陳永恒 繆友文 馬順意 周麟 江海波

【摘 要】為了填補現(xiàn)有旅游業(yè)領(lǐng)域有軌蒸汽動力小火車布局的空缺和相關(guān)運營的不足，設(shè)計了一種集成實時在線監(jiān)測系統(tǒng)的復(fù)古有軌蒸汽觀光小火車。該蒸汽動力小火車動力系統(tǒng)汽機使用鍋爐加熱后產(chǎn)生的具有一定壓力的蒸汽作為動力源，以錐齒輪傳動機構(gòu)來完成動力轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)動力充足供給；同時集成有運營在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)機車運行實時管理，確保行車安全。該蒸汽動力小火車的研發(fā)有利于拓展旅游產(chǎn)業(yè)，提高經(jīng)濟產(chǎn)值。

【關(guān)鍵詞】監(jiān)測系統(tǒng)；有軌蒸汽小火車；觀光；結(jié)構(gòu)；設(shè)計

中圖分類號：TU318 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）28-0025-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.28.009

【Abstract】In order to fill the gap of the layout of small railroad steam trains operating in the current tourism industry and the shortage of related operations. A retrofitting small tourist railroad steam train with integrated real-time monitoring system was designed. The steam power system of the train uses pressure steam generated by boiler heating as the power source. The bevel gear transmission mechanism is designed for power conversion and to realize sufficient power supply. At the same time， the online operation monitoring system is integrated to realize the real-time management of locomotive operation and ensure the safety of running. The research and development of the steam powered railroad train is beneficial to expanding the tourism industry， improving the economic output.

【Key words】Monitoring system； Small railroad steam train； Sightseeing； Structure； Design

0 引言

蒸汽機車曾經(jīng)是人類工業(yè)文明的象征之一，即便已經(jīng)全面退出鐵路運輸?shù)拇笪枧_，在當(dāng)代視角下仍舊有著豐富的文化特色。基于蒸汽機車發(fā)展歷史形成了具有獨特吸引力的機車文化，全世界擁躉者眾多。如今，它繼續(xù)通過科普培訓(xùn)、機車攝影、機車駕駛、專列觀光等載體向人類講述鐵路運輸歷史。其中用于觀光的小火車最早起源于歐洲，國內(nèi)外比較知名的蒸汽觀光小火車有四川嘉陽觀光小火車、臺灣阿里山森林火車、挪威奧勒松？魡lesund小火車、瑞士少女峰小火車、墨爾本普芬森林小火車等[1-2]。隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，旅游消費進入一個快速發(fā)展的新階段，特色旅游已成為旅游市場的核心競爭力，蒸汽火車懷舊游是一種契合市場需求的旅游產(chǎn)品[3]。目前市面上很少有那種復(fù)古有軌蒸汽動力火車，基本都是一些仿制火車外觀的電動無軌觀光車，由于電動無軌觀光火車的運行距離等局限，導(dǎo)致其給游客帶來的感觀和體驗不足。為了填補現(xiàn)有旅游業(yè)領(lǐng)域有軌蒸汽動力小火車布局的空缺和相關(guān)運營的不足，設(shè)計研發(fā)一款集成有在線監(jiān)測系統(tǒng)的復(fù)古有軌蒸汽觀光小火車。

1 整車工作原理

觀光小火車設(shè)計初衷是增加旅游亮點，增加文化旅游氣息（小火車設(shè)計復(fù)古或者符合景區(qū)的風(fēng)格），為游客在景區(qū)旅游代步用，增加游客旅游體驗。因此在有軌蒸汽觀光小火車設(shè)計中應(yīng)以人為本[4]，在嚴(yán)格滿足國家游樂設(shè)施安全規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)（GB8408-2008）和小火車類游藝機通用技術(shù)條件（GB/T18165-2008）標(biāo)準(zhǔn)的前提下，充分考慮人性化設(shè)計要素，設(shè)計出乘坐舒適、駕駛輕便的產(chǎn)品[5-6]。

