论文部分内容阅读
【摘 要】本文阐述基于轨道交通的微型平台车系统构建的要求，从平台车动力系统、转向架机械结构、传动系统、速度控制系统、制动控制系统等五个方面综合考虑，设计轨道微型平台车系统。
【关键词】轨道交通 微型平台车 系统 转向架 调速系统 制动系统
【中图分类号】G 【文献标识码】A
【文章编号】0450-9889（2017）01C-0189-02
随着城市轨道交通的快速发展和轨道交通类专业的开设，基于轨道交通的基础开发平台面临着巨大的发展机遇。在当前国家实施转型升级战略、提倡“大众创业、万众创新”的大环境下，为轨道交通实验室控制系统开发和教学用户设计与开发一个实用的移动式试验平台很有必要。
一、微型平台车系统的要求分析
（一）仿真性高。目前市场上对机车教学模型的开发还处于一片空白，现有的电动轨道车又称为轨道平车、电动平板车、台车、地爬车等，是一种厂内有轨电动运输车辆，需要在地面上铺设轨道，车体无方向控制装置只有前进后退方向，此种车辆结构简单、使用方便、承载能力大，因其方便、壮实、经济、实用、易清理等诸多优点，成为企业厂房内部及厂房与厂房之间短距离定点频繁运载重物的首选运输工具。可以看出，它们的功能往往只限于运送作业人员或搬运重量级物体，没有复杂的电气自动控制系统，没有车载控制系统，机械结构与真实机车相差甚远。
研发的微型平台车系统应尽量仿真机车转向架与车轮机械结构，满足轨道交通类专业实践教学资源的开发需求。具有可在真实轨道上在一定速度范围内实现加速、减速、停车等功能，并实时显示轨道车的动力电源、行驶速度和公里数等。车上安装有无线装置、多种数据通信接口和电源接口，便于用户在车体行进或运行过程中开展轨道交通各类控制系统的研究测试，进行教学设备的二次开发。
（二）制造成本低。轨道交通的现场设备价格昂贵，职业院校得到的资金投入有限，难以配套完善的车载系统设施用于教学。目前最常用的教学设备是轨道交通模拟沙盘系统，模拟轨道上使用的是电动小玩具车，但对于机车车辆和车载系统等课程难以开展实训教学，不利于提高学生的认知和动手能力。为迎合轨道交通技术快速发展和轨道交通类技术人才的培养需求，自主研发适用于室内、野外实验实训场地、制造成本低的仿真机车模型具有实际的意义。
（三）体微质轻化。据社会调查和外出交流了解，目前仅北京交通大学等少数重点院校拥有类似的用于教学用途的小型轨道车，作为轨道机车测速等的实验教学平台，开发的教学功能较为单一，而且自身质量重、体积大，仅适用于室内运行，不便于二次搬运。因此，应按合适比例缩减体积，车体外观尺寸（长*宽*高）控制在1800*1595*600 mm以内，采用轻型材料大幅度降低车重，设计一种易于搬运的多功能轨道微型车系统，降低职业院校轨道交通实训基地建设成本，为开展轨道交通控制系统实践教学、教仪研发的职业院校以及职工培训的轨道交通企业提供重要的基础平台。
二、微型平台车系统的构建
（一）动力驱动系统。微型平台车的动力来源主要是进行三个方案的比选：人力机械、交流工频电源、蓄电瓶。
人力机械动力方案可参考传统的“手摇车”，利用杠杆、曲轴、齿轮等机械装置驱动，时速可达20公里。但需由多人驾驶，前后需要人双手握住杠柄上下交替轧动，车子才能向前运行。铁路干线上的“手摇车”早已被淘汰，传统的人工动力难以让轮轴达到后续系统开发需要的转速，也不符合现代自动化控制技术的发展趋势，故不予采用。
交流工频电源供电，来源简单，市电直接接入，但需带电缆运行和行驶，不适合野外场地使用，可搬运性差，因此也不合适。
使用蓄电池实现短距离供电，可以随车装载蓄电池组，能耗少，易于实现。蓄电池作为微型平台车的动力装置，同时也作为车载电子模块的电力来源，可分两组独立实现，以免相互影响，蓄电池的性能优劣对微型平台车系统起到决定性作用。常用的蓄电池主要有密封铅酸蓄电池、镍—镉蓄电池、镍—氢蓄电池、锂离子蓄电池，蓄电池的选择既要保证微型车的供电功率，又要兼顾整车成本。密封铅酸电池在能量和寿命方面的确不如其他三种电池，但制造技术成熟，单体电压高，串联电池数量少，再循环利用率高，价格低廉几乎免维护，经过整流、逆变、升降压等技术手段可得到车载各类电源输出，无疑是性价比最高的首选方案。
