【摘 要】本文闡述基于軌道交通的微型平臺(tái)車(chē)系統(tǒng)構(gòu)建的要求，從平臺(tái)車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向架機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)系統(tǒng)、速度控制系統(tǒng)、制動(dòng)控制系統(tǒng)等五個(gè)方面綜合考慮，設(shè)計(jì)軌道微型平臺(tái)車(chē)系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】軌道交通 微型平臺(tái)車(chē) 系統(tǒng) 轉(zhuǎn)向架 調(diào)速系統(tǒng) 制動(dòng)系統(tǒng)

【中圖分類(lèi)號(hào)】G 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】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(lèi)專(zhuān)業(yè)的開(kāi)設(shè)，基于軌道交通的基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)平臺(tái)面臨著巨大的發(fā)展機(jī)遇。在當(dāng)前國(guó)家實(shí)施轉(zhuǎn)型升級(jí)戰(zhàn)略、提倡“大眾創(chuàng)業(yè)、萬(wàn)眾創(chuàng)新”的大環(huán)境下，為軌道交通實(shí)驗(yàn)室控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和教學(xué)用戶設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)一個(gè)實(shí)用的移動(dòng)式試驗(yàn)平臺(tái)很有必要。

一、微型平臺(tái)車(chē)系統(tǒng)的要求分析

（一）仿真性高。目前市場(chǎng)上對(duì)機(jī)車(chē)教學(xué)模型的開(kāi)發(fā)還處于一片空白，現(xiàn)有的電動(dòng)軌道車(chē)又稱(chēng)為軌道平車(chē)、電動(dòng)平板車(chē)、臺(tái)車(chē)、地爬車(chē)等，是一種廠內(nèi)有軌電動(dòng)運(yùn)輸車(chē)輛，需要在地面上鋪設(shè)軌道，車(chē)體無(wú)方向控制裝置只有前進(jìn)后退方向，此種車(chē)輛結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、承載能力大，因其方便、壯實(shí)、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、易清理等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為企業(yè)廠房?jī)?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(jí)物體，沒(méi)有復(fù)雜的電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)，沒(méi)有車(chē)載控制系統(tǒng)，機(jī)械結(jié)構(gòu)與真實(shí)機(jī)車(chē)相差甚遠(yuǎn)。

研發(fā)的微型平臺(tái)車(chē)系統(tǒng)應(yīng)盡量仿真機(jī)車(chē)轉(zhuǎn)向架與車(chē)輪機(jī)械結(jié)構(gòu)，滿足軌道交通類(lèi)專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)資源的開(kāi)發(fā)需求。具有可在真實(shí)軌道上在一定速度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)加速、減速、停車(chē)等功能，并實(shí)時(shí)顯示軌道車(chē)的動(dòng)力電源、行駛速度和公里數(shù)等。車(chē)上安裝有無(wú)線裝置、多種數(shù)據(jù)通信接口和電源接口，便于用戶在車(chē)體行進(jìn)或運(yùn)行過(guò)程中開(kāi)展軌道交通各類(lèi)控制系統(tǒng)的研究測(cè)試，進(jìn)行教學(xué)設(shè)備的二次開(kāi)發(fā)。

（二）制造成本低。軌道交通的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備價(jià)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(chē)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(pán)系統(tǒng)，模擬軌道上使用的是電動(dòng)小玩具車(chē)，但對(duì)于機(jī)車(chē)車(chē)輛和車(chē)載系統(tǒng)等課程難以開(kāi)展實(shí)訓(xùn)教學(xué)，不利于提高學(xué)生的認(rèn)知和動(dòng)手能力。為迎合軌道交通技術(shù)快速發(fā)展和軌道交通類(lèi)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(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地、制造成本低的仿真機(jī)車(chē)模型具有實(shí)際的意義。

（三）體微質(zhì)輕化。據(jù)社會(huì)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(lèi)似的用于教學(xué)用途的小型軌道車(chē)，作為軌道機(jī)車(chē)測(cè)速等的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，開(kāi)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(chē)體外觀尺寸（長(zhǎng)*寬*高）控制在1800*1595*600 mm以?xún)?nèi)，采用輕型材料大幅度降低車(chē)重，設(shè)計(jì)一種易于搬運(yùn)的多功能軌道微型車(chē)系統(tǒng)，降低職業(yè)院校軌道交通實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)成本，為開(kāi)展軌道交通控制系統(tǒng)實(shí)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(tái)。

