關(guān)于地鐵列車結(jié)構(gòu)及構(gòu)造原理的探討

邵微

摘 要：地鐵列車通過自動駕駛系統(tǒng)、牽引制動裝置，或者是車鉤、轉(zhuǎn)向架等具有高度牽引力的裝置，共同保證地鐵運行的高速、平穩(wěn)、安全運行。本文通過對地鐵列車構(gòu)造、性能等基本信息的了解，對我國地鐵列車結(jié)構(gòu)及構(gòu)造原理進行分析，了解地鐵列車的主要組成。

關(guān)鍵詞：交通工具；地鐵列車；結(jié)構(gòu)；構(gòu)造原理

中圖分類號：U451 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）04-0075-02

地鐵列車大大方便了人們的出行和城市環(huán)境的設(shè)計，地鐵列車已經(jīng)成為人們出行首選的交通工具，對人們的生活水平有著很大程度的影響。目前，我國面對科技化程度不斷提高、人們對于出行的要求不斷加深的情況，地鐵工程設(shè)計也在持續(xù)的進行改進，在符合我國實際狀況的前提下，不斷完善其性能，對地鐵列車進行提速，并且逐步擴大其安全性能，保證地鐵工程建設(shè)的穩(wěn)定。

1 地鐵列車簡介

1.1 構(gòu)造方面

地鐵列車采取動力分散的構(gòu)造模式。根據(jù)車輛運行的實際狀況，把地鐵列車以動力車和非動力車相結(jié)合的方法進行組合，并在車輛兩端設(shè)置控制臺。為了滿足不同列車運行區(qū)間、不同地形、客流狀況以及運行模式等，地鐵車輛的設(shè)計是非常嚴謹?shù)?。在車輛前期設(shè)計時，需要綜合考慮線路條件、客流量、運營模式等，同時也要考慮到地鐵列車維修因素，盡力使用規(guī)范的方式進行設(shè)計。

1.2 結(jié)構(gòu)方面

目前地鐵車輛的設(shè)計不斷減輕其運行重量，采取相對更簡便的材料進行設(shè)計，目前主要使用大斷面中空擠壓鋁型材和不銹鋼模塊化進行車身的設(shè)計，使其車身均勻受力；懸掛裝置可以在很大程度上減輕車輛的振動；制動裝置以電氣和空氣相結(jié)合的綜合裝置；[1]各個車廂之間的串聯(lián)使用密貼式車鉤進行自動化的銜接；車廂之間使用通過量強的封閉式全貫通道。

1.3 運行性能

地鐵列車的設(shè)計要求有非常強的安全性以及穩(wěn)定性，因為它服務(wù)于人口密集的城市，是人們信賴的交通工具。另外，要保證地鐵車廂內(nèi)環(huán)境的舒適，為旅客營造一個舒適、溫馨的出行環(huán)境，滿足人們的出行需求。

1.4 運行方式

在運行方式上，地鐵列車采取自動駕駛系統(tǒng)ATO。主牽引傳動使用的是性能突出的調(diào)頻調(diào)壓交流傳動；輔助系統(tǒng)采用的是IG-BT技術(shù)。

1.5 基本構(gòu)造

雖然地鐵列車由于實際狀況的不同，有很多種組成形式，但是萬變不離其宗。在機械方面，主要有車體、車鉤以緩沖裝置、車門、轉(zhuǎn)向架、空氣制動、通風(fēng)裝置等幾部分組成；在電氣部分，主要由牽引制動裝置、輔助系統(tǒng)、列車控制系統(tǒng)、故障診斷裝置、通信設(shè)備以及自動控制裝置組成。

2 地鐵列車結(jié)構(gòu)及構(gòu)造原理

2.1 機械部分

2.1.1 車體

車體按照材質(zhì)可分為碳鋼車體、不銹鋼車體以及鋁合金車體，地鐵車輛主流車體為不銹鋼車體和鋁合金車體，車體采用模塊化設(shè)計，主要由底架、側(cè)墻、端墻和車頂組成。不銹鋼車體不僅輕量化，而且耐腐蝕性優(yōu)越，不但減少了維修工作量和維修費用，而且延長了車輛的使用壽命。不銹鋼車輛金屬板件之間連接的主要形式就是點焊，它分布在車身的各個部位，數(shù)量多達數(shù)萬個。鋁合金車體采用大型中空型材，重量輕、耐腐蝕、外觀平整度好和易于制造復(fù)雜美觀曲面車體的優(yōu)點。頭車司機室外部采用玻璃鋼材質(zhì)，不僅外觀優(yōu)美，同時具有較好的流線型來減小風(fēng)阻，通過螺栓或者鉚釘與車體骨架連接。對于車身的裝扮和車輛內(nèi)部的內(nèi)飾，可以通過城市的特點，以及贊助商的不同狀況進行裝飾，滿足人們的不同視覺感受。

