(fā)一個實用的移動式試驗平臺很有必要。

一、微型平臺車系統(tǒng)的要求分析

（一）仿真性高。目前市場上對機(jī)車教學(xué)模型的開發(fā)還處于一片空白，現(xiàn)有的電動軌道車又稱為軌道平車、電動平板車、臺車、地爬車等，是一種廠內(nèi)有軌電動運(yùn)輸車輛，需要在地面上鋪設(shè)軌道，車體無方向控制裝置只有前進(jìn)后退方向，此種車輛結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、承載能力大，因其方便、壯實、經(jīng)濟(jì)、實用、易清理等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為企業(yè)廠房內(nèi)部及廠房與廠房之間短距離定點(diǎn)頻繁運(yùn)載重物的首選運(yùn)輸工具?？梢钥闯?，它們的功能往往只限于運(yùn)送作業(yè)人員或搬運(yùn)重量級物體，沒有復(fù)雜的電氣自動控制系統(tǒng)，沒有車載控制系統(tǒng)，機(jī)械結(jié)構(gòu)與真實機(jī)車相差甚遠(yuǎn)。

研發(fā)的微型平臺車系統(tǒng)應(yīng)盡量仿真機(jī)車轉(zhuǎn)向架與車輪機(jī)械結(jié)構(gòu)，滿足軌道交通類專業(yè)實踐教學(xué)資源的開發(fā)需求。具有可在真實軌道上在一定速度范圍內(nèi)實現(xiàn)加速、減速、停車等功能，并實時顯示軌道車的動力電源、行駛速度和公里數(shù)等。車上安裝有無線裝置、多種數(shù)據(jù)通信接口和電源接口，便于用戶在車體行進(jìn)或運(yùn)行過程中開展軌道交通各類控制系統(tǒng)的研究測試，進(jìn)行教學(xué)設(shè)備的二次開發(fā)。

（二）制造成本低。軌道交通的現(xiàn)場設(shè)備價格昂貴，職業(yè)院校得到的資金投入有限，難以配套完善的車載系統(tǒng)設(shè)施用于教學(xué)。目前最常用的教學(xué)設(shè)備是軌道交通模擬沙盤系統(tǒng)，模擬軌道上使用的是電動小玩具車，但對于機(jī)車車輛和車載系統(tǒng)等課程難以開展實訓(xùn)教學(xué)，不利于提高學(xué)生的認(rèn)知和動手能力。為迎合軌道交通技術(shù)快速發(fā)展和軌道交通類技術(shù)人才的培養(yǎng)需求，自主研發(fā)適用于室內(nèi)、野外實驗實訓(xùn)場地、制造成本低的仿真機(jī)車模型具有實際的意義。

（三）體微質(zhì)輕化。據(jù)社會調(diào)查和外出交流了解，目前僅北京交通大學(xué)等少數(shù)重點(diǎn)院校擁有類似的用于教學(xué)用途的小型軌道車，作為軌道機(jī)車測速等的實驗教學(xué)平臺，開發(fā)的教學(xué)功能較為單一，而且自身質(zhì)量重、體積大，僅適用于室內(nèi)運(yùn)行，不便于二次搬運(yùn)。因此，應(yīng)按合適比例縮減體積，車體外觀尺寸（長*寬*高）控制在1800*1595*600 mm以內(nèi)，采用輕型材料大幅度降低車重，設(shè)計一種易于搬運(yùn)的多功能軌道微型車系統(tǒng)，降低職業(yè)院校軌道交通實訓(xùn)基地建設(shè)成本，為開展軌道交通控制系統(tǒng)實踐教學(xué)、教儀研發(fā)的職業(yè)院校以及職工培訓(xùn)的軌道交通企業(yè)提供重要的基礎(chǔ)平臺。

