集成实时监测系统的有轨蒸汽观光小火车的结构设计

陈永恒 缪友文 马顺意 周麟 江海波

【摘 要】为了填补现有旅游业领域有轨蒸汽动力小火车布局的空缺和相关运营的不足，设计了一种集成实时在线监测系统的复古有轨蒸汽观光小火车。该蒸汽动力小火车动力系统汽机使用锅炉加热后产生的具有一定压力的蒸汽作为动力源，以锥齿轮传动机构来完成动力转换，实现动力充足供给；同时集成有运营在线监测系统，实现机车运行实时管理，确保行车安全。该蒸汽动力小火车的研发有利于拓展旅游产业，提高经济产值。

【关键词】监测系统；有轨蒸汽小火车；观光；结构；设计

中图分类号：TU318 文献标识码： A 文章编号： 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

蒸汽机车曾经是人类工业文明的象征之一，即便已经全面退出铁路运输的大舞台，在当代视角下仍旧有着丰富的文化特色。基于蒸汽机车发展历史形成了具有独特吸引力的机车文化，全世界拥趸者众多。如今，它继续通过科普培训、机车摄影、机车驾驶、专列观光等载体向人类讲述铁路运输历史。其中用于观光的小火车最早起源于欧洲，国内外比较知名的蒸汽观光小火车有四川嘉阳观光小火车、台湾阿里山森林火车、挪威奥勒松？魡lesund小火车、瑞士少女峰小火车、墨尔本普芬森林小火车等[1-2]。随着我国经济快速发展，旅游消费进入一个快速发展的新阶段，特色旅游已成为旅游市场的核心竞争力，蒸汽火车怀旧游是一种契合市场需求的旅游产品[3]。目前市面上很少有那种复古有轨蒸汽动力火车，基本都是一些仿制火车外观的电动无轨观光车，由于电动无轨观光火车的运行距离等局限，导致其给游客带来的感观和体验不足。为了填补现有旅游业领域有轨蒸汽动力小火车布局的空缺和相关运营的不足，设计研发一款集成有在线监测系统的复古有轨蒸汽观光小火车。

1 整车工作原理

观光小火车设计初衷是增加旅游亮点，增加文化旅游气息（小火车设计复古或者符合景区的风格），为游客在景区旅游代步用，增加游客旅游体验。因此在有轨蒸汽观光小火车设计中应以人为本[4]，在严格满足国家游乐设施安全规范标准（GB8408-2008）和小火车类游艺机通用技术条件（GB/T18165-2008）标准的前提下，充分考虑人性化设计要素，设计出乘坐舒适、驾驶轻便的产品[5-6]。

观光小火车是一种在行驶在指定区域有轨或无轨路径上，以电动机或内燃机及其他动力驱动，具有动力机车和一节至四节车厢和乘用功能的游乐设备。本设计为具有复古外观设计以蒸汽机为动力输出机械的有轨观光小火车，蒸汽机小火车具有高海拔山体和地海波的盆地适应性强，燃料适用面广的优点。其主要工作原理是使用锅炉来加热水，水经过加热后产生一定压力的蒸汽，然后经过管道连接来驱动汽机活塞，使活塞做往返运动，把蒸汽转换成旋转的动力能，经过齿轮传动带动车轮转动从而带动整车沿轨道行驶。整车设计有自动补水系统、自动润滑系统、人为控制速度功能、锅炉汽包自动泄压功能等，控制系统设计有压力观察、水位观察、行驶鸣笛警示、手动排水排压、前后行驶切换档位、手动排汽阀以及气控刹车系统，保证整车行车安全。

2 整车机械结构设计

满足现有旅游业技术需求的有轨复古蒸汽小火车主要由锅炉机构、汽包机构、沙箱机构、自动补水机构、手动补水机构、汽机机构、排气机构、锥齿驱动机构、行走机构、换挡机构、控制机构、刹车机构、底盘机构、客座拖车机构等组成。从车身人机工学、动力供应和驱动系统以及行走控制系统等方面进行科学有效设计，实现各机构间匹配是该产品设计的重点。