（二）转向架机械系统。作为移动式的实验平台，转向架和轮对要从材料选择和尺寸比例两个方面来控制车身自重，以满足设备搬运的需要。平台车的车架是整个车体结构中重要的部件，是平台车在运行实验中直接承载的关键结构，其结构形式对平台车运行平稳及承载能力有着重要影响。
轨道交通车辆的转向架分为动车转向架和拖车转向架，动车转向架上装有牵引电机、齿轮箱、轮盘制动等，拖车转向架上装有轴盘制动，高速转向架普遍采用高强度合金钢轻量化构架、空心车轴、铝合金齿轮箱、空气弹簧、减振器等。构造速度在100 km/h以上，结构复杂，笨重，主要具有承载、导向、减振、牵引、制动等功能。
作为教学实验用途的微型轨道车，只作为车载设备的试验平台，无须搭载吨级以上的荷载，不考虑弯道的转向失稳等因素，因而可以大大简化真实机车转向架结构，以轻量化的铝合金材质替代笨重的铸钢材质。
车架采用框架梁式铝合金结构，由上下共4根横梁和2侧纵向边梁构件组成，运输车载设备时两纵向边梁构件为主要承载，边梁与横梁焊接在一起，受力通过横梁传递给边梁构件，由轮对传递给地面铁轨，车载设备的重量使加在车架上的力均衡化，保证了平台车运行的平稳。
轮对是轨道列车所有零部件中最基本的部件，承担着支撑车体重量及行走的重要使命。车轮主要由轮毂、轮辐和轮辋三部分组成，车轮的材质采用铝合金材料，可恰当利用过盈配合的特点，既节约较昂贵的优质钢，又能满足车辆运行、加减速的要求，实现设备轻量化。铝合金轮相比钢制轮有诸多优势：（1）散热好：铝合金的传热系数比钢材大三倍。车辆在行驶过程中轮对与轨道以及制动片的摩擦會产生出很高热量，铝合金轮相比钢制轮能更快地将这些热量传导到空气中，延长轮对使用寿命。（2）重量轻：铝合金轮的比重小于钢制轮，更轻的轮对可减少起步和加速时的阻力，使车辆速度满足测速试验要求。（3）精度高：铝合金轮铸造的精密程度远高于钢制轮，失圆度及不平衡重较小，弹性模数小，抗振性能优于钢制轮毂，能更好地减小平台车的振动。 （三）传动系统。动车轮轴属于横截面为圆形的回转体，轴上零件大部分为回转件。其主要作用是支撑机器中的其他回转零件，如齿轮、飞轮等，为传动零件间传递运动和动力。本平台车设计的传动方案采用动车的转动芯轴结构形式，外圈固定装配在车体纵向边梁上，内圈装配在车辆转轴的轴端；车体重量以径向力的形式加在轮轴两端，轮轴与滚动轴承内圈固定，滚动轴承外圈与车体固定，运行时车轴、车轮和圆柱滚子轴承内圈一起旋转。
轴芯采用市面标准材质，并按1∶5比例缩小直径，转轴中部外加焊接传动齿轮，采用链条传动结构，由牵引电动机经减速器传递动力。与传统的皮带驱动相比，链条驱动方式的传动可靠、耐久性好并且还可节省空间，整个系统由齿轮、链条和张紧装置等部件组成，通过张紧装置调节链条张力，微型平台车的运行安全、可靠性将得到很大提升，牵引电机的使用、维护成本也会降低。
（四）速度控制系统。在工业时代早期，直流电机调速一直占据主导地位。直流调速具有宽广的调速范围，良好的转矩控制特性，具有低转速大力矩等特点。直流调速器是调节直流电动机速度的设备。上端和电源连接，下端和直流电动机连接，直流调速器将交流电转换成两路输出直流电源，一路输入给直流电机励磁（定子），一路输入給直流电机电枢（转子），直流调速器通过控制电枢直流电压来调节直流电动机转速。同时，直流电动机给调速器一个反馈电流，调速器根据反馈电流来判断直流电机的转速情况，必要时修正电枢电压输出，再次调节电机的转速。但是直流电机也存在弱点，就是电流的换向问题，换向器在换向过程中受到换向片间电压与换向电流的限制，换向片成本高，消耗有色金属较多，运行中的维护检修也比较麻烦。
