動車組智能大件行李儲物柜設計

李 純，張宇海，曹永健，張晨陽

（南京鐵道職業技術學院，南京 210015）

目前乘坐動車組已經成為人們旅行生活熱衷的選擇，部分型號的動車組列車中設計有大件行李放置處，設置在車廂端部，但傳統的大件行李架是一種普通的欄桿隔板，當人們需要放置大件行李時，由于行李較大較重，會優先將行李放置在下層，而上層行李架往往會被空置，造成資源浪費。即便乘客想要將行李放置在上層，往往需要花費很大的力氣，而且在放置過程中存在安全隱患。因此本文以CR400BF 動車組為設計基礎，充分利用車輛的有限空間，以使用者多元化、個性化的需求為導向，設計了一種垂直循環式大件行李智能儲物柜。

1 總體設計

參考升降橫移式、垂直循環式、垂直升降式和巷道堆垛式4 種技術成熟的立體車庫原理，綜合考慮CR400BF 動車組過道空間有限，為了使設計結構簡單，避免占用太多空間，提高車廂內部空間利用率，最終選用垂直循環式立體儲物柜的方案。結構如圖1 所示。

圖1 智能儲物柜總體結構圖

短編的CR400BF 動車組列車為8 輛編組，其中商務/一等車1 輛、商務/二等車1 輛、二等車4 輛、帶無障礙設施二等車1 輛及餐車二等座合造車1 輛，本文以該車為設計基礎，其中參考的尺寸為車廂長度25 000 mm；車體寬度3 360 mm；車頂距軌面高度4 050 mm。在實際運用過程中，除動力車頂部設有高壓用電設備（如受電弓車頂避雷器）以外，還設有檢修天窗、動車信號及電臺系統。大部分車廂頂部空間是待用狀態，車體長度為25 500 mm，除去水箱、空調設備，經計算可得知各車廂安裝空間十分充足。

2 機械部分設計

2.1 主體支撐座

主體支撐座（圖2）作為自動化行李架的主要部件之一，主要用于承載行李以及其余零件的重量和對單元托盤進行路徑固化。利用圖2 后方立柱來作為力傳遞的最后一部分，同時也對下部電機、齒輪等進行初步防護，兩導軌軌跡通過對單元托盤利用空間最大化的計算得出，若需要整改或改進，需要重新進行計算。其材料選擇合金鋼（ss），合金鋼具有較好的塑、韌性和強度，以及一定的硬度，能承受震動和沖擊負荷，但切削能力差。

圖2 主體支撐座

與主體支撐座連接的零件為傳動鏈條組合、防傾倒定位器，兩者與主體支撐座為間隙配合。傳動鏈條組合安裝于內部導軌，從缺口處安裝，中間滾輪卡于中間縫隙處；防傾倒定位器安裝于外部導軌，利用防傾倒伸出立柱與導軌接觸產生支撐與導向作用。

2.2 傳動鏈條座

傳動鏈條座（圖3）內設有卡槽，與傳動鏈條組合中的滾輪相配合，從而起到固定與力的傳遞的作用。安裝方法為從缺口處安裝，中間滾輪卡于中間縫隙處，其材料選擇合金鋼（ss）。

圖3 傳動鏈條座

與傳動鏈條連接的零件為傳動鏈條組合，傳動鏈條組合安裝于內部導軌，從缺口處安裝，中間滾輪卡于卡槽。

2.3 防傾倒定位器

防傾倒定位器（圖4）作為自動化行李架的主要導向部件，單元托盤有3 格，可放置行李，該部件可以防止單元托盤出現傾斜現象，從而影響機器運行，是較為核心的部件。該零件與主體支撐座相配合，如需改動，則主題支撐座也需改動，產生連鎖反應。其材料選擇合金鋼（ss）。該部件4 條立柱與主體支撐座間隙配合；空洞需安裝軸承后與單元托盤格圓柱相連接，均使用過盈配合。

圖4 防傾倒定位器

2.4 單元托盤格圓柱

單元托盤格圓柱（圖5）作為自動化行李架的主要部件之一，主要用于承載單元托盤格所傳遞的重量以及提升板傳遞的動力。因需要與提升板、防傾倒定位器相配合，需在此部件上安裝4 個軸承（兩端各2 個），如需改進可增加軸承座。其材料選擇AISI 1020 鋼材料（20#鋼），該材料含碳量為0.2%，屬于低碳鋼，其強度和硬度較低，塑性和韌性較好。該部件與軸承過盈配合，與單元托盤格過度配合。

圖5 單元托盤格圓柱

2.5 單元托盤格

單元托盤格（圖6）內設3 格行李格，用于放置行李。在保證承載以及單元托盤互不干擾的前提下可根據需要改變外形。為減輕該部件自重且符合行李最大承載需求，以輕木作為該部件材料。該部件與單元托盤格圓柱過度配合，不可發生相對位移。