2.1 锅炉机构

锅炉是用来产生和贮存蒸汽的装置，是机车的“心脏”。锅炉用钢板焊接而成，主要由火箱、锅胴、烟箱三部分组成（见图1）。火箱是烧液化天然气或煤碳的地方，分内外层，内层叫内火箱，外层叫外火箱，两层之间充满了水，火箱底部是炉床。锅胴在锅炉的中部，它的后端与外火箱相接，前端与烟箱连接，内部有大烟管、小烟管，大烟管里还装有过热管。液化天然气或煤碳在火箱里燃烧，通过内火箱板和小烟管加热锅炉水，并通过大烟管对过热管里的蒸汽进一步加热，把它变成过热蒸汽。锅胴的顶部有一个汽包，用来集聚蒸汽，汽包内装有汽门（调整阀）和安全阀，每台机车上一般至少装两个安全阀，超压自动起跳泄压，保证锅炉在使用过程中的安全。烟箱在锅炉的前端，烟箱内有通风、排烟装置。除了以上三部分，锅炉还装有注水器、水表、汽压表等必要的附屬装置，注水器可随时向锅炉内补水，锅炉内的水位和蒸汽压强则通过水表、汽压表观察。

自动补水机构是在机车行走过程中自动向锅炉内注射补水的机构（见图2）。因为锅炉在机车行走过程中一直处于加热状态，锅炉内的水会变成蒸汽被消耗掉，自动补水机构能很好的保证锅炉内的水位长期处在安全位置，其原理是使用传动箱内主轴转动带动偏心摇臂做固定轨迹运动，使活塞杆做往返运动，抽动水箱内的水向锅炉内注入。

2.2 蒸汽机机构

蒸汽机是把蒸汽的热能转变为机械能，让机车产生动力，推动机车运行的机构。一台机车上有两套蒸汽机，装在机车两侧。如图3所示，蒸汽机由汽缸、气室、配汽机构及传动机构等组成。

汽缸、汽室两头有连通蒸汽口。汽室中部与主蒸汽管相通，主蒸汽管来自烟箱。过热蒸汽从主蒸汽管进入汽室，汽室内装有汽阀。汽室两端通过排气道与烟箱上废汽喷嘴相通，汽缸内废气由此排出。汽缸内装有活塞，过热蒸汽进入汽缸后推动活塞移动。活塞位于汽缸前端时，汽阀操纵蒸汽从前端汽口进入汽缸，推动活塞向后运动；活塞到达后端时，蒸汽从后端汽口进入，推动活塞向前运动，通过前后两个汽口不断地交替进汽，使活塞持续地作往复运动。在实际运用中，活塞从一端向另一端移动还没有到头时，汽阀就停止给汽，这样可以充分利用蒸汽的热能，节约使用蒸汽。配汽机构带动汽阀前后往复运行，同时向汽缸内配汽。配汽机构由汽阀、偏心杆、月牙板、滑块、半径杆、回动手把、回动机等零部件组成。机车启动时，司机操纵汽阀回动手把，打开汽阀，让锅炉里的蒸汽经过汽室进入汽缸，推动活塞移动，活塞带动活塞杆，再带摇杆和机车主动轮上的曲拐销，推动主动轮滚动，通过连杆带动其他动轮同时滚动。要停车时，司机操纵汽阀手把，关闭阀门，锅炉内蒸汽不再进入汽室、汽缸，驱动机车运行的动力也就消除了。活塞连着活塞杆，这是传动机构的一部分。传动机构其他部分还包括摇杆、连杆、曲拐销，通过这些机构，把活塞杆的往复运动变成车轮的滚动。