二、微型平臺(tái)車(chē)系統(tǒng)的構(gòu)建

（一）動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。微型平臺(tái)車(chē)的動(dòng)力來(lái)源主要是進(jìn)行三個(gè)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(dòng)力方案可參考傳統(tǒng)的“手搖車(chē)”，利用杠桿、曲軸、齒輪等機(jī)械裝置驅(qū)動(dòng)，時(shí)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(dòng)，車(chē)子才能向前運(yùn)行。鐵路干線上的“手搖車(chē)”早已被淘汰，傳統(tǒng)的人工動(dòng)力難以讓輪軸達(dá)到后續(xù)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)需要的轉(zhuǎn)速，也不符合現(xiàn)代自動(dòng)化控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，故不予采用。

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

使用蓄電池實(shí)現(xiàn)短距離供電，可以隨車(chē)裝載蓄電池組，能耗少，易于實(shí)現(xiàn)。蓄電池作為微型平臺(tái)車(chē)的動(dòng)力裝置，同時(shí)也作為車(chē)載電子模塊的電力來(lái)源，可分兩組獨(dú)立實(shí)現(xiàn)，以免相互影響，蓄電池的性能優(yōu)劣對(duì)微型平臺(tái)車(chē)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(chē)的供電功率，又要兼顧整車(chē)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?cái)?shù)量少，再循環(huán)利用率高，價(jià)格低廉幾乎免維護(hù)，經(jīng)過(guò)整流、逆變、升降壓等技術(shù)手段可得到車(chē)載各類(lèi)電源輸出，無(wú)疑是性?xún)r(jià)比最高的首選方案。

（二）轉(zhuǎn)向架機(jī)械系統(tǒng)。作為移動(dòng)式的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，轉(zhuǎn)向架和輪對(duì)要從材料選擇和尺寸比例兩個(gè)方面來(lái)控制車(chē)身自重，以滿足設(shè)備搬運(yùn)的需要。平臺(tái)車(chē)的車(chē)架是整個(gè)車(chē)體結(jié)構(gòu)中重要的部件，是平臺(tái)車(chē)在運(yùn)行實(shí)驗(yàn)中直接承載的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)形式對(duì)平臺(tái)車(chē)運(yùn)行平穩(wěn)及承載能力有著重要影響。

軌道交通車(chē)輛的轉(zhuǎn)向架分為動(dòng)車(chē)轉(zhuǎn)向架和拖車(chē)轉(zhuǎn)向架，動(dòng)車(chē)轉(zhuǎn)向架上裝有牽引電機(jī)、齒輪箱、輪盤(pán)制動(dòng)等，拖車(chē)轉(zhuǎn)向架上裝有軸盤(pán)制動(dòng)，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(chē)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(dòng)等功能。

作為教學(xué)實(shí)驗(yàn)用途的微型軌道車(chē)，只作為車(chē)載設(shè)備的試驗(yàn)平臺(tái)，無(wú)須搭載噸級(jí)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(jiǎn)化真實(shí)機(jī)車(chē)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(chē)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(chē)載設(shè)備時(shí)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(guò)橫梁傳遞給邊梁構(gòu)件，由輪對(duì)傳遞給地面鐵軌，車(chē)載設(shè)備的重量使加在車(chē)架上的力均衡化，保證了平臺(tái)車(chē)運(yùn)行的平穩(wěn)。

輪對(duì)是軌道列車(chē)所有零部件中最基本的部件，承擔(dān)著支撐車(chē)體重量及行走的重要使命。車(chē)輪主要由輪轂、輪輻和輪輞三部分組成，車(chē)輪的材質(zhì)采用鋁合金材料，可恰當(dāng)利用過(guò)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(chē)輛運(yùn)行、加減速的要求，實(shí)現(xiàn)設(shè)備輕量化。鋁合金輪相比鋼制輪有諸多優(yōu)勢(shì)：（1）散熱好：鋁合金的傳熱系數(shù)比鋼材大三倍。車(chē)輛在行駛過(guò)程中輪對(duì)與軌道以及制動(dòng)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(zhǎng)輪對(duì)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(duì)可減少起步和加速時(shí)的阻力，使車(chē)輛速度滿足測(cè)速試驗(yàn)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(tái)車(chē)的振動(dòng)。

