《城市轨道交通导论》-《城市轨道交通导论》-第5章

学习情境5城市轨道交通车辆任务5.1城市轨道交通车辆基础知识任务5.2城市轨道交通车辆机械系统

任务5.3城市轨道交通车辆电气系统下一页返回学习情境5城市轨道交通车辆

情境描述城市轨道交通车辆主要是指地铁车辆及轻轨车辆，是城市轨道交通系统中关键的重要机电设备，其选型和技术参数不仅是确定线路技术标准的基础，也是确定系统运营管理模式和维修方式的基本条件。轨道交通车辆具有先进性、可靠性和实用性，能够满足容量大、安全、快速、舒适、美观和节能的要求。上一页下一页返回学习情境5城市轨道交通车辆

教学导航（1）了解城市轨道交通车辆的特点。（2）掌握城市轨道交通车辆的分类、选用要素。（3）掌握城市轨道交通车辆选型的基本原则。（4）了解列车编组知识。（5）掌握城市轨道交通车辆机械系统的组成结构与工作原理。（6）掌握城市轨道交通车辆电气系统的组成结构与工作原理。上一页下一页返回任务5.1城市轨道交通车辆基础知识轨道交通车辆是城市轨道交通工程的最重要的设备，也是技术含量较高的机电设备。作为城市公共交通的旅客运载工具，不仅要保证运行的安全、准点、快速，而且要为旅客提供良好的服务条件，使旅客乘车舒适、方便，同时还要考虑对景观的影响。城市轨道交通车辆应具有以下特点：（1）载客能力强：大型地铁车辆可达350人/辆。（2）动力性能好：速度快，加速能力强，制动效果好。（3）安全可靠性高：设备先进，故障率低，稳定性、可靠性强，突发情况下适应性强。下一页返回任务5.1城市轨道交通车辆基础知识

（4）环境条件好：如照明系统、空调系统、内饰、座椅、扶手等。（5）灵活的牵引特征：可根据不同的线路特征，采用不同的牵引方式。（6）环保：污染小。（7）节能：车辆牵引动力常采用电力牵引。5.1.1城市轨道交通车辆的分类1.按车体宽度（车辆规格）分城市轨道交通车辆按车体宽度（车辆规格）可分为A、B、C三类车型，主要技术规格如表5-1所示。上一页下一页返回任务5.1城市轨道交通车辆基础知识

地铁系统主要采用A型车、B型车及直线电机B型车，轻轨系统主要采用C型车、直线电机C型车及有轨电车。2.按车体材料分1）碳素钢车自重11～13t，材料和制作成本低，耐腐蚀性能差，需要定期对车体进行维修保养，维修费用高，总成本最高。2）不锈钢车自重比碳素钢车轻1～2t，材料和制造成本较碳素钢车高，耐腐蚀，无须对车体进行定期维修保养，总成本最低。上一页下一页返回任务5.1城市轨道交通车辆基础知识

3）铝合金车自重比钢制车体轻3～5t，材料和制造成本最高，耐腐蚀性能较好，需要定期维护，总成本较高。铝合金车体的主要承载机构采用大型中空截面的挤压铝型材，以满足车体所需要的强度和刚度。3.按车载设备的不同分1）拖车（T）拖车（T）本身无动力牵引装置。Tc是指有司机室的拖车，又称为A车。上一页下一页返回任务5.1城市轨道交通车辆基础知识

2）动车（M）动车（M）本身有动力牵引装置。Mp是指车带有受电弓或车侧带有集电靴的动车，又称为B车。M是指不带受电弓，装有空气压缩机的动车，又称为C车。A车一般为一侧贯通式车厢，B车、C车为两侧贯通式车厢。5.1.2城市轨道交通车辆的选用要素1.客流特点城市轨道交通运送的主要对象是市内常住人口的上下班客流、车站和机场的集中到达客流、节假日及大型活动的集中客流、流动人口集中进出城市的客流等。上一页下一页返回任务5.1城市轨道交通车辆基础知识

2.客流量根据单向高峰每小时最大断面客流量判断，通常单向高峰每小时最大断面客流量在0.6万～1万人次，宜采用地面公共交通车辆；1万～3万人次可采用轻轨交通车辆；3万～7万人次应选择地铁交通车辆。3.旅行速度市区采用地面公交车辆，旅行速度为10～25km/h；市区交通采用轻轨、地铁交通车辆，旅行速度可为30～40km/h；城郊间采用快速轨道交通车辆，旅行速度为50～60km/h；城际区域间则要采用更高旅行速度的车辆。上一页下一页返回任务5.1城市轨道交通车辆基础知识