二、微型平臺車系統(tǒng)的構(gòu)建

（一）動力驅(qū)動系統(tǒng)。微型平臺車的動力來源主要是進(jìn)行三個方案的比選：人力機(jī)械、交流工頻電源、蓄電瓶。

人力機(jī)械動力方案可參考傳統(tǒng)的“手搖車”，利用杠桿、曲軸、齒輪等機(jī)械裝置驅(qū)動，時速可達(dá)20公里。但需由多人駕駛，前后需要人雙手握住杠柄上下交替軋動，車子才能向前運(yùn)行。鐵路干線上的“手搖車”早已被淘汰，傳統(tǒng)的人工動力難以讓輪軸達(dá)到后續(xù)系統(tǒng)開發(fā)需要的轉(zhuǎn)速，也不符合現(xiàn)代自動化控制技術(shù)的發(fā)展趨勢，故不予采用。

交流工頻電源供電，來源簡單，市電直接接入，但需帶電纜運(yùn)行和行駛，不適合野外場地使用，可搬運(yùn)性差，因此也不合適。

使用蓄電池實現(xiàn)短距離供電，可以隨車裝載蓄電池組，能耗少，易于實現(xiàn)。蓄電池作為微型平臺車的動力裝置，同時也作為車載電子模塊的電力來源，可分兩組獨(dú)立實現(xiàn)，以免相互影響，蓄電池的性能優(yōu)劣對微型平臺車系統(tǒng)起到?jīng)Q定性作用。常用的蓄電池主要有密封鉛酸蓄電池、鎳—鎘蓄電池、鎳—?dú)湫铍姵亍囯x子蓄電池，蓄電池的選擇既要保證微型車的供電功率，又要兼顧整車成本。密封鉛酸電池在能量和壽命方面的確不如其他三種電池，但制造技術(shù)成熟，單體電壓高，串聯(lián)電池數(shù)量少，再循環(huán)利用率高，價格低廉幾乎免維護(hù)，經(jīng)過整流、逆變、升降壓等技術(shù)手段可得到車載各類電源輸出，無疑是性價比最高的首選方案。

（二）轉(zhuǎn)向架機(jī)械系統(tǒng)。作為移動式的實驗平臺，轉(zhuǎn)向架和輪對要從材料選擇和尺寸比例兩個方面來控制車身自重，以滿足設(shè)備搬運(yùn)的需要。平臺車的車架是整個車體結(jié)構(gòu)中重要的部件，是平臺車在運(yùn)行實驗中直接承載的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)形式對平臺車運(yùn)行平穩(wěn)及承載能力有著重要影響。

軌道交通車輛的轉(zhuǎn)向架分為動車轉(zhuǎn)向架和拖車轉(zhuǎn)向架，動車轉(zhuǎn)向架上裝有牽引電機(jī)、齒輪箱、輪盤制動等，拖車轉(zhuǎn)向架上裝有軸盤制動，高速轉(zhuǎn)向架普遍采用高強(qiáng)度合金鋼輕量化構(gòu)架、空心車軸、鋁合金齒輪箱、空氣彈簧、減振器等。構(gòu)造速度在100 km/h以上，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，笨重，主要具有承載、導(dǎo)向、減振、牽引、制動等功能。

作為教學(xué)實驗用途的微型軌道車，只作為車載設(shè)備的試驗平臺，無須搭載噸級以上的荷載，不考慮彎道的轉(zhuǎn)向失穩(wěn)等因素，因而可以大大簡化真實機(jī)車轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)，以輕量化的鋁合金材質(zhì)替代笨重的鑄鋼材質(zhì)。

車架采用框架梁式鋁合金結(jié)構(gòu)，由上下共4根橫梁和2側(cè)縱向邊梁構(gòu)件組成，運(yùn)輸車載設(shè)備時兩縱向邊梁構(gòu)件為主要承載，邊梁與橫梁焊接在一起，受力通過橫梁傳遞給邊梁構(gòu)件，由輪對傳遞給地面鐵軌，車載設(shè)備的重量使加在車架上的力均衡化，保證了平臺車運(yùn)行的平穩(wěn)。

