陳永恒 繆友文 馬順意 周麟 江海波

【摘 要】為了填補(bǔ)現(xiàn)有旅游業(yè)領(lǐng)域有軌蒸汽動(dòng)力小火車布局的空缺和相關(guān)運(yùn)營的不足，設(shè)計(jì)了一種集成實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的復(fù)古有軌蒸汽觀光小火車。該蒸汽動(dòng)力小火車動(dòng)力系統(tǒng)汽機(jī)使用鍋爐加熱后產(chǎn)生的具有一定壓力的蒸汽作為動(dòng)力源，以錐齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來完成動(dòng)力轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力充足供給；同時(shí)集成有運(yùn)營在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)車運(yùn)行實(shí)時(shí)管理，確保行車安全。該蒸汽動(dòng)力小火車的研發(fā)有利于拓展旅游產(chǎn)業(yè)，提高經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值。

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

中圖分類號(hào)：TU318 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(jī)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(yùn)輸?shù)拇笪枧_(tái)，在當(dāng)代視角下仍舊有著豐富的文化特色。基于蒸汽機(jī)車發(fā)展歷史形成了具有獨(dú)特吸引力的機(jī)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(jī)車攝影、機(jī)車駕駛、專列觀光等載體向人類講述鐵路運(yùn)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(tái)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(jì)快速發(fā)展，旅游消費(fèi)進(jìn)入一個(gè)快速發(fā)展的新階段，特色旅游已成為旅游市場(chǎng)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，蒸汽火車懷舊游是一種契合市場(chǎng)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(dòng)力火車，基本都是一些仿制火車外觀的電動(dòng)無軌觀光車，由于電動(dòng)無軌觀光火車的運(yùn)行距離等局限，導(dǎo)致其給游客帶來的感觀和體驗(yàn)不足。為了填補(bǔ)現(xiàn)有旅游業(yè)領(lǐng)域有軌蒸汽動(dòng)力小火車布局的空缺和相關(guān)運(yùn)營的不足，設(shè)計(jì)研發(fā)一款集成有在線監(jiān)測(cè)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(jì)初衷是增加旅游亮點(diǎn)，增加文化旅游氣息（小火車設(shè)計(jì)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(yàn)。因此在有軌蒸汽觀光小火車設(shè)計(jì)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(jī)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(jì)要素，設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)或內(nèi)燃機(jī)及其他動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，具有動(dòng)力機(jī)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(jì)為具有復(fù)古外觀設(shè)計(jì)以蒸汽機(jī)為動(dòng)力輸出機(jī)械的有軌觀光小火車，蒸汽機(jī)小火車具有高海拔山體和地海波的盆地適應(yīng)性強(qiáng)，燃料適用面廣的優(yōu)點(diǎn)。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(dòng)汽機(jī)活塞，使活塞做往返運(yùn)動(dòng)，把蒸汽轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力能，經(jīng)過齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)整車沿軌道行駛。整車設(shè)計(jì)有自動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)、自動(dòng)潤滑系統(tǒng)、人為控制速度功能、鍋爐汽包自動(dòng)泄壓功能等，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)有壓力觀察、水位觀察、行駛鳴笛警示、手動(dòng)排水排壓、前后行駛切換檔位、手動(dòng)排汽閥以及氣控剎車系統(tǒng)，保證整車行車安全。

2 整車機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(jī)構(gòu)、汽包機(jī)構(gòu)、沙箱機(jī)構(gòu)、自動(dòng)補(bǔ)水機(jī)構(gòu)、手動(dòng)補(bǔ)水機(jī)構(gòu)、汽機(jī)機(jī)構(gòu)、排氣機(jī)構(gòu)、錐齒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、換擋機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)、剎車機(jī)構(gòu)、底盤機(jī)構(gòu)、客座拖車機(jī)構(gòu)等組成。從車身人機(jī)工學(xué)、動(dòng)力供應(yīng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及行走控制系統(tǒng)等方面進(jìn)行科學(xué)有效設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)各機(jī)構(gòu)間匹配是該產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

