一種便攜式軌道小車的研制

赫 磊 王 彬 張志新

（中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司，常州 213011）

目前，在鐵路軌道線路維護(hù)作業(yè)中，工務(wù)作業(yè)人員主要依靠徒步和手工等方式進(jìn)行巡檢和維護(hù)。這種維護(hù)方式存在工作時(shí)間長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大、設(shè)備簡(jiǎn)陋以及工作效率低等問(wèn)題[1]。因此，在此背景下研發(fā)了一種便攜式軌道小車，具有模塊化和輕量化特點(diǎn)，上下軌道方便，且易于搬運(yùn)和運(yùn)輸，可以用于工務(wù)運(yùn)輸和小型化檢測(cè)設(shè)備搭載等方面[2]。

1 主要技術(shù)參數(shù)及功能

1.1 主要技術(shù)參數(shù)

設(shè)計(jì)的便攜式軌道小車的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

1.2 主要功能

第一，模塊化和輕量化設(shè)計(jì)，單個(gè)模塊質(zhì)量不超過(guò)60 kg，總質(zhì)量不超過(guò)150 kg（不包括電池）。第二，3～4個(gè)人可在5 min內(nèi)實(shí)現(xiàn)車輛組裝或拆解，方便上下道[3]。第三，運(yùn)輸方便，將車輛拆解后可放入皮卡車車廂內(nèi)進(jìn)行運(yùn)輸。第四，可雙向行駛，車速最高20 km·h-1。第五，可不減速順利通過(guò)道岔和小曲線半徑。第六，緊急制動(dòng)距離不大于10 m，坡道駐車安全可靠。

2 技術(shù)方案介紹

如圖1所示，便攜式軌道小車由驅(qū)動(dòng)軸系總成、車架、電池系統(tǒng)、從動(dòng)軸系總成、電控系統(tǒng)以及座椅等組成。采用前置式驅(qū)動(dòng)方式，驅(qū)動(dòng)軸系總成安裝在車輛前部，從動(dòng)軸系總成位于后端。控制系統(tǒng)位于車輛前端，布置兩排座椅，電池位于后座椅下部。

圖1 便攜式軌道小車方案圖

2.1 模塊化和輕量化設(shè)計(jì)

如圖2所示，考慮到各部件的質(zhì)量和拆分性能，將便攜式軌道小車劃分為驅(qū)動(dòng)軸系總成、從動(dòng)軸系總成、車架、電池系統(tǒng)以及車輛控制系統(tǒng)模塊。各個(gè)模塊之間設(shè)計(jì)有快速定位連接機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)車輛的快速組裝或拆解。

圖2 拆分模塊圖

整車設(shè)計(jì)廣泛采用復(fù)合材料和高強(qiáng)度輕型材料。操作臺(tái)外殼、車架底板、座椅采用碳纖維材料制造。車架由鈦合金型材焊接而成，因?yàn)殁伜辖鹁哂袕?qiáng)度高和密度小等特性。

2.2 驅(qū)動(dòng)軸系總成

如圖3所示，將差速式驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)應(yīng)用于軌道交通車輛。車輛通過(guò)小曲線半徑時(shí)，在差速器的作用下，兩側(cè)車輪的轉(zhuǎn)速是不同的，可使車輛過(guò)彎時(shí)更靈敏，便于操縱[4]。驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用直流無(wú)刷電機(jī)。

圖3 驅(qū)動(dòng)軸系總成

驅(qū)動(dòng)軸系總成上集成了碟剎制動(dòng)器和駐車制動(dòng)器兩種制動(dòng)方式。碟剎主要實(shí)現(xiàn)減速和停車制動(dòng)功能。駐車制動(dòng)器為失電磁制動(dòng)器，集成在驅(qū)動(dòng)電機(jī)尾部，功能是失電駐車和緊急制動(dòng)。

2.3 車架

車架是整個(gè)車輛的組裝基礎(chǔ)和關(guān)鍵的承重部件。考慮到減重和強(qiáng)度要求，車架選擇由鈦合金型材焊接而成。車架強(qiáng)度的仿真如圖4所示，車架最大應(yīng)力為85 MPa，小于許用應(yīng)力213 MPa的要求。車架變形仿真如圖5所示，車架橫梁最大變形量為5.3 mm，小于最大設(shè)計(jì)撓度9.2 mm的要求。

圖4 車架應(yīng)力分布圖

2.4 電池系統(tǒng)

采用動(dòng)力鋰電池能源，清潔安全，能量密度高，可以有效降低電源模塊的整體尺寸及質(zhì)量。鋰電池組的技術(shù)參數(shù)如下：電池規(guī)格48 V、80 Ah，額定放電電流80 A，最大放電電流100 A（10 min），峰值放電電流150 A（10 s）；常溫25 ℃，0.5 C充電，1 C放電循環(huán)1 500次后，剩余容量不低于額定容量的70%。

圖5 車架變形仿真圖

2.5 車輛控制系統(tǒng)

車輛控制系統(tǒng)采用整車控制器進(jìn)行集中控制，速度調(diào)節(jié)由操縱手柄完成。操作手柄采用自復(fù)位形式，前推車體前進(jìn)，后拉車體倒車后退。手柄上集成開(kāi)關(guān)及按鈕，用于定速巡航及巡航速度微調(diào)控制。整車控制器通過(guò)采集調(diào)速手柄、編碼器、傾角傳感器以及操縱臺(tái)按鈕等信號(hào)進(jìn)行計(jì)算比較，并輸出控制信號(hào)給電機(jī)控制器。控制圖如圖6所示。

圖6 車輛控制原理圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上述技術(shù)方案，完成了便攜式軌道小車完成試制，如圖7所示。對(duì)其各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行檢查和試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖7 便攜式軌道小車樣車

表2 試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

便攜式軌道小車采用鋰電池供電，清潔無(wú)污染，續(xù)航里程長(zhǎng)，工作效率高。該車采用模塊化和輕量化設(shè)計(jì)，3～4個(gè)人可在5 min內(nèi)實(shí)現(xiàn)車輛組裝或拆解，上下道方便，搬運(yùn)和運(yùn)輸方便。車輛具有兩套制動(dòng)系統(tǒng)，制動(dòng)安全可靠。采用差速式驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)，車輛可以順利通過(guò)道岔和小曲率半徑。制造完成后，對(duì)車輛各項(xiàng)性能進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果均符合設(shè)計(jì)要求。