交流变频调速器的性价比不断提高，早已从最初用于风机、泵类的调速过渡到精度要求高、响应快的高性能调速指标的工业现场。本方案首选变频器调速方案。变频器调速原理是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，通过改变交流电机供电的频率和幅值，改变其运动磁场的周期，达到平滑控制电动机转速的目的。能实现对交流异步电机的软起动、变频调速，提高运转精度，改变功率因素、过流、过压、过载保护等功能。变频器体积小、重量轻，使得复杂的调速控制简单化，安装在平台车上有利于节约空间，操作简单方便，有利于速度控制系统的实现。
（五）制动控制系统。使用电气制动和机械制动的方式相结合，进行制动系统的设计。车辆的电气制动方式有能耗制动、再生制动和反接制动等。牵引电机带动车辆运行，控制定子频率，使得运行速度高于同步速度，电机输出推力与运行方向相反，电机处于发电运行状态，将车辆动能转化为电能反馈给供电电源属于再生制动。再生制动存在的问题是列车在低速时制动力较小，为了弥补电制动力的不足可以应用反接制动。反接制动是通过改变电源相序，产生与转子惯性的前进方向反向的制动力矩。如处理不当，车辆将失稳或发生反向行驶，因此要及时切除。牵引电机电气制动运行时，如果利用制动电阻将其产生的电能的消耗掉，这种制动为能耗制动。能耗制动技术成熟，但需要额外的设备，即制动斩波器和制动电阻。独立的变频器模块包含以上的几种电气制动方式，轨道微型车的制动可采用以电气制动为主、机械闸瓦制动为辅的方式。
为了使轨道微型平台车运行安全、平稳，需确保为开发系统用户预留器件的安装位置、尺寸空间和螺纹孔数量布局合理。若横轴和纵轴不平衡时，还可在车下悬挂配重来平衡车体的转矩。通过机电一体化技术的综合运用，本文旨在提出一种加工工艺简单化、车体轻量化、满足二次开发性能要求的轨道微型车系统构建解决方案，促使自主研发的实训设备更好地服务于专业的实践教学。
【参考文献】
[1]邵文东，李立东，周国东.我国铁路重载货车转向架技术及发展[J].铁道车辆，2012（12）
[2]苏雪，廖梦虎.动车车载平台设计初探[J].技术与市场，2015（22）
[3]李崇坚.大功率交流电机变频调速技术的研究[J].电力电子，2010（1）
【作者简介】刘晋宏（1984— ），男，硕士，柳州铁道职业技术学院实验师，研究方向：机电一体化技术。
（责编 卢 雯）
【关键词】轨道交通 微型平台车 系统 转向架 调速系统 制动系统
【中图分类号】G 【文献标识码】A
【文章编号】0450-9889（2017）01C-0189-02
随着城市轨道交通的快速发展和轨道交通类专业的开设，基于轨道交通的基础开发平台面临着巨大的发展机遇。在当前国家实施转型升级战略、提倡“大众创业、万众创新”的大环境下，为轨道交通实验室控制系统开发和教学用户设计与开发一个实用的移动式试验平台很有必要。
一、微型平台车系统的要求分析
（一）仿真性高。目前市场上对机车教学模型的开发还处于一片空白，现有的电动轨道车又称为轨道平车、电动平板车、台车、地爬车等，是一种厂内有轨电动运输车辆，需要在地面上铺设轨道，车体无方向控制装置只有前进后退方向，此种车辆结构简单、使用方便、承载能力大，因其方便、壮实、经济、实用、易清理等诸多优点，成为企业厂房内部及厂房与厂房之间短距离定点频繁运载重物的首选运输工具。可以看出，它们的功能往往只限于运送作业人员或搬运重量级物体，没有复杂的电气自动控制系统，没有车载控制系统，机械结构与真实机车相差甚远。
研发的微型平台车系统应尽量仿真机车转向架与车轮机械结构，满足轨道交通类专业实践教学资源的开发需求。具有可在真实轨道上在一定速度范围内实现加速、减速、停车等功能，并实时显示轨道车的动力电源、行驶速度和公里数等。车上安装有无线装置、多种数据通信接口和电源接口，便于用户在车体行进或运行过程中开展轨道交通各类控制系统的研究测试，进行教学设备的二次开发。
（二）制造成本低。轨道交通的现场设备价格昂贵，职业院校得到的资金投入有限，难以配套完善的车载系统设施用于教学。目前最常用的教学设备是轨道交通模拟沙盘系统，模拟轨道上使用的是电动小玩具车，但对于机车车辆和车载系统等课程难以开展实训教学，不利于提高学生的认知和动手能力。为迎合轨道交通技术快速发展和轨道交通类技术人才的培养需求，自主研发适用于室内、野外实验实训场地、制造成本低的仿真机车模型具有实际的意义。