4.线路条件若由于地形限制，线路小半径、大坡度特别多，就要考虑采用单轨车辆、直线电机车辆或低速磁浮车辆。5.1.3城市轨道交通车辆选型的基本原则（1）以工程的主要技术条件（线路条件、供电电压）为依据，技术指标满足客运量及行车组织要求。（2）车辆应适应当地的环境和气候，考虑车辆降噪措施。（3）车辆的主要部件和设备应采用先进、成熟、安全、可靠且检修方便的产品。上一页下一页返回任务5.1城市轨道交通车辆基础知识

（4）在外形和色彩方面与城市环境统一和谐。（5）严格坚持车辆国产化的原则和有关政策。5.1.4列车编组车辆在运营时一般采用动车拖车组合、固定编组的形式，也可以采用全动车形式的固定编组形式，形成电动列车组。每列车的首车和尾车必须带有司机室。列车编组主要考虑车辆形式、编组辆数、动拖比三个要素。上海城市轨道交通3号线AC-3型列车有无司机室带受电弓的动车、无司机室不带受电弓的动车和带司机室的拖车三种车型，采用贯通式结构，以Tc*Mp*M三节车厢为一个单元。上一页下一页返回任务5.1城市轨道交通车辆基础知识

当采用六节编组时，排列为：-Tc*Mp*M=M*Mp*Tc-，采用八节编组时，排列为：-Tc*Mp*M=*Mp*M=M*Mp*Tc-。城轨中可以采用全动车编组，摘编方便，编组灵活。“-”为自动车钩，“=”为半自动车钩，“*”为半永久牵引杆。图5-1～图5-5所示分别表示不同城市轨道交通列车的编组情况，仅供参考。上一页返回任务5.2城市轨道交通车辆机械系统城市轨道交通车辆主要由车体、车门、车钩缓冲装置、转向架、制动装置、空调通风装置、车辆贯通装置组成，如图5-6所示。5.2.1车体车体是车辆的重要部件，支承在转向架上，车体底架下部及车顶上部安装大量机电设备，构成车辆的主体，是城市轨道交通司机工作、乘客乘坐的场所。1.车体的构成车体主要由底架、车顶、侧墙（左右各一）、端墙（前后各一）、车门及车窗组成的封闭式筒形承载结构，图5-7所示为北京地铁车辆的内部结构，图5-8所示为长春轻轨车辆的内部结构。下一页返回任务5.2城市轨道交通车辆机械系统底架主要由缓冲梁、枕梁、小横梁、大横梁等组成，主要侧梁作用体现在两个方面：一是承受车底上部荷载并传递给整个车体；二是承受各种原因引起的横向力和走行部传来的各种振动和冲击。牵引梁用于安装车辆的车钩及缓冲装置，将车辆连接组成列车，在车辆间传递牵引力及制动力。侧墙由上墙板、下墙板和窗间墙板组成。车顶由弯梁和圆弧形顶板组成。端墙由弯梁、车厢贯通道、立柱、墙板组成。车体内部设置照明、通信、空调、车门开闭装置、座椅、扶手或拉杆、拉手等。车体的整体结构如图5-9所示。上一页下一页返回任务5.2城市轨道交通车辆机械系统车辆在编组时，可采用贯通式或非贯通式的连接方式。贯通式车辆能有效调节车辆载客拥挤度，便于乘客疏散。2.车体材料目前，轨道交通车辆的车体材料主要为不锈钢和铝合金两种，早期为碳素钢车。3.车体的制造工艺车体的制造工艺一般采用铆接工艺和焊接工艺。车体组装的工艺就是：先做好六大模块，如图5-12所示；然后把车顶板、车顶边梁、车顶弯梁、端部面板模块、底板、中部面板模块铆接在一起，组成铝合金铆接车体。目前，铝合金车体多以搅拌摩擦焊为主，不锈钢车体多采用激光焊接、等离子弧焊接及冷金属过渡焊接。上一页下一页返回任务5.2城市轨道交通车辆机械系统4.车体的承载方式车体的承载方式有整体承载和底架承载两种方式。地铁车辆由底架、侧墙、车顶、端墙共同组成的筒形结构共同承载，即采用整体承载方式。5.车体的防撞设计带司机室的动车或拖车底架前端设有撞击能量耗散区，其上开有数排椭圆孔，当车辆受到意外撞击时，产生形变，吸收纵向缓冲能量，起到保护驾驶员、乘客和车体的作用。