（三）傳動(dòng)系統(tǒng)。動(dòng)車(chē)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(dòng)零件間傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。本平臺(tái)車(chē)設(shè)計(jì)的傳動(dòng)方案采用動(dòng)車(chē)的轉(zhuǎn)動(dòng)芯軸結(jié)構(gòu)形式，外圈固定裝配在車(chē)體縱向邊梁上，內(nèi)圈裝配在車(chē)輛轉(zhuǎn)軸的軸端；車(chē)體重量以徑向力的形式加在輪軸兩端，輪軸與滾動(dòng)軸承內(nèi)圈固定，滾動(dòng)軸承外圈與車(chē)體固定，運(yùn)行時(shí)車(chē)軸、車(chē)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(dòng)齒輪，采用鏈條傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，由牽引電動(dòng)機(jī)經(jīng)減速器傳遞動(dòng)力。與傳統(tǒng)的皮帶驅(qū)動(dòng)相比，鏈條驅(qū)動(dòng)方式的傳動(dòng)可靠、耐久性好并且還可節(jié)省空間，整個(gè)系統(tǒng)由齒輪、鏈條和張緊裝置等部件組成，通過(guò)張緊裝置調(diào)節(jié)鏈條張力，微型平臺(tái)車(chē)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(huì)降低。

（四）速度控制系統(tǒng)。在工業(yè)時(shí)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(dòng)機(jī)速度的設(shè)備。上端和電源連接，下端和直流電動(dòng)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(lì)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(guò)控制電樞直流電壓來(lái)調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。同時(shí)，直流電動(dòng)機(jī)給調(diào)速器一個(gè)反饋電流，調(diào)速器根據(jù)反饋電流來(lái)判斷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速情況，必要時(shí)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(wèn)題，換向器在換向過(guò)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?xún)r(jià)比不斷提高，早已從最初用于風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)的調(diào)速過(guò)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(chǎng)。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(guò)改變交流電機(jī)供電的頻率和幅值，改變其運(yùn)動(dòng)磁場(chǎng)的周期，達(dá)到平滑控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。能實(shí)現(xiàn)對(duì)交流異步電機(jī)的軟起動(dòng)、變頻調(diào)速，提高運(yùn)轉(zhuǎn)精度，改變功率因素、過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)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(jiǎn)單化，安裝在平臺(tái)車(chē)上有利于節(jié)約空間，操作簡(jiǎn)單方便，有利于速度控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

（五）制動(dòng)控制系統(tǒng)。使用電氣制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)的方式相結(jié)合，進(jìn)行制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。車(chē)輛的電氣制動(dòng)方式有能耗制動(dòng)、再生制動(dòng)和反接制動(dòng)等。牽引電機(jī)帶動(dòng)車(chē)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(chē)輛動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能反饋給供電電源屬于再生制動(dòng)。再生制動(dòng)存在的問(wèn)題是列車(chē)在低速時(shí)制動(dòng)力較小，為了彌補(bǔ)電制動(dòng)力的不足可以應(yīng)用反接制動(dòng)。反接制動(dòng)是通過(guò)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(dòng)力矩。如處理不當(dāng)，車(chē)輛將失穩(wěn)或發(fā)生反向行駛，因此要及時(shí)切除。牽引電機(jī)電氣制動(dòng)運(yùn)行時(shí)，如果利用制動(dòng)電阻將其產(chǎn)生的電能的消耗掉，這種制動(dòng)為能耗制動(dòng)。能耗制動(dòng)技術(shù)成熟，但需要額外的設(shè)備，即制動(dòng)斬波器和制動(dòng)電阻。獨(dú)立的變頻器模塊包含以上的幾種電氣制動(dòng)方式，軌道微型車(chē)的制動(dòng)可采用以電氣制動(dòng)為主、機(jī)械閘瓦制動(dòng)為輔的方式。

為了使軌道微型平臺(tái)車(chē)運(yùn)行安全、平穩(wěn)，需確保為開(kāi)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(shí)，還可在車(chē)下懸掛配重來(lái)平衡車(chē)體的轉(zhuǎn)矩。通過(guò)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(jiǎn)單化、車(chē)體輕量化、滿足二次開(kāi)發(fā)性能要求的軌道微型車(chē)系統(tǒng)構(gòu)建解決方案，促使自主研發(fā)的實(shí)訓(xùn)設(shè)備更好地服務(wù)于專(zhuān)業(yè)的實(shí)踐教學(xué)。

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【作者簡(jiǎn)介】劉晉宏（1984— ），男，碩士，柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院實(shí)驗(yàn)師，研究方向：機(jī)電一體化技術(shù)。

（責(zé)編 盧 雯）