觀光小火車是一種在行駛在指定區(qū)域有軌或無軌路徑上，以電動機或內(nèi)燃機及其他動力驅(qū)動，具有動力機車和一節(jié)至四節(jié)車廂和乘用功能的游樂設(shè)備。本設(shè)計為具有復(fù)古外觀設(shè)計以蒸汽機為動力輸出機械的有軌觀光小火車，蒸汽機小火車具有高海拔山體和地海波的盆地適應(yīng)性強，燃料適用面廣的優(yōu)點。其主要工作原理是使用鍋爐來加熱水，水經(jīng)過加熱后產(chǎn)生一定壓力的蒸汽，然后經(jīng)過管道連接來驅(qū)動汽機活塞，使活塞做往返運動，把蒸汽轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)的動力能，經(jīng)過齒輪傳動帶動車輪轉(zhuǎn)動從而帶動整車沿軌道行駛。整車設(shè)計有自動補水系統(tǒng)、自動潤滑系統(tǒng)、人為控制速度功能、鍋爐汽包自動泄壓功能等，控制系統(tǒng)設(shè)計有壓力觀察、水位觀察、行駛鳴笛警示、手動排水排壓、前后行駛切換檔位、手動排汽閥以及氣控剎車系統(tǒng)，保證整車行車安全。

2 整車機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

滿足現(xiàn)有旅游業(yè)技術(shù)需求的有軌復(fù)古蒸汽小火車主要由鍋爐機構(gòu)、汽包機構(gòu)、沙箱機構(gòu)、自動補水機構(gòu)、手動補水機構(gòu)、汽機機構(gòu)、排氣機構(gòu)、錐齒驅(qū)動機構(gòu)、行走機構(gòu)、換擋機構(gòu)、控制機構(gòu)、剎車機構(gòu)、底盤機構(gòu)、客座拖車機構(gòu)等組成。從車身人機工學(xué)、動力供應(yīng)和驅(qū)動系統(tǒng)以及行走控制系統(tǒng)等方面進行科學(xué)有效設(shè)計，實現(xiàn)各機構(gòu)間匹配是該產(chǎn)品設(shè)計的重點。

2.1 鍋爐機構(gòu)

鍋爐是用來產(chǎn)生和貯存蒸汽的裝置，是機車的“心臟”。鍋爐用鋼板焊接而成，主要由火箱、鍋胴、煙箱三部分組成（見圖1）?；鹣涫菬夯烊粴饣蛎禾嫉牡胤?，分內(nèi)外層，內(nèi)層叫內(nèi)火箱，外層叫外火箱，兩層之間充滿了水，火箱底部是爐床。鍋胴在鍋爐的中部，它的后端與外火箱相接，前端與煙箱連接，內(nèi)部有大煙管、小煙管，大煙管里還裝有過熱管。液化天然氣或煤碳在火箱里燃燒，通過內(nèi)火箱板和小煙管加熱鍋爐水，并通過大煙管對過熱管里的蒸汽進一步加熱，把它變成過熱蒸汽。鍋胴的頂部有一個汽包，用來集聚蒸汽，汽包內(nèi)裝有汽門（調(diào)整閥）和安全閥，每臺機車上一般至少裝兩個安全閥，超壓自動起跳泄壓，保證鍋爐在使用過程中的安全。煙箱在鍋爐的前端，煙箱內(nèi)有通風(fēng)、排煙裝置。除了以上三部分，鍋爐還裝有注水器、水表、汽壓表等必要的附屬裝置，注水器可隨時向鍋爐內(nèi)補水，鍋爐內(nèi)的水位和蒸汽壓強則通過水表、汽壓表觀察。