各個車廂之間的連接通過貫通道銜接，它具有良好的防雨、防風(fēng)、防塵、隔音、隔熱等功能，能夠使旅客安全地穿行于車廂之間，保護不受外力損害，同時可適應(yīng)車體在任何轉(zhuǎn)變及穿越路口時車廂之間產(chǎn)生的移動。貫通道方案根據(jù)有無側(cè)護板可劃分為無側(cè)護板式貫通道、一塊側(cè)護板式貫通道、三塊側(cè)護板式貫通道，從曲線運動、安裝維護、隔聲降噪等多個技術(shù)要求上考慮，無側(cè)護板技術(shù)性能最佳。

2.1.2 車門

車門是地鐵車輛的重要組成部分，目前客室車門主要有外掛式門、塞拉門和內(nèi)藏式水平移門?？褪臆囬T從物理、熱能和噪音將內(nèi)部和外部環(huán)境隔離開并由駕駛室經(jīng)車輛控制器控制。車輛控制器和每個客室車門帶的門控器連接。 門控器處理所有與門系統(tǒng)各門相關(guān)驅(qū)動指令。每個客室車門安裝有手動緊急操作系統(tǒng)。車門驅(qū)動力一般以雙向工作的電機或者壓縮空氣驅(qū)動傳動風(fēng)缸，運用皮帶傳動與絲桿設(shè)備進行傳動。車門的開關(guān)主要是通過電子門控單元來實現(xiàn)，駕駛室有車門的控制裝置，通過電子門控單元傳達的信號進行車門的開啟與關(guān)閉。車門機構(gòu)處設(shè)置有行程開關(guān)或微動開關(guān)，用于監(jiān)測車門的位置以及狀態(tài)，保證車門開啟和關(guān)閉正常，防止出現(xiàn)安全問題。

移動門特別是外掛門的安全性較低，只適合配備在運行速度較慢的地鐵列車上。因為外掛門處于懸掛狀態(tài)，沒有有力的支撐，在車輛運行遭遇到大的阻力時，這時懸掛門便會有一定的安全隱患，對車輛運行的安全造成影響。而移動門要去車身與車門之間有很大的間隙，會降低密封性，使得車廂內(nèi)隔音效果很大，容易造成噪音污染。同時當車輛運行的速度不斷加快，車廂內(nèi)便會有風(fēng)吹入，影響車廂內(nèi)部空間的舒適度。并且在車輛經(jīng)過特殊的地形時，車廂內(nèi)壓力的變化會對車門的移動造成一定的影響，降低其開關(guān)門的速度，同時壓力變動也會造成箱體內(nèi)部舒適度的減低。塞拉門密封性好，且與車體保持較好的流線型，外觀優(yōu)美，空氣阻力小，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修量大，且故障率也偏高。

2.1.3 車鉤及緩沖裝置

車鉤緩沖裝置是車輛最基本的也是最重要的部件之一。它是用來連接列車中各車輛使之彼此保持一定的距離，并且傳遞和緩和列車在運行中或在調(diào)車時所產(chǎn)生的縱向力或沖擊力，并且實現(xiàn)電路裝置和氣路裝置的完美銜接。

車鉤及緩沖裝置主要有三種種類，分別是自動車鉤、半自動車鉤以及半永久牽引桿。三種車鉤普遍的特點是設(shè)置可復(fù)原能量吸收裝置，能保證車輛受到的傷害降低。不同點表現(xiàn)在自動車鉤和半永久牽引桿還配備超載保護系統(tǒng)，不可復(fù)原的可壓潰變形管，采用性能突出的密接式車鉤，通過車廂盡頭的凹凸槽進行連接，能夠增加連接的緊密性[2]。密接式車鉤連掛時兩鉤間的間隙很小，彼此不能作相對移動。旅客列車采用這種車鉤能減輕起動和制動時車輛前后沖撞，從而提高舒適性；在發(fā)生事故時，可防止車輛傾覆、攀爬和套車等，以增進安全性。有的密接式車鉤還帶有風(fēng)管和電路的自動連結(jié)接頭，稱為多功能密接式車鉤、地鐵車輛的全自動車鉤和半自動車鉤基本都是用密接式車鉤這種類型。

2.2 電器部分

2.2.1 牽引及電制動裝置

列車牽引系統(tǒng)一般采用VVVF逆變器-異步牽引電動機構(gòu)成的交流電傳動系統(tǒng)，牽引電制動裝置主要由高壓電器箱、母線高速斷路器及接觸器箱、線路電抗器、牽引逆變器箱、制動電阻箱、牽引電機等裝置組成，經(jīng)受流裝置將直流電由牽引逆變器變換成頻率、電壓均可調(diào)的三相交流電，向異步牽引電動機供電，牽引電機產(chǎn)生的扭矩經(jīng)過齒輪驅(qū)動列車的運行，并在列車制動時把動能轉(zhuǎn)化為電能從新傳達給電網(wǎng)，或者轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢詡鬏數(shù)臒崮堋?/p>

電制動裝置主要有再生反饋制動以及電阻制動。再生反饋制動以與牽引相反的運行模式，電阻制動將產(chǎn)生的電能通過電阻分解掉。目前由于電阻制動性能的不穩(wěn)定，在載客人數(shù)較多或者速度較快的情況下，不能到達列車運行的標準，通常還需要氣制動與其相互照應(yīng)，共同完成制動工作。