2.3 机械传动制动机构

本产品设计的蒸汽小火车以图4所示的锥齿轮驱动方式实现机械传动。 锥齿轮驱动是通过锥齿轮把汽缸活塞推力转换到轮轴上带动轮轴转动从而带动整车行走。具体结构是：汽缸带动活塞杆，活塞杆通过偏心曲柄盘带动与之相连接的曲柄轴做旋转运动。曲柄轴上固定的斜齿轮通过与其成垂直十字交叉配合的传动轴上斜齿轮转换，带动传动轴做旋转运动。通过与传动轴相连接的小锥齿轮带动与其成垂直配合位置相连的大锥齿轮，大锥齿轮又与车轮轴连接，从而带动车轮做圆周运动，实现整车前进或后退。刹车则设计成气动碟刹结构，气动制动器工作原理是通过给气动制动器气缸里输入高压气体，从而推动活塞做直线运动，使制动器摩擦块夹紧，从而产生摩擦力而制动，再依靠制动器内的复位弹簧活塞实现复位，气动制动器应具有良好的散热性，气动制动器用安装架固定在车轮轴一侧。

2.4 底盘及行走机构

换挡机构是通过汽缸进气口里的换气滑块切换进出气口方向来控制机车的前进和后退运行的。其具体工作原理是：在切换过程中，机车必须完全停止运行状态，手动前后推动手柄切换带动汽缸进气口内的滑块，实现通过汽缸进气口的开合位置来控制汽缸左右缸的进汽顺序，使机车前进或倒退运行。

行走机构是通过汽机带动齿轮传动车轮轴，从而使车轮做圆周运动来带动整车在设定轨道上行走。行走机构设计有减震弹簧，有助于乘坐舒服，行走机构主要是由上下支撑板、上下牙弓、侧支撑、轴箱、轴箱座、减震弹簧等组装而成。

3 运营在线监测系统设计

为提高服务效率及运营安全性，采用物联网技术对蒸汽机车的运营进行在线数据采集、实时数据分析及反馈、现场视频监控等，从而满足不同用户的需求。蒸汽小火车的运营在线监测系统是一套包括：机车运行信息采集、电子支付、安全监控、信号反馈控制、运营数据统计的综合系统。机车在运行过程中通过信息采集系统统计机车运行时长、车速、蓄电池充电、气压表及行驶里程等数据，方便机车行驶情况分析；电子支付系统是一种方便快捷的支付系统，乘客通过手机扫码完成支付，通过闸口进行候车乘车；信号反馈系统是机车到站停车和运行过程中实时与信息中心发送与接收的运行信息，如系统接收运行车辆到站距离，司机通过信号反馈提前操纵车辆的控制系统对机车进行减速，做好进站准备工作，游客对车辆到站和出站等重要信息也实时掌握；运营数据统计分析是集门票销售额、乘客人数、游客游玩高峰期和低谷期时段分析与统计，优化运行时间和时长，提高乘客旅游感受度。运营在线系统的信息化运行依靠稳定高效的电器传感系统。电器传感系统是通过在配电箱内放置多个蓄电池作为能源。

4 结语

随着我国旅游行业的快速发展，旅游产业的升级及客户服务手段信息化已成为发展的趋势。观光小火车在自然景观为主的景区可作为交通设施的代步工具又可以以一种独特历史文化方式呈现给游客，具有很大的發展前景。本文通过对有轨蒸汽观光小火车的机械结构设计，并提出开发运营在线监测系统，实现复古有轨蒸汽观光小火车在运行过程中机车运行状况实时监测、运行情况智能化数据统计等，该蒸汽动力小火车的研发为建设特色旅游项目，提升旅游产业发展水平，提高景区经济产值附加值提供了可能。

【参考文献】

[1]李红琴. 浅议嘉阳小火车旅游线路及其相关景点英译[J].中共乐山市委党校学报， 2016， 18（3）：78-80.

[2]高戬.观光小火车串起太湖生态旅游产业带[J].唯实：现代管理， 2015（11）：14-15.

[3]史永海.关于建设秦岭旅游小火车的建议[J].陕西发展和改革， 2015（1）：33-33.

[4]雷增.观光小火车结构与设计来源[J].文化产业， 2015（4）：2-5.

[5]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB8408-2008 游乐设施安全规范[S].北京：中国标准出版社，2008.

[6]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T18165-2008小火车类游艺机通用技术条件[S].北京：中国标准出版社，2008.