自動補水機構(gòu)是在機車行走過程中自動向鍋爐內(nèi)注射補水的機構(gòu)（見圖2）。因為鍋爐在機車行走過程中一直處于加熱狀態(tài)，鍋爐內(nèi)的水會變成蒸汽被消耗掉，自動補水機構(gòu)能很好的保證鍋爐內(nèi)的水位長期處在安全位置，其原理是使用傳動箱內(nèi)主軸轉(zhuǎn)動帶動偏心搖臂做固定軌跡運動，使活塞桿做往返運動，抽動水箱內(nèi)的水向鍋爐內(nèi)注入。

2.2 蒸汽機機構(gòu)

蒸汽機是把蒸汽的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，讓機車產(chǎn)生動力，推動機車運行的機構(gòu)。一臺機車上有兩套蒸汽機，裝在機車兩側(cè)。如圖3所示，蒸汽機由汽缸、氣室、配汽機構(gòu)及傳動機構(gòu)等組成。

汽缸、汽室兩頭有連通蒸汽口。汽室中部與主蒸汽管相通，主蒸汽管來自煙箱。過熱蒸汽從主蒸汽管進入汽室，汽室內(nèi)裝有汽閥。汽室兩端通過排氣道與煙箱上廢汽噴嘴相通，汽缸內(nèi)廢氣由此排出。汽缸內(nèi)裝有活塞，過熱蒸汽進入汽缸后推動活塞移動?；钊挥谄浊岸藭r，汽閥操縱蒸汽從前端汽口進入汽缸，推動活塞向后運動；活塞到達后端時，蒸汽從后端汽口進入，推動活塞向前運動，通過前后兩個汽口不斷地交替進汽，使活塞持續(xù)地作往復(fù)運動。在實際運用中，活塞從一端向另一端移動還沒有到頭時，汽閥就停止給汽，這樣可以充分利用蒸汽的熱能，節(jié)約使用蒸汽。配汽機構(gòu)帶動汽閥前后往復(fù)運行，同時向汽缸內(nèi)配汽。配汽機構(gòu)由汽閥、偏心桿、月牙板、滑塊、半徑桿、回動手把、回動機等零部件組成。機車啟動時，司機操縱汽閥回動手把，打開汽閥，讓鍋爐里的蒸汽經(jīng)過汽室進入汽缸，推動活塞移動，活塞帶動活塞桿，再帶搖桿和機車主動輪上的曲拐銷，推動主動輪滾動，通過連桿帶動其他動輪同時滾動。要停車時，司機操縱汽閥手把，關(guān)閉閥門，鍋爐內(nèi)蒸汽不再進入汽室、汽缸，驅(qū)動機車運行的動力也就消除了。活塞連著活塞桿，這是傳動機構(gòu)的一部分。傳動機構(gòu)其他部分還包括搖桿、連桿、曲拐銷，通過這些機構(gòu)，把活塞桿的往復(fù)運動變成車輪的滾動。

2.3 機械傳動制動機構(gòu)

本產(chǎn)品設(shè)計的蒸汽小火車以圖4所示的錐齒輪驅(qū)動方式實現(xiàn)機械傳動。 錐齒輪驅(qū)動是通過錐齒輪把汽缸活塞推力轉(zhuǎn)換到輪軸上帶動輪軸轉(zhuǎn)動從而帶動整車行走。具體結(jié)構(gòu)是：汽缸帶動活塞桿，活塞桿通過偏心曲柄盤帶動與之相連接的曲柄軸做旋轉(zhuǎn)運動。曲柄軸上固定的斜齒輪通過與其成垂直十字交叉配合的傳動軸上斜齒輪轉(zhuǎn)換，帶動傳動軸做旋轉(zhuǎn)運動。通過與傳動軸相連接的小錐齒輪帶動與其成垂直配合位置相連的大錐齒輪，大錐齒輪又與車輪軸連接，從而帶動車輪做圓周運動，實現(xiàn)整車前進或后退。剎車則設(shè)計成氣動碟剎結(jié)構(gòu)，氣動制動器工作原理是通過給氣動制動器氣缸里輸入高壓氣體，從而推動活塞做直線運動，使制動器摩擦塊夾緊，從而產(chǎn)生摩擦力而制動，再依靠制動器內(nèi)的復(fù)位彈簧活塞實現(xiàn)復(fù)位，氣動制動器應(yīng)具有良好的散熱性，氣動制動器用安裝架固定在車輪軸一側(cè)。