圖6 單元托盤格

2.6 提升板

提升板（圖7）是傳遞動力元件，表面設有3 個通孔。圖7 左側2 個孔與傳動鏈條組合中的鏈條穿銷相連接，右孔用于連接單元托盤圓柱。當電機帶動鏈條轉動時，左孔與鏈條一同轉動，從而帶動單元托盤格圓柱。其材料選擇合金鋼（ss），合金鋼具有較好的塑、韌性和強度，以及一定的硬度，能承受震動和沖擊負荷，但切削能力差。該零件通過螺栓配合與傳動鏈條組合相連接，右孔則與軸承采用過盈配合安裝。

圖7 提升板

2.7 傳動鏈條組合

傳動鏈條組合（圖8）由2 片鏈條片、中間滾輪及穿銷組成，是自動化行李架的主要傳動部件之一。中間滾輪不但用于卡入傳動鏈條座內卡槽，亦需要傳遞傳動齒提供的動力。鏈條片采用AISI 1045 鋼材料（45#鋼），該材料冷塑性一般，退火、正火比調質時要稍好，具有較高的強度和較好的切削加工性，經適當的熱處理以后可獲得一定的韌性、塑性和耐磨性，材料來源方便。

圖8 傳動鏈條組合

2.8 傳動齒片及傳動軸

傳動齒片及傳動軸（圖9）作用是將電機傳遞的動力傳遞給自動化行李架傳動部分，該部件由2 片傳動齒以及傳動軸組成，采用過盈配合。其材料選擇AISI 1020 鋼材料（20#鋼），該材料含碳量為0.2%，屬于低碳鋼，其強度和硬度較低，塑性和韌性較好。

圖9 傳動齒片及傳動軸

2.9 升降機構

升降機構主要由電機、制動器、雙級行星齒輪減速器、聯軸器、開式齒輪和鏈傳動等組成，其結構示意圖如圖10 所示。

圖10 升降機構結構圖

當需要存取行李的時候，行李箱自動控制系統發出信號，電動機開始轉動，通過雙級行星齒輪減速器進行第一次減速。減速器通過聯軸器帶動兩級開式齒輪轉動，進行第二次減速。第二級開式齒輪的大齒輪與鏈輪同軸，帶動鏈輪轉動，進而通過鏈條帶動箱體完成升降運動。電機正轉或者反轉，可使箱體順時針方向或者逆時針方向轉動。

3 電氣部分設計

由用戶發出指令，以PLC 信號控制驅動電動機，對大件行李儲物柜進行操作，PLC 中通過分析處理，控制氣動門閉鎖，在單元托盤上找到行李，輸入位數，便會控制電動機以便用戶取出行李，從而實現以PLC 程序實現控制儲物柜。而濾波、穩壓部分則是為了保證電路輸出的波形平滑，濾除脈動成分，以實現輸出的電壓不隨外界因素的變化而變化。

3.1 PLC 程序設計

PLC 主控臺（圖11）提供24 V 電壓驅動電動機控制部分，用戶放好行李后按下控制面板上的關門按鈕，此時信息將通過控制系統傳送到中心PLC 中，PLC 通過分析處理，從而控制氣動門閉鎖，當用戶回來取行李時，只要在單元托盤上找到行李，輸入單元托盤位數，PLC 便會控制電動機，將用戶行李降到最下方，以便用戶取出。

圖11 PLC 接線圖

3.2 穩壓濾波電路設計

輸出的波形盡量平滑，濾除脈動成分，在電容的選擇上要選擇大容量電容，保證放電時間，時間越長、脈動成分就會越少，電壓也會更穩定。當電源電壓增加時，電容會將電能進行存儲，當電源電壓減小時，電容會將所存儲的電能進行釋放，利用電容器來降低輸出電壓的紋波，使輸出波紋比較平滑，達到較好的濾波效果，如圖12 所示。

圖12 濾波電路

穩壓電路（圖13）的主要作用在于當外界因素發生變化時，保證輸出的直流電壓不受影響。穩壓部分采用三端穩壓器來實現電壓平穩，將串聯的穩壓電源與保護電路集成在一起形成集成穩壓器，穩壓器包括輸入端、輸出端和公共端。

圖13 穩壓電路

4 結束語

垂直循環式大件行李儲物柜的設計包含機械部分設計、電氣部分設計，最終實現由用戶發出指令，觸發PLC 信號再由其發出控制信號來驅動電動機，從而控制儲物柜的所用動作。該設計可以充分利用動車組車體內部的有限空間，改善大件儲物的環境及條件，提升乘客的乘坐舒適度。