动车组智能大件行李储物柜设计

2023-09-27张宇海曹永健张晨阳

科技创新与应用 2023年27期

李纯，张宇海，曹永健，张晨阳

（南京铁道职业技术学院，南京 210015）

目前乘坐动车组已经成为人们旅行生活热衷的选择，部分型号的动车组列车中设计有大件行李放置处，设置在车厢端部，但传统的大件行李架是一种普通的栏杆隔板，当人们需要放置大件行李时，由于行李较大较重，会优先将行李放置在下层，而上层行李架往往会被空置，造成资源浪费。即便乘客想要将行李放置在上层，往往需要花费很大的力气，而且在放置过程中存在安全隐患。因此本文以CR400BF 动车组为设计基础，充分利用车辆的有限空间，以使用者多元化、个性化的需求为导向，设计了一种垂直循环式大件行李智能储物柜。

1 总体设计

参考升降横移式、垂直循环式、垂直升降式和巷道堆垛式4 种技术成熟的立体车库原理，综合考虑CR400BF 动车组过道空间有限，为了使设计结构简单，避免占用太多空间，提高车厢内部空间利用率，最终选用垂直循环式立体储物柜的方案。结构如图1 所示。

图1 智能储物柜总体结构图

短编的CR400BF 动车组列车为8 辆编组，其中商务/一等车1 辆、商务/二等车1 辆、二等车4 辆、带无障碍设施二等车1 辆及餐车二等座合造车1 辆，本文以该车为设计基础，其中参考的尺寸为车厢长度25 000 mm；车体宽度3 360 mm；车顶距轨面高度4 050 mm。在实际运用过程中，除动力车顶部设有高压用电设备（如受电弓车顶避雷器）以外，还设有检修天窗、动车信号及电台系统。大部分车厢顶部空间是待用状态，车体长度为25 500 mm，除去水箱、空调设备，经计算可得知各车厢安装空间十分充足。

2 机械部分设计

2.1 主体支撑座

主体支撑座（图2）作为自动化行李架的主要部件之一，主要用于承载行李以及其余零件的重量和对单元托盘进行路径固化。利用图2 后方立柱来作为力传递的最后一部分，同时也对下部电机、齿轮等进行初步防护，两导轨轨迹通过对单元托盘利用空间最大化的计算得出，若需要整改或改进，需要重新进行计算。其材料选择合金钢（ss），合金钢具有较好的塑、韧性和强度，以及一定的硬度，能承受震动和冲击负荷，但切削能力差。

图2 主体支撑座

与主体支撑座连接的零件为传动链条组合、防倾倒定位器，两者与主体支撑座为间隙配合。传动链条组合安装于内部导轨，从缺口处安装，中间滚轮卡于中间缝隙处；防倾倒定位器安装于外部导轨，利用防倾倒伸出立柱与导轨接触产生支撑与导向作用。

2.2 传动链条座

传动链条座（图3）内设有卡槽，与传动链条组合中的滚轮相配合，从而起到固定与力的传递的作用。安装方法为从缺口处安装，中间滚轮卡于中间缝隙处，其材料选择合金钢（ss）。

图3 传动链条座

与传动链条连接的零件为传动链条组合，传动链条组合安装于内部导轨，从缺口处安装，中间滚轮卡于卡槽。

2.3 防倾倒定位器

防倾倒定位器（图4）作为自动化行李架的主要导向部件，单元托盘有3 格，可放置行李，该部件可以防止单元托盘出现倾斜现象，从而影响机器运行，是较为核心的部件。该零件与主体支撑座相配合，如需改动，则主题支撑座也需改动，产生连锁反应。其材料选择合金钢（ss）。该部件4 条立柱与主体支撑座间隙配合；空洞需安装轴承后与单元托盘格圆柱相连接，均使用过盈配合。

图4 防倾倒定位器

2.4 单元托盘格圆柱

单元托盘格圆柱（图5）作为自动化行李架的主要部件之一，主要用于承载单元托盘格所传递的重量以及提升板传递的动力。因需要与提升板、防倾倒定位器相配合，需在此部件上安装4 个轴承（两端各2 个），如需改进可增加轴承座。其材料选择AISI 1020 钢材料（20#钢），该材料含碳量为0.2%，属于低碳钢，其强度和硬度较低，塑性和韧性较好。该部件与轴承过盈配合，与单元托盘格过度配合。