輪對是軌道列車所有零部件中最基本的部件，承擔(dān)著支撐車體重量及行走的重要使命。車輪主要由輪轂、輪輻和輪輞三部分組成，車輪的材質(zhì)采用鋁合金材料，可恰當(dāng)利用過盈配合的特點(diǎn)，既節(jié)約較昂貴的優(yōu)質(zhì)鋼，又能滿足車輛運(yùn)行、加減速的要求，實現(xiàn)設(shè)備輕量化。鋁合金輪相比鋼制輪有諸多優(yōu)勢：（1）散熱好：鋁合金的傳熱系數(shù)比鋼材大三倍。車輛在行駛過程中輪對與軌道以及制動片的摩擦?xí)a(chǎn)生出很高熱量，鋁合金輪相比鋼制輪能更快地將這些熱量傳導(dǎo)到空氣中，延長輪對使用壽命。（2）重量輕：鋁合金輪的比重小于鋼制輪，更輕的輪對可減少起步和加速時的阻力，使車輛速度滿足測速試驗要求。（3）精度高：鋁合金輪鑄造的精密程度遠(yuǎn)高于鋼制輪，失圓度及不平衡重較小，彈性模數(shù)小，抗振性能優(yōu)于鋼制輪轂，能更好地減小平臺車的振動。

（三）傳動系統(tǒng)。動車輪軸屬于橫截面為圓形的回轉(zhuǎn)體，軸上零件大部分為回轉(zhuǎn)件。其主要作用是支撐機(jī)器中的其他回轉(zhuǎn)零件，如齒輪、飛輪等，為傳動零件間傳遞運(yùn)動和動力。本平臺車設(shè)計的傳動方案采用動車的轉(zhuǎn)動芯軸結(jié)構(gòu)形式，外圈固定裝配在車體縱向邊梁上，內(nèi)圈裝配在車輛轉(zhuǎn)軸的軸端；車體重量以徑向力的形式加在輪軸兩端，輪軸與滾動軸承內(nèi)圈固定，滾動軸承外圈與車體固定，運(yùn)行時車軸、車輪和圓柱滾子軸承內(nèi)圈一起旋轉(zhuǎn)。

軸芯采用市面標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)，并按1∶5比例縮小直徑，轉(zhuǎn)軸中部外加焊接傳動齒輪，采用鏈條傳動結(jié)構(gòu)，由牽引電動機(jī)經(jīng)減速器傳遞動力。與傳統(tǒng)的皮帶驅(qū)動相比，鏈條驅(qū)動方式的傳動可靠、耐久性好并且還可節(jié)省空間，整個系統(tǒng)由齒輪、鏈條和張緊裝置等部件組成，通過張緊裝置調(diào)節(jié)鏈條張力，微型平臺車的運(yùn)行安全、可靠性將得到很大提升，牽引電機(jī)的使用、維護(hù)成本也會降低。

（四）速度控制系統(tǒng)。在工業(yè)時代早期，直流電機(jī)調(diào)速一直占據(jù)主導(dǎo)地位。直流調(diào)速具有寬廣的調(diào)速范圍，良好的轉(zhuǎn)矩控制特性，具有低轉(zhuǎn)速大力矩等特點(diǎn)。直流調(diào)速器是調(diào)節(jié)直流電動機(jī)速度的設(shè)備。上端和電源連接，下端和直流電動機(jī)連接，直流調(diào)速器將交流電轉(zhuǎn)換成兩路輸出直流電源，一路輸入給直流電機(jī)勵磁（定子），一路輸入給直流電機(jī)電樞（轉(zhuǎn)子），直流調(diào)速器通過控制電樞直流電壓來調(diào)節(jié)直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速。同時，直流電動機(jī)給調(diào)速器一個反饋電流，調(diào)速器根據(jù)反饋電流來判斷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速情況，必要時修正電樞電壓輸出，再次調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。但是直流電機(jī)也存在弱點(diǎn)，就是電流的換向問題，換向器在換向過程中受到換向片間電壓與換向電流的限制，換向片成本高，消耗有色金屬較多，運(yùn)行中的維護(hù)檢修也比較麻煩。