驾驶室前端安装的防爬装置，采用铝合金、高强度钢制造，可以承受100kN任一方向垂直力与1000kN水平力的合力，具有吸收能量的作用。上一页下一页返回任务5.2城市轨道交通车辆机械系统5.2.2车门1.车门的基本要求（1）具有足够的数量和有效长度。（2）车门要均匀分布，方便乘客上、下车。（3）车门附近有足够的空间。（4）具有较高的工作可靠性，以确保乘客的安全。2.车门的分类1）按驱动系统动力来源的不同分车门按驱动系统动力来源的不同可分为电动式车门和气动式车门。上一页下一页返回任务5.2城市轨道交通车辆机械系统2）按车门的运动轨迹以及与车体的安装方式分按车门的运动轨迹以及与车体的安装方式可分为内藏门、外挂门和塞拉门。5.2.3转向架转向架是支承车体并负担车辆沿着轨道走行的支承走行装置。它安装在车体与轨道之间，如图5-18所示。为了便于通过曲线，在车体和转向架之间设有心盘。转向架是车辆的一个独立部件，因而便于互换、制造和维修。1.转向架的作用上一页下一页返回任务5.2城市轨道交通车辆机械系统（1）增加车辆的载重、长度与容积。（2）支承车体，承受并传递从车体至轮轨的各种载荷及作用力，使各轴轴重均匀分配。（3）转向架相对车体可自由回转，使较长的车辆能自由通过小半径曲线，减少运行阻力与噪声，提高运行速度。（4）便于安装制动装置，传递制动力，满足运行要求。（5）便于安装弹簧减振装置，保证车辆具有良好的动力性能和运行品质。（6）便于安装牵引电机及减速装置，驱动轮对（或车轮），使车辆沿着轨道运行，此时转向架还传递牵引力。上一页下一页返回任务5.2城市轨道交通车辆机械系统2.转向架的构成转向架一般分为动车转向架和拖车转向架，其基本结构相同，部件具有互换性。动车转向架主要由构架、轮对轴箱装置（轮对、轴箱、轴连节）、弹性悬挂装置（横向减振器、垂向减振器）、制动系统、牵引电动机与齿轮箱等构成，如图5-19所示。5.2.4车钩缓冲装置城市轨道交通车辆是由车钩连接编组形成的列车。车钩轨道是车辆最基本的，也是最重要的部件之一。它用来连接列车各车辆，实现车辆之间机械、电气和气路的连接，并且传递与缓解列车在运行中或在调车时所产生的纵向力或冲击力。上一页下一页返回任务5.2城市轨道交通车辆机械系统1.车钩缓冲装置的作用1）连接作用使车辆和车辆能够联挂和解钩，并保持一定的距离。2）牵引作用把动车的牵引力传递给其他车辆。3）缓冲作用缓和与衰减运行中由于牵引力的变化和制动力前后不一致而引起的冲击和振动。上一页下一页返回任务5.2城市轨道交通车辆机械系统2.车辆缓冲装置的分类1）按两车钩之间能否彼此相对位移分车钩缓冲装置按两车钩之间能否彼此相对位移可分为刚性车钩和非刚性车钩。刚性车钩和非刚性车钩的主要区别在于：非刚性车钩允许两个连接的车钩钩体在垂直方向上有相对位移，发生连挂的车钩各自保持在各自的水平位置，成阶梯状，车钩钩体尾端相当于销接。刚性车钩不允许两连挂车钩在垂直方向存在相对位移，车钩钩体尾端具有完全的铰接。刚性车钩用于轻轨、地铁及高铁车辆。非刚性车钩主要用于铁路客车和货车。上一页下一页返回任务5.2城市轨道交通车辆机械系统2）按连接方法不同分车钩按连接方法不同可分为全自动车钩、半自动车钩和半永久牵引杆。全自动车钩可以实现机械、气路和电路的完全自动连挂、解钩或人工解钩，如图5-24所示。全自动车钩位于A车的前端，一般用于列车与列车间的相互联挂，主要是为了方便故障列车的救援及库内调车。半自动车钩的机械和气路连接机构与作用原理基本与全自动车钩相同，可以实现自动连挂、解钩或人工解钩，电路必须靠人工连挂和解钩，以方便检修作业，如图5-25所示。