2.4 底盤及行走機構(gòu)

換擋機構(gòu)是通過汽缸進氣口里的換氣滑塊切換進出氣口方向來控制機車的前進和后退運行的。其具體工作原理是：在切換過程中，機車必須完全停止運行狀態(tài)，手動前后推動手柄切換帶動汽缸進氣口內(nèi)的滑塊，實現(xiàn)通過汽缸進氣口的開合位置來控制汽缸左右缸的進汽順序，使機車前進或倒退運行。

行走機構(gòu)是通過汽機帶動齒輪傳動車輪軸，從而使車輪做圓周運動來帶動整車在設(shè)定軌道上行走。行走機構(gòu)設(shè)計有減震彈簧，有助于乘坐舒服，行走機構(gòu)主要是由上下支撐板、上下牙弓、側(cè)支撐、軸箱、軸箱座、減震彈簧等組裝而成。

3 運營在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

為提高服務(wù)效率及運營安全性，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對蒸汽機車的運營進行在線數(shù)據(jù)采集、實時數(shù)據(jù)分析及反饋、現(xiàn)場視頻監(jiān)控等，從而滿足不同用戶的需求。蒸汽小火車的運營在線監(jiān)測系統(tǒng)是一套包括：機車運行信息采集、電子支付、安全監(jiān)控、信號反饋控制、運營數(shù)據(jù)統(tǒng)計的綜合系統(tǒng)。機車在運行過程中通過信息采集系統(tǒng)統(tǒng)計機車運行時長、車速、蓄電池充電、氣壓表及行駛里程等數(shù)據(jù)，方便機車行駛情況分析；電子支付系統(tǒng)是一種方便快捷的支付系統(tǒng)，乘客通過手機掃碼完成支付，通過閘口進行候車乘車；信號反饋系統(tǒng)是機車到站停車和運行過程中實時與信息中心發(fā)送與接收的運行信息，如系統(tǒng)接收運行車輛到站距離，司機通過信號反饋提前操縱車輛的控制系統(tǒng)對機車進行減速，做好進站準(zhǔn)備工作，游客對車輛到站和出站等重要信息也實時掌握；運營數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析是集門票銷售額、乘客人數(shù)、游客游玩高峰期和低谷期時段分析與統(tǒng)計，優(yōu)化運行時間和時長，提高乘客旅游感受度。運營在線系統(tǒng)的信息化運行依靠穩(wěn)定高效的電器傳感系統(tǒng)。電器傳感系統(tǒng)是通過在配電箱內(nèi)放置多個蓄電池作為能源。

4 結(jié)語

隨著我國旅游行業(yè)的快速發(fā)展，旅游產(chǎn)業(yè)的升級及客戶服務(wù)手段信息化已成為發(fā)展的趨勢。觀光小火車在自然景觀為主的景區(qū)可作為交通設(shè)施的代步工具又可以以一種獨特歷史文化方式呈現(xiàn)給游客，具有很大的發(fā)展前景。本文通過對有軌蒸汽觀光小火車的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，并提出開發(fā)運營在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)復(fù)古有軌蒸汽觀光小火車在運行過程中機車運行狀況實時監(jiān)測、運行情況智能化數(shù)據(jù)統(tǒng)計等，該蒸汽動力小火車的研發(fā)為建設(shè)特色旅游項目，提升旅游產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平，提高景區(qū)經(jīng)濟產(chǎn)值附加值提供了可能。

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