（三）体微质轻化。据社会调查和外出交流了解，目前仅北京交通大学等少数重点院校拥有类似的用于教学用途的小型轨道车，作为轨道机车测速等的实验教学平台，开发的教学功能较为单一，而且自身质量重、体积大，仅适用于室内运行，不便于二次搬运。因此，应按合适比例缩减体积，车体外观尺寸（长*宽*高）控制在1800*1595*600 mm以内，采用轻型材料大幅度降低车重，设计一种易于搬运的多功能轨道微型车系统，降低职业院校轨道交通实训基地建设成本，为开展轨道交通控制系统实践教学、教仪研发的职业院校以及职工培训的轨道交通企业提供重要的基础平台。
二、微型平台车系统的构建
（一）动力驱动系统。微型平台车的动力来源主要是进行三个方案的比选：人力机械、交流工频电源、蓄电瓶。
人力机械动力方案可参考传统的“手摇车”，利用杠杆、曲轴、齿轮等机械装置驱动，时速可达20公里。但需由多人驾驶，前后需要人双手握住杠柄上下交替轧动，车子才能向前运行。铁路干线上的“手摇车”早已被淘汰，传统的人工动力难以让轮轴达到后续系统开发需要的转速，也不符合现代自动化控制技术的发展趋势，故不予采用。
交流工频电源供电，来源简单，市电直接接入，但需带电缆运行和行驶，不适合野外场地使用，可搬运性差，因此也不合适。
使用蓄电池实现短距离供电，可以随车装载蓄电池组，能耗少，易于实现。蓄电池作为微型平台车的动力装置，同时也作为车载电子模块的电力来源，可分两组独立实现，以免相互影响，蓄电池的性能优劣对微型平台车系统起到决定性作用。常用的蓄电池主要有密封铅酸蓄电池、镍—镉蓄电池、镍—氢蓄电池、锂离子蓄电池，蓄电池的选择既要保证微型车的供电功率，又要兼顾整车成本。密封铅酸电池在能量和寿命方面的确不如其他三种电池，但制造技术成熟，单体电压高，串联电池数量少，再循环利用率高，价格低廉几乎免维护，经过整流、逆变、升降压等技术手段可得到车载各类电源输出，无疑是性价比最高的首选方案。
（二）转向架机械系统。作为移动式的实验平台，转向架和轮对要从材料选择和尺寸比例两个方面来控制车身自重，以满足设备搬运的需要。平台车的车架是整个车体结构中重要的部件，是平台车在运行实验中直接承载的关键结构，其结构形式对平台车运行平稳及承载能力有着重要影响。
轨道交通车辆的转向架分为动车转向架和拖车转向架，动车转向架上装有牵引电机、齿轮箱、轮盘制动等，拖车转向架上装有轴盘制动，高速转向架普遍采用高强度合金钢轻量化构架、空心车轴、铝合金齿轮箱、空气弹簧、减振器等。构造速度在100 km/h以上，结构复杂，笨重，主要具有承载、导向、减振、牵引、制动等功能。
作为教学实验用途的微型轨道车，只作为车载设备的试验平台，无须搭载吨级以上的荷载，不考虑弯道的转向失稳等因素，因而可以大大简化真实机车转向架结构，以轻量化的铝合金材质替代笨重的铸钢材质。
车架采用框架梁式铝合金结构，由上下共4根横梁和2侧纵向边梁构件组成，运输车载设备时两纵向边梁构件为主要承载，边梁与横梁焊接在一起，受力通过横梁传递给边梁构件，由轮对传递给地面铁轨，车载设备的重量使加在车架上的力均衡化，保证了平台车运行的平稳。
轮对是轨道列车所有零部件中最基本的部件，承担着支撑车体重量及行走的重要使命。车轮主要由轮毂、轮辐和轮辋三部分组成，车轮的材质采用铝合金材料，可恰当利用过盈配合的特点，既节约较昂贵的优质钢，又能满足车辆运行、加减速的要求，实现设备轻量化。铝合金轮相比钢制轮有诸多优势：（1）散热好：铝合金的传热系数比钢材大三倍。车辆在行驶过程中轮对与轨道以及制动片的摩擦會产生出很高热量，铝合金轮相比钢制轮能更快地将这些热量传导到空气中，延长轮对使用寿命。（2）重量轻：铝合金轮的比重小于钢制轮，更轻的轮对可减少起步和加速时的阻力，使车辆速度满足测速试验要求。（3）精度高：铝合金轮铸造的精密程度远高于钢制轮，失圆度及不平衡重较小，弹性模数小，抗振性能优于钢制轮毂，能更好地减小平台车的振动。 （三）传动系统。动车轮轴属于横截面为圆形的回转体，轴上零件大部分为回转件。其主要作用是支撑机器中的其他回转零件，如齿轮、飞轮等，为传动零件间传递运动和动力。本平台车设计的传动方案采用动车的转动芯轴结构形式，外圈固定装配在车体纵向边梁上，内圈装配在车辆转轴的轴端；车体重量以径向力的形式加在轮轴两端，轮轴与滚动轴承内圈固定，滚动轴承外圈与车体固定，运行时车轴、车轮和圆柱滚子轴承内圈一起旋转。