半自动车钩一般用于列车C-C车或B-C车之间的连接。上一页下一页返回任务5.2城市轨道交通车辆机械系统半永久牵引杆的机械、气路和电路的连接与解钩都需要人工操作，一般只有在架修以上的作业才进行分解，半永久牵引杆及连接状态如图5-26、图5-27所示。半永久车钩主要为了实现A-B车、B-C车能组成一个固定的单元。3.缓冲装置缓冲装置（橡胶缓冲器）能够保证缓冲和牵引装置的缓冲效果。车钩装有吸能装置，当吸能装置受到强烈冲击时就会压溃，从而可保护底架免受破坏。车钩还装有过载保护装置，当超过了橡胶缓冲器和吸能装置的吸收能力时，过载保护装置就释放了，一旦释放，车钩就与车辆分开，过载力就不会施加在车辆底架上。上一页下一页返回任务5.2城市轨道交通车辆机械系统5.2.5制动装置制动装置是列车的重要组成部分之一，其作用是使列车减速，以致在规定的距离内停车，保证列车行车安全和提高铁路通过能力。1.制动装置应具备的条件（1）操纵灵活，制动减速度大，作用灵敏可靠，车组前后车辆制动、缓解作用一致。（2）具有足够的制动能力，保证车组在规定的制动距离内停车。（3）尽量发挥电制动能力，减少对城市环境的污染和降低运行成本。上一页下一页返回任务5.2城市轨道交通车辆机械系统（4）制动装置应保证列车在长大下坡道制动时，其制动力不会衰减。（5）电动车组中所有车辆的制动能力应尽可能一致，制动系统应根据乘客量的变化，具有空重车调整能力，减少制动时的纵向冲动。（6）具有紧急制动能力。遇到紧急情况时，能在规定距离内安全停车。紧急制动作用除可由司机操纵外，必要时还可由行车人员利用紧急按钮进行操纵。（7）城市轨道交通列车在运行中发生诸如列车分离、制动系统故障等危及行车安全的事故时，应能自动起紧急制动作用。2.制动方式制动方式按动能的转移方式可以分为摩擦制动和动力制动两类。上一页下一页返回任务5.2城市轨道交通车辆机械系统5.2.6空调通风装置空调通风装置主要由压缩机、蒸发机、冷凝器、冷凝风机等组成。根据城市的自然条件和列车的运行环境，一些车辆还需要设置采暖装置，采暖一般采用电热器，安装在车厢的座椅或侧墙下方。5.2.7车辆贯通装置车辆贯通装置位于两节车厢的连接处，是连接两个车辆通道的重要组成部分。由波浪折棚、连接框、连接顶板、移动侧墙、滑动支承、锁紧装置、内饰板、连接框侧渡板组成，如图5-28所示。其主要作用体现在以下几个方面：上一页下一页返回任务5.2城市轨道交通车辆机械系统（1）车辆贯通装置使乘客可以在车厢之间流动，为乘客提供一个安全舒适的通道，从而使乘客均匀分布。（2）通过车辆贯通装置可以实现车辆之间的柔性连接，可以让相邻的两个车厢相对运动，是车辆通过曲线时的关节部。（3）车辆贯通装置具有良好的防雨、防风、防尘、隔音、隔热等功能。上一页返回任务5.3城市轨道交通车辆电气系统城市轨道交通车辆电气系统主要包括电气牵引传动系统、辅助供电系统、列车控制和管理系统。5.3.1车辆电气牵引传动系统1.受流器受流器是将外部电源引入车辆电源系统的重要设备，根据供电方式不同，可以分为集电靴和受电弓两种形式。集电靴主要用于第三轨供电线路,受电弓主要用于架空接触网供电的线路。下一页返回任务5.3城市轨道交通车辆电气系统车间电源是列车辅助的受流装置，主要应用于列车检修库内整车调试或部分设备需有电检查时使用。外部电源通过电缆插头与列车车间电源插座相连，供给列车电源系统。车间电源系统由电源插座盖、电源插座、熔断器、接触器及隔离二极管组成。2.电气牵引设备及其控制电路1）直流电气牵引系统直流电动机的调速性能适合于牵引的要求。