軌道微型平臺車系統構建探索

【摘 要】本文闡述基于軌道交通的微型平臺車系統構建的要求，從平臺車動力系統、轉向架機械結構、傳動系統、速度控制系統、制動控制系統等五個方面綜合考慮，設計軌道微型平臺車系統。

【關鍵詞】軌道交通 微型平臺車 系統 轉向架 調速系統 制動系統

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2017）01C-0189-02

隨著城市軌道交通的快速發展和軌道交通類專業的開設，基于軌道交通的基礎開發平臺面臨著巨大的發展機遇。在當前國家實施轉型升級戰略、提倡“大眾創業、萬眾創新”的大環境下，為軌道交通實驗室控制系統開發和教學用戶設計與開發一個實用的移動式試驗平臺很有必要。

一、微型平臺車系統的要求分析

（一）仿真性高。目前市場上對機車教學模型的開發還處于一片空白，現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，是一種廠內有軌電動運輸車輛，需要在地面上鋪設軌道，車體無方向控制裝置只有前進后退方向，此種車輛結構簡單、使用方便、承載能力大，因其方便、壯實、經濟、實用、易清理等諸多優點，成為企業廠房內部及廠房與廠房之間短距離定點頻繁運載重物的首選運輸工具。可以看出，它們的功能往往只限于運送作業人員或搬運重量級物體，沒有復雜的電氣自動控制系統，沒有車載控制系統，機械結構與真實機車相差甚遠。

研發的微型平臺車系統應盡量仿真機車轉向架與車輪機械結構，滿足軌道交通類專業實踐教學資源的開發需求。具有可在真實軌道上在一定速度范圍內實現加速、減速、停車等功能，并實時顯示軌道車的動力電源、行駛速度和公里數等。車上安裝有無線裝置、多種數據通信接口和電源接口，便于用戶在車體行進或運行過程中開展軌道交通各類控制系統的研究測試，進行教學設備的二次開發。

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

（三）體微質輕化。據社會調查和外出交流了解，目前僅北京交通大學等少數重點院校擁有類似的用于教學用途的小型軌道車，作為軌道機車測速等的實驗教學平臺，開發的教學功能較為單一，而且自身質量重、體積大，僅適用于室內運行，不便于二次搬運。因此，應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，采用輕型材料大幅度降低車重，設計一種易于搬運的多功能軌道微型車系統，降低職業院校軌道交通實訓基地建設成本，為開展軌道交通控制系統實踐教學、教儀研發的職業院校以及職工培訓的軌道交通企業提供重要的基礎平臺。

二、微型平臺車系統的構建

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

人力機械動力方案可參考傳統的“手搖車”，利用杠桿、曲軸、齒輪等機械裝置驅動，時速可達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，車子才能向前運行。鐵路干線上的“手搖車”早已被淘汰，傳統的人工動力難以讓輪軸達到后續系統開發需要的轉速，也不符合現代自動化控制技術的發展趨勢，故不予采用。

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

使用蓄電池實現短距離供電，可以隨車裝載蓄電池組，能耗少，易于實現。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，可分兩組獨立實現，以免相互影響，蓄電池的性能優劣對微型平臺車系統起到決定性作用。常用的蓄電池主要有密封鉛酸蓄電池、鎳—鎘蓄電池、鎳—氫蓄電池、鋰離子蓄電池，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，但制造技術成熟，單體電壓高，串聯電池數量少，再循環利用率高，價格低廉幾乎免維護，經過整流、逆變、升降壓等技術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）轉向架機械系統。作為移動式的實驗平臺，轉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，以滿足設備搬運的需要。平臺車的車架是整個車體結構中重要的部件，是平臺車在運行實驗中直接承載的關鍵結構，其結構形式對平臺車運行平穩及承載能力有著重要影響。

軌道交通車輛的轉向架分為動車轉向架和拖車轉向架，動車轉向架上裝有牽引電機、齒輪箱、輪盤制動等，拖車轉向架上裝有軸盤制動，高速轉向架普遍采用高強度合金鋼輕量化構架、空心車軸、鋁合金齒輪箱、空氣彈簧、減振器等。構造速度在100 km/h以上，結構復雜，笨重，主要具有承載、導向、減振、牽引、制動等功能。