轴芯采用市面标准材质，并按1∶5比例缩小直径，转轴中部外加焊接传动齿轮，采用链条传动结构，由牵引电动机经减速器传递动力。与传统的皮带驱动相比，链条驱动方式的传动可靠、耐久性好并且还可节省空间，整个系统由齿轮、链条和张紧装置等部件组成，通过张紧装置调节链条张力，微型平台车的运行安全、可靠性将得到很大提升，牵引电机的使用、维护成本也会降低。
（四）速度控制系统。在工业时代早期，直流电机调速一直占据主导地位。直流调速具有宽广的调速范围，良好的转矩控制特性，具有低转速大力矩等特点。直流调速器是调节直流电动机速度的设备。上端和电源连接，下端和直流电动机连接，直流调速器将交流电转换成两路输出直流电源，一路输入给直流电机励磁（定子），一路输入給直流电机电枢（转子），直流调速器通过控制电枢直流电压来调节直流电动机转速。同时，直流电动机给调速器一个反馈电流，调速器根据反馈电流来判断直流电机的转速情况，必要时修正电枢电压输出，再次调节电机的转速。但是直流电机也存在弱点，就是电流的换向问题，换向器在换向过程中受到换向片间电压与换向电流的限制，换向片成本高，消耗有色金属较多，运行中的维护检修也比较麻烦。
交流变频调速器的性价比不断提高，早已从最初用于风机、泵类的调速过渡到精度要求高、响应快的高性能调速指标的工业现场。本方案首选变频器调速方案。变频器调速原理是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，通过改变交流电机供电的频率和幅值，改变其运动磁场的周期，达到平滑控制电动机转速的目的。能实现对交流异步电机的软起动、变频调速，提高运转精度，改变功率因素、过流、过压、过载保护等功能。变频器体积小、重量轻，使得复杂的调速控制简单化，安装在平台车上有利于节约空间，操作简单方便，有利于速度控制系统的实现。
（五）制动控制系统。使用电气制动和机械制动的方式相结合，进行制动系统的设计。车辆的电气制动方式有能耗制动、再生制动和反接制动等。牵引电机带动车辆运行，控制定子频率，使得运行速度高于同步速度，电机输出推力与运行方向相反，电机处于发电运行状态，将车辆动能转化为电能反馈给供电电源属于再生制动。再生制动存在的问题是列车在低速时制动力较小，为了弥补电制动力的不足可以应用反接制动。反接制动是通过改变电源相序，产生与转子惯性的前进方向反向的制动力矩。如处理不当，车辆将失稳或发生反向行驶，因此要及时切除。牵引电机电气制动运行时，如果利用制动电阻将其产生的电能的消耗掉，这种制动为能耗制动。能耗制动技术成熟，但需要额外的设备，即制动斩波器和制动电阻。独立的变频器模块包含以上的几种电气制动方式，轨道微型车的制动可采用以电气制动为主、机械闸瓦制动为辅的方式。
为了使轨道微型平台车运行安全、平稳，需确保为开发系统用户预留器件的安装位置、尺寸空间和螺纹孔数量布局合理。若横轴和纵轴不平衡时，还可在车下悬挂配重来平衡车体的转矩。通过机电一体化技术的综合运用，本文旨在提出一种加工工艺简单化、车体轻量化、满足二次开发性能要求的轨道微型车系统构建解决方案，促使自主研发的实训设备更好地服务于专业的实践教学。
【参考文献】
[1]邵文东，李立东，周国东.我国铁路重载货车转向架技术及发展[J].铁道车辆，2012（12）
[2]苏雪，廖梦虎.动车车载平台设计初探[J].技术与市场，2015（22）
[3]李崇坚.大功率交流电机变频调速技术的研究[J].电力电子，2010（1）
【作者简介】刘晋宏（1984— ），男，硕士，柳州铁道职业技术学院实验师，研究方向：机电一体化技术。
（责编 卢 雯）