车辆起动时需要很大的牵引力，以获得必要的加速度；随着车速的提高牵引力相应减小，其变化范围相当大，直流电动机的性能完全能够满足这样的要求。但是存在结构复杂、体积大、价格高、关键部分的换向器和电刷装置易损伤的缺点。上一页下一页返回任务5.3城市轨道交通车辆电气系统直流电动机采用变阻控制，其调速原理为：车辆启动时，加在电动机两端的电压要随着转速的提高由小变大逐渐增加，以保证稳定的启动电流。控制方法：用电阻器与电动机串联，通过改变电阻器的阻值来调节电动机的端电压，从而达到调速的目的。变阻控制的缺点：电阻调节分级进行，调速过程稳定性差；电阻调节使用的接触器需要定期维修保养；电阻器不可避免地损耗电能，还需要采取措施为电阻散热。上一页下一页返回任务5.3城市轨道交通车辆电气系统2）交流电气牵引系统交流电气牵引系统的控制方式是采用微机控制的交流调频调压技术。牵引逆变器主要由输入滤波器、三相逆变线路、制动斩波线路和控制线路组成。交流调频调压变速控制的优点是：采用交流异步牵引电动机、VVVF无接点控制，维修量大大减少；电气牵引系统小型化、轻量化；黏着性能好，提高了黏着能力。5.3.2辅助供电系统1.辅助供电系统的功能辅助供电系统为空调、照明、空压机、旅客信息系统、列车控制系统、车门驱动系统、蓄电池充电器等车载辅助设施供电。上一页下一页返回任务5.3城市轨道交通车辆电气系统2.辅助供电系统的供电方案1）旋转式电动发电机组供电电动机从受电装置获取直流电源，发电机输出三相交流电压向负载供电；对于直流DC110V和DC24V部分的用电设备，仍需通过三相变压器和整流装置变换后提供电源。应用车型：传统的城市轨道交通车辆上常采用此供电方案。2）静止式辅助逆变电源供电直接从城市轨道交通车辆受流装置受电，经DC/DC斩波变换后向三相逆变器提供稳定的输入电压，VVVF变频调压控制，逆变器输出三相交流电压。应用车型：近年京、沪、广等城市引进的城市轨道交通车辆上采用。上一页下一页返回任务5.3城市轨道交通车辆电气系统3.辅助供电系统的结构组成1）辅助逆变器辅助逆变器又称静止逆变器，是一种将直流电压变换为三相50Hz、380V/220V交流电源的能量变换设备，主要负载包括空调设备、空气压缩机、通风机、挡风玻璃除霜器、方便插座、客室照明及刮雨器等。2）直流电源采用直流DC110V电源，是车辆上控制电路的供电电源。同时兼作蓄电池的充电器，在正常工作时对蓄电池充电。3）隔离变压器上一页下一页返回任务5.3城市轨道交通车辆电气系统隔离变压器是保证电气设备及操作人员的安全，将高压用电设备与低压用电设备，尤其是需要人工操作的设备，进行电气隔离。通过设计不同的匝数比来满足不同的电压等级。4）蓄电池由5个单节/格×16格，共80节蓄电池串联而成的蓄电池组组成，如图5-32所示。安装在A车下的蓄电池箱内。采用纤维结构电极的镍镉碱性蓄电池，标称电压为1.23V/节。蓄电池组容量为120A·h，工作寿命为20年，是车辆辅助供电系统的直流备用电源。4.辅助供电系统设备的供电方式1）分散供电上一页下一页返回任务5.3城市轨道交通车辆电气系统每单元配备多个静止逆变器供电方式，如图5-33所示。每单元配置2台静止逆变器，容量为120kV·A/台，且每台含有DC110V电源，功率为12kW。分散供电冗余度大，均衡轴重好配置，但造价大些，且总重也高些。2）集中供电每单元配备一个静止逆变器的供电方式，如图5-34所示。每单元配置一台静止逆变器，容量250kV·A/台，且每台含有DC110V电源，功率为25kW。集中供电冗余度小，每轴配重难以一致，但相对而言，总重和成本低