图5 单元托盘格圆柱

2.5 单元托盘格

单元托盘格（图6）内设3 格行李格，用于放置行李。在保证承载以及单元托盘互不干扰的前提下可根据需要改变外形。为减轻该部件自重且符合行李最大承载需求，以轻木作为该部件材料。该部件与单元托盘格圆柱过度配合，不可发生相对位移。

图6 单元托盘格

2.6 提升板

提升板（图7）是传递动力元件，表面设有3 个通孔。图7 左侧2 个孔与传动链条组合中的链条穿销相连接，右孔用于连接单元托盘圆柱。当电机带动链条转动时，左孔与链条一同转动，从而带动单元托盘格圆柱。其材料选择合金钢（ss），合金钢具有较好的塑、韧性和强度，以及一定的硬度，能承受震动和冲击负荷，但切削能力差。该零件通过螺栓配合与传动链条组合相连接，右孔则与轴承采用过盈配合安装。

图7 提升板

2.7 传动链条组合

传动链条组合（图8）由2 片链条片、中间滚轮及穿销组成，是自动化行李架的主要传动部件之一。中间滚轮不但用于卡入传动链条座内卡槽，亦需要传递传动齿提供的动力。链条片采用AISI 1045 钢材料（45#钢），该材料冷塑性一般，退火、正火比调质时要稍好，具有较高的强度和较好的切削加工性，经适当的热处理以后可获得一定的韧性、塑性和耐磨性，材料来源方便。

图8 传动链条组合

2.8 传动齿片及传动轴

传动齿片及传动轴（图9）作用是将电机传递的动力传递给自动化行李架传动部分，该部件由2 片传动齿以及传动轴组成，采用过盈配合。其材料选择AISI 1020 钢材料（20#钢），该材料含碳量为0.2%，属于低碳钢，其强度和硬度较低，塑性和韧性较好。

图9 传动齿片及传动轴

2.9 升降机构

升降机构主要由电机、制动器、双级行星齿轮减速器、联轴器、开式齿轮和链传动等组成，其结构示意图如图10 所示。

图10 升降机构结构图

当需要存取行李的时候，行李箱自动控制系统发出信号，电动机开始转动，通过双级行星齿轮减速器进行第一次减速。减速器通过联轴器带动两级开式齿轮转动，进行第二次减速。第二级开式齿轮的大齿轮与链轮同轴，带动链轮转动，进而通过链条带动箱体完成升降运动。电机正转或者反转，可使箱体顺时针方向或者逆时针方向转动。

3 电气部分设计

由用户发出指令，以PLC 信号控制驱动电动机，对大件行李储物柜进行操作，PLC 中通过分析处理，控制气动门闭锁，在单元托盘上找到行李，输入位数，便会控制电动机以便用户取出行李，从而实现以PLC 程序实现控制储物柜。而滤波、稳压部分则是为了保证电路输出的波形平滑，滤除脉动成分，以实现输出的电压不随外界因素的变化而变化。

3.1 PLC 程序设计

PLC 主控台（图11）提供24 V 电压驱动电动机控制部分，用户放好行李后按下控制面板上的关门按钮，此时信息将通过控制系统传送到中心PLC 中，PLC 通过分析处理，从而控制气动门闭锁，当用户回来取行李时，只要在单元托盘上找到行李，输入单元托盘位数，PLC 便会控制电动机，将用户行李降到最下方，以便用户取出。

图11 PLC 接线图

3.2 稳压滤波电路设计

输出的波形尽量平滑，滤除脉动成分，在电容的选择上要选择大容量电容，保证放电时间，时间越长、脉动成分就会越少，电压也会更稳定。当电源电压增加时，电容会将电能进行存储，当电源电压减小时，电容会将所存储的电能进行释放，利用电容器来降低输出电压的纹波，使输出波纹比较平滑，达到较好的滤波效果，如图12 所示。