2.1 鍋爐機(jī)構(gòu)

鍋爐是用來產(chǎn)生和貯存蒸汽的裝置，是機(jī)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(duì)過熱管里的蒸汽進(jìn)一步加熱，把它變成過熱蒸汽。鍋胴的頂部有一個(gè)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(tái)機(jī)車上一般至少裝兩個(gè)安全閥，超壓自動(dòng)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(shí)向鍋爐內(nèi)補(bǔ)水，鍋爐內(nèi)的水位和蒸汽壓強(qiáng)則通過水表、汽壓表觀察。

自動(dòng)補(bǔ)水機(jī)構(gòu)是在機(jī)車行走過程中自動(dòng)向鍋爐內(nèi)注射補(bǔ)水的機(jī)構(gòu)（見圖2）。因?yàn)殄仩t在機(jī)車行走過程中一直處于加熱狀態(tài)，鍋爐內(nèi)的水會(huì)變成蒸汽被消耗掉，自動(dòng)補(bǔ)水機(jī)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(dòng)箱內(nèi)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)偏心搖臂做固定軌跡運(yùn)動(dòng)，使活塞桿做往返運(yùn)動(dòng)，抽動(dòng)水箱內(nèi)的水向鍋爐內(nèi)注入。

2.2 蒸汽機(jī)機(jī)構(gòu)

蒸汽機(jī)是把蒸汽的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，讓機(jī)車產(chǎn)生動(dòng)力，推動(dòng)機(jī)車運(yùn)行的機(jī)構(gòu)。一臺(tái)機(jī)車上有兩套蒸汽機(jī)，裝在機(jī)車兩側(cè)。如圖3所示，蒸汽機(jī)由汽缸、氣室、配汽機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)機(jī)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(jìn)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(jìn)入汽缸后推動(dòng)活塞移動(dòng)?；钊挥谄浊岸藭r(shí)，汽閥操縱蒸汽從前端汽口進(jìn)入汽缸，推動(dòng)活塞向后運(yùn)動(dòng)；活塞到達(dá)后端時(shí)，蒸汽從后端汽口進(jìn)入，推動(dòng)活塞向前運(yùn)動(dòng)，通過前后兩個(gè)汽口不斷地交替進(jìn)汽，使活塞持續(xù)地作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在實(shí)際運(yùn)用中，活塞從一端向另一端移動(dòng)還沒有到頭時(shí)，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(jī)構(gòu)帶動(dòng)汽閥前后往復(fù)運(yùn)行，同時(shí)向汽缸內(nèi)配汽。配汽機(jī)構(gòu)由汽閥、偏心桿、月牙板、滑塊、半徑桿、回動(dòng)手把、回動(dòng)機(jī)等零部件組成。機(jī)車啟動(dòng)時(shí)，司機(jī)操縱汽閥回動(dòng)手把，打開汽閥，讓鍋爐里的蒸汽經(jīng)過汽室進(jìn)入汽缸，推動(dòng)活塞移動(dòng)，活塞帶動(dòng)活塞桿，再帶搖桿和機(jī)車主動(dòng)輪上的曲拐銷，推動(dòng)主動(dòng)輪滾動(dòng)，通過連桿帶動(dòng)其他動(dòng)輪同時(shí)滾動(dòng)。要停車時(shí)，司機(jī)操縱汽閥手把，關(guān)閉閥門，鍋爐內(nèi)蒸汽不再進(jìn)入汽室、汽缸，驅(qū)動(dòng)機(jī)車運(yùn)行的動(dòng)力也就消除了。活塞連著活塞桿，這是傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的一部分。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)其他部分還包括搖桿、連桿、曲拐銷，通過這些機(jī)構(gòu)，把活塞桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)變成車輪的滾動(dòng)。

2.3 機(jī)械傳動(dòng)制動(dòng)機(jī)構(gòu)