2.2.2 輔助系統(tǒng)

輔助電源系統(tǒng)的運行獨立于牽引系統(tǒng)， 為保證輔助電源系統(tǒng)的高可用性及避免電壓中斷，設(shè)置采用列車輔助專用高壓母線，并設(shè)置輔助高壓母線熔斷器，通過高壓輔助母線將列車的輔助電源輸入端并行連接起來。

輔助電源系統(tǒng)主要由輔助電源（含逆變器、DC110V充電機）、DC24V電源、輔助高壓電路、擴展供電電路等組成。輔助電源將直流電壓逆變成三相交流電壓（AC380V），為空調(diào)、空氣壓縮機、照明及控制電路等提供穩(wěn)定的三相四線制的交流電壓，并將交流電壓（AC380V）通過蓄電池充電機變換成蓄電池與低壓直流負載使用的DC110V電壓，DC24V則由DC/DC模塊提供。

蓄電池充電器的功能是在電力供應(yīng)出現(xiàn)問題時，及時通過蓄電池中的電力恢復(fù)車輛運行，是車輛運行的必要保證。車輛上的蓄電池充電器設(shè)置要能夠滿足45分鐘內(nèi)電壓在110V時電力的持續(xù)供應(yīng)，保證控制系統(tǒng)、照明、廣播、通風(fēng)、車門等系統(tǒng)的正常運行。輔助逆變器通過高壓反饋線與列車上的受電裝置相連，保證如果出現(xiàn)一個受電裝置出現(xiàn)故障，輔助逆變器也不會與電源分離，保證列車運行的安全與穩(wěn)定。

2.2.3 空調(diào)系統(tǒng)

空調(diào)機組的結(jié)構(gòu)型式一般為車頂單元式，只有制冷功能，安裝在車輛頂部，每節(jié)車安裝2臺。機組從蒸發(fā)腔底部回風(fēng)、蒸發(fā)腔底部送風(fēng)，新風(fēng)從機組蒸發(fā)腔兩側(cè)導(dǎo)入。新風(fēng)和回風(fēng)在回風(fēng)蒸發(fā)腔內(nèi)混合，經(jīng)回風(fēng)濾塵網(wǎng)過濾后，由蒸發(fā)器冷卻并通過送風(fēng)機送入客室內(nèi)，調(diào)整室內(nèi)溫度下降，并使其維持在較舒適的范圍內(nèi)?？照{(diào)機組的冷凝水通過機組底部的排水孔，直接排至車頂。空調(diào)機組的室外冷凝風(fēng)從機組頂部進入，通過冷凝器后，再從機組兩側(cè)面排出。司機室通過風(fēng)道將客室主風(fēng)道內(nèi)處理后空氣引入司機室，通風(fēng)單元設(shè)有風(fēng)量和風(fēng)向的調(diào)節(jié)裝置，達到司機室降溫目的。

客室座椅電加熱器均勻安裝在客室座椅下方，可自動實現(xiàn)對客室內(nèi)空氣進行加熱。

2.2.4 列車自動控制和診斷系統(tǒng)

列車控制和診斷系統(tǒng)TCMS作為整車控制系統(tǒng)，通過信號采集模塊，采集司機的操作指令、列車各個工況下的狀態(tài)等信號，經(jīng)過運算及邏輯處理，給出操作列車各部件的控制指令，通過MVB總線實現(xiàn)與牽引控制系統(tǒng)、空氣制動控制系統(tǒng)、輔助供電系統(tǒng)、信號系統(tǒng)、車門系統(tǒng)、廣播和視頻監(jiān)控系統(tǒng)等部件的數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)列車的通信管理、控制與故障診斷、信息顯示和事件記錄等主要功能。

TCMS可實現(xiàn)司機室激活控制、操作模式管理、牽引制動控制、方向控制、電制動管理、空調(diào)啟動控制、列車載荷管理、限速管理、通信狀態(tài)診斷等功能。

列車自動控制系統(tǒng)由自動駕駛、自動保護以及自動監(jiān)控三個方面組成。通過該控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)列車的自動控制，實現(xiàn)在速度變化出現(xiàn)異常時及時制止，在對列車實現(xiàn)實時監(jiān)控的基礎(chǔ)上，保證列車各個運行狀況的穩(wěn)定。自動駕駛控制列車的調(diào)速以及停車的相關(guān)過程；自動駕駛保證列車運行的速度與間隔達到相應(yīng)的標準，當出現(xiàn)與既定標準相異的狀況出現(xiàn)時，進行及時的制動，保護列車運行的安全；自動監(jiān)控實現(xiàn)列車的自動換道、變軌等任務(wù)。

3 結(jié)語

地鐵由于其運行地點的特殊性，還具有高舒適性、高速性以及其他優(yōu)點，這就保證地鐵在我國的普及程度。我國地鐵列車的設(shè)計會隨著技術(shù)的發(fā)展，不斷向著輕便型、自動化方面發(fā)展，這些都會促進我國地鐵的高速發(fā)展，解決出行問題，提升我國城市化程度。

參考文獻

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