交流變頻調(diào)速器的性價比不斷提高，早已從最初用于風(fēng)機(jī)、泵類的調(diào)速過渡到精度要求高、響應(yīng)快的高性能調(diào)速指標(biāo)的工業(yè)現(xiàn)場。本方案首選變頻器調(diào)速方案。變頻器調(diào)速原理是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，通過改變交流電機(jī)供電的頻率和幅值，改變其運(yùn)動磁場的周期，達(dá)到平滑控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。能實現(xiàn)對交流異步電機(jī)的軟起動、變頻調(diào)速，提高運(yùn)轉(zhuǎn)精度，改變功率因素、過流、過壓、過載保護(hù)等功能。變頻器體積小、重量輕，使得復(fù)雜的調(diào)速控制簡單化，安裝在平臺車上有利于節(jié)約空間，操作簡單方便，有利于速度控制系統(tǒng)的實現(xiàn)。

（五）制動控制系統(tǒng)。使用電氣制動和機(jī)械制動的方式相結(jié)合，進(jìn)行制動系統(tǒng)的設(shè)計。車輛的電氣制動方式有能耗制動、再生制動和反接制動等。牽引電機(jī)帶動車輛運(yùn)行，控制定子頻率，使得運(yùn)行速度高于同步速度，電機(jī)輸出推力與運(yùn)行方向相反，電機(jī)處于發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)，將車輛動能轉(zhuǎn)化為電能反饋給供電電源屬于再生制動。再生制動存在的問題是列車在低速時制動力較小，為了彌補(bǔ)電制動力的不足可以應(yīng)用反接制動。反接制動是通過改變電源相序，產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子慣性的前進(jìn)方向反向的制動力矩。如處理不當(dāng)，車輛將失穩(wěn)或發(fā)生反向行駛，因此要及時切除。牽引電機(jī)電氣制動運(yùn)行時，如果利用制動電阻將其產(chǎn)生的電能的消耗掉，這種制動為能耗制動。能耗制動技術(shù)成熟，但需要額外的設(shè)備，即制動斬波器和制動電阻。獨(dú)立的變頻器模塊包含以上的幾種電氣制動方式，軌道微型車的制動可采用以電氣制動為主、機(jī)械閘瓦制動為輔的方式。

為了使軌道微型平臺車運(yùn)行安全、平穩(wěn)，需確保為開發(fā)系統(tǒng)用戶預(yù)留器件的安裝位置、尺寸空間和螺紋孔數(shù)量布局合理。若橫軸和縱軸不平衡時，還可在車下懸掛配重來平衡車體的轉(zhuǎn)矩。通過機(jī)電一體化技術(shù)的綜合運(yùn)用，本文旨在提出一種加工工藝簡單化、車體輕量化、滿足二次開發(fā)性能要求的軌道微型車系統(tǒng)構(gòu)建解決方案，促使自主研發(fā)的實訓(xùn)設(shè)備更好地服務(wù)于專業(yè)的實踐教學(xué)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]邵文東，李立東，周國東.我國鐵路重載貨車轉(zhuǎn)向架技術(shù)及發(fā)展[J].鐵道車輛，2012（12）

[2]蘇雪，廖夢虎.動車車載平臺設(shè)計初探[J].技術(shù)與市場，2015（22）

[3]李崇堅.大功率交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的研究[J].電力電子，2010（1）

【作者簡介】劉晉宏（1984— ），男，碩士，柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院實驗師，研究方向：機(jī)電一體化技術(shù)。

（責(zé)編 盧 雯）