本產(chǎn)品設(shè)計(jì)的蒸汽小火車以圖4所示的錐齒輪驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)機(jī)械傳動(dòng)。 錐齒輪驅(qū)動(dòng)是通過錐齒輪把汽缸活塞推力轉(zhuǎn)換到輪軸上帶動(dòng)輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)整車行走。具體結(jié)構(gòu)是：汽缸帶動(dòng)活塞桿，活塞桿通過偏心曲柄盤帶動(dòng)與之相連接的曲柄軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。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(dòng)軸上斜齒輪轉(zhuǎn)換，帶動(dòng)傳動(dòng)軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。通過與傳動(dòng)軸相連接的小錐齒輪帶動(dòng)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(dòng)車輪做圓周運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)整車前進(jìn)或后退。剎車則設(shè)計(jì)成氣動(dòng)碟剎結(jié)構(gòu)，氣動(dòng)制動(dòng)器工作原理是通過給氣動(dòng)制動(dòng)器氣缸里輸入高壓氣體，從而推動(dòng)活塞做直線運(yùn)動(dòng)，使制動(dòng)器摩擦塊夾緊，從而產(chǎn)生摩擦力而制動(dòng)，再依靠制動(dòng)器內(nèi)的復(fù)位彈簧活塞實(shí)現(xiàn)復(fù)位，氣動(dòng)制動(dòng)器應(yīng)具有良好的散熱性，氣動(dòng)制動(dòng)器用安裝架固定在車輪軸一側(cè)。

2.4 底盤及行走機(jī)構(gòu)

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

行走機(jī)構(gòu)是通過汽機(jī)帶動(dòng)齒輪傳動(dòng)車輪軸，從而使車輪做圓周運(yùn)動(dòng)來帶動(dòng)整車在設(shè)定軌道上行走。行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)有減震彈簧，有助于乘坐舒服，行走機(jī)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(yùn)營在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為提高服務(wù)效率及運(yùn)營安全性，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)蒸汽機(jī)車的運(yùn)營進(jìn)行在線數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析及反饋、現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)控等，從而滿足不同用戶的需求。蒸汽小火車的運(yùn)營在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一套包括：機(jī)車運(yùn)行信息采集、電子支付、安全監(jiān)控、信號(hào)反饋控制、運(yùn)營數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的綜合系統(tǒng)。機(jī)車在運(yùn)行過程中通過信息采集系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)機(jī)車運(yùn)行時(shí)長、車速、蓄電池充電、氣壓表及行駛里程等數(shù)據(jù)，方便機(jī)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(jī)掃碼完成支付，通過閘口進(jìn)行候車乘車；信號(hào)反饋系統(tǒng)是機(jī)車到站停車和運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)與信息中心發(fā)送與接收的運(yùn)行信息，如系統(tǒng)接收運(yùn)行車輛到站距離，司機(jī)通過信號(hào)反饋提前操縱車輛的控制系統(tǒng)對(duì)機(jī)車進(jìn)行減速，做好進(jìn)站準(zhǔn)備工作，游客對(duì)車輛到站和出站等重要信息也實(shí)時(shí)掌握；運(yùn)營數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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(shí)段分析與統(tǒng)計(jì)，優(yōu)化運(yùn)行時(shí)間和時(shí)長，提高乘客旅游感受度。運(yùn)營在線系統(tǒng)的信息化運(yùn)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(gè)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(jí)及客戶服務(wù)手段信息化已成為發(fā)展的趨勢(shì)。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(dú)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(duì)有軌蒸汽觀光小火車的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并提出開發(fā)運(yùn)營在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)復(fù)古有軌蒸汽觀光小火車在運(yùn)行過程中機(jī)車運(yùn)行狀況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、運(yùn)行情況智能化數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等，該蒸汽動(dòng)力小火車的研發(fā)為建設(shè)特色旅游項(xiàng)目，提升旅游產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平，提高景區(qū)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值附加值提供了可能。

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