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

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

輪對是軌道列車所有零部件中最基本的部件，承擔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，車輪的材質采用鋁合金材料，可恰當利用過盈配合的特點，既節約較昂貴的優質鋼，又能滿足車輛運行、加減速的要求，實現設備輕量化。鋁合金輪相比鋼制輪有諸多優勢：（1）散熱好：鋁合金的傳熱系數比鋼材大三倍。車輛在行駛過程中輪對與軌道以及制動片的摩擦會產生出很高熱量，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高于鋼制輪，失圓度及不平衡重較小，彈性模數小，抗振性能優于鋼制輪轂，能更好地減小平臺車的振動。

（三）傳動系統。動車輪軸屬于橫截面為圓形的回轉體，軸上零件大部分為回轉件。其主要作用是支撐機器中的其他回轉零件，如齒輪、飛輪等，為傳動零件間傳遞運動和動力。本平臺車設計的傳動方案采用動車的轉動芯軸結構形式，外圈固定裝配在車體縱向邊梁上，內圈裝配在車輛轉軸的軸端；車體重量以徑向力的形式加在輪軸兩端，輪軸與滾動軸承內圈固定，滾動軸承外圈與車體固定，運行時車軸、車輪和圓柱滾子軸承內圈一起旋轉。

軸芯采用市面標準材質，并按1∶5比例縮小直徑，轉軸中部外加焊接傳動齒輪，采用鏈條傳動結構，由牽引電動機經減速器傳遞動力。與傳統的皮帶驅動相比，鏈條驅動方式的傳動可靠、耐久性好并且還可節省空間，整個系統由齒輪、鏈條和張緊裝置等部件組成，通過張緊裝置調節鏈條張力，微型平臺車的運行安全、可靠性將得到很大提升，牽引電機的使用、維護成本也會降低。

（四）速度控制系統。在工業時代早期，直流電機調速一直占據主導地位。直流調速具有寬廣的調速范圍，良好的轉矩控制特性，具有低轉速大力矩等特點。直流調速器是調節直流電動機速度的設備。上端和電源連接，下端和直流電動機連接，直流調速器將交流電轉換成兩路輸出直流電源，一路輸入給直流電機勵磁（定子），一路輸入給直流電機電樞（轉子），直流調速器通過控制電樞直流電壓來調節直流電動機轉速。同時，直流電動機給調速器一個反饋電流，調速器根據反饋電流來判斷直流電機的轉速情況，必要時修正電樞電壓輸出，再次調節電機的轉速。但是直流電機也存在弱點，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，運行中的維護檢修也比較麻煩。

交流變頻調速器的性價比不斷提高，早已從最初用于風機、泵類的調速過渡到精度要求高、響應快的高性能調速指標的工業現場。本方案首選變頻器調速方案。變頻器調速原理是利用電力半導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，通過改變交流電機供電的頻率和幅值，改變其運動磁場的周期，達到平滑控制電動機轉速的目的。能實現對交流異步電機的軟起動、變頻調速，提高運轉精度，改變功率因素、過流、過壓、過載保護等功能。變頻器體積小、重量輕，使得復雜的調速控制簡單化，安裝在平臺車上有利于節約空間，操作簡單方便，有利于速度控制系統的實現。

（五）制動控制系統。使用電氣制動和機械制動的方式相結合，進行制動系統的設計。車輛的電氣制動方式有能耗制動、再生制動和反接制動等。牽引電機帶動車輛運行，控制定子頻率，使得運行速度高于同步速度，電機輸出推力與運行方向相反，電機處于發電運行狀態，將車輛動能轉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，為了彌補電制動力的不足可以應用反接制動。反接制動是通過改變電源相序，產生與轉子慣性的前進方向反向的制動力矩。如處理不當，車輛將失穩或發生反向行駛，因此要及時切除。牽引電機電氣制動運行時，如果利用制動電阻將其產生的電能的消耗掉，這種制動為能耗制動。能耗制動技術成熟，但需要額外的設備，即制動斬波器和制動電阻。獨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、機械閘瓦制動為輔的方式。

為了使軌道微型平臺車運行安全、平穩，需確保為開發系統用戶預留器件的安裝位置、尺寸空間和螺紋孔數量布局合理。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矩。通過機電一體化技術的綜合運用，本文旨在提出一種加工工藝簡單化、車體輕量化、滿足二次開發性能要求的軌道微型車系統構建解決方案，促使自主研發的實訓設備更好地服務于專業的實踐教學。

【參考文獻】

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

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

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

【作者簡介】劉晉宏（1984— ），男，碩士，柳州鐵道職業技術學院實驗師，研究方向：機電一體化技術。

（責編 盧 雯）