地鐵列車結(jié)構(gòu)及構(gòu)造原理

地鐵列車是地鐵工程的靈魂和核心，起著穿針引線的重要作用，隨著科技日新月異，地鐵列車向更加輕量化、大載荷、高速度、高穩(wěn)定性方向發(fā)展，它已經(jīng)完全融入到我們的日常生活中，但它總給我們很神秘的感覺，本文將以更加詳實和通俗的筆觸來向大家揭開它的神秘面紗，讓大家更了解地鐵列車，更放心的乘坐地鐵列車，更低碳、綠色的出行。

一、車輛簡介 

地鐵車輛是地鐵用來運輸旅客的運輸工具，它屬于現(xiàn)代城市快速軌道交通的范疇。現(xiàn)代城市軌道車輛有如下特點： 

1從構(gòu)造上：列車采用動力分散布置形式。根據(jù)需要由各種非動力車和動力車（或半動力車）組合成相對固定的編組，兩頭設(shè)置操縱臺。由于隧道限界、車輛限界、設(shè)備限界的限制，車輛和其各種車載設(shè)備的設(shè)計要求相當(dāng)緊湊。在方便檢修的同時，盡量采用模塊化。 

2從結(jié)構(gòu)上，車體朝輕量化方向發(fā)展，主要采用大斷面中空擠壓鋁型材模塊化車體結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用整體承載結(jié)構(gòu)；懸掛系統(tǒng)具有良好的減振系統(tǒng)；采用電氣（再生制動和電阻制動）和空氣的混合制動；車輛連接采用密貼式車鉤進行機械、電氣、氣路的全自動連接；車輛間采用封閉式全貫通道，通過量大。 

3從運用性能上：由于地鐵的服務(wù)對象是城市高密度、大客流人群，并要與公交系統(tǒng)、小汽車形成競爭力，所以對其安全、正點、快捷上有很高的要求。同時要提供給乘客適當(dāng)?shù)目臻g、安靜的環(huán)境及空調(diào)，使乘客感到舒適、便利。 

4在運行方式上，應(yīng)用列車自動駕駛系統(tǒng)ATO。在主牽引傳動上，采用當(dāng)今世界先進的調(diào)頻調(diào)壓交流傳動。在輔助系統(tǒng)中，采用先進的IG-BT技術(shù)。 

車輛是地鐵系統(tǒng)中最關(guān)鍵，也是最復(fù)雜的設(shè)備，它是多專業(yè)綜合性 的產(chǎn)品，涉及機械、電氣、控制、材料等多領(lǐng)域?？傊囕v是通過各個相對獨立的子系統(tǒng)有機地結(jié)合在一起，共同來實現(xiàn)列車的安全、可靠、高品質(zhì)運行的。 

二、機械部分

1車體

一般車體采用模塊化設(shè)計。它包括自支撐構(gòu)架，用螺栓連接的司機室和中間端。車體構(gòu)架和中間端是由鋁合金大型型材和板組成，而司機室是由型鋼構(gòu)成的。焊接的型材與中間端和司機室端通過機械緊固裝置相互連接。司機室和中間端都由較大的玻璃鋼罩板覆蓋。通過車鉤系統(tǒng)中的壓潰管吸收能量。當(dāng)發(fā)生事故時車前端的防爬裝置能夠分散碰撞力。

 列車通過貫通道連接在一起，貫通道上設(shè)計有折棚和位于車鉤上的渡板。列車表面噴涂根據(jù)城市的特點進行。 

2車門

根據(jù)車輛運營環(huán)境的不同，選擇不同的車門。以廣州地鐵二號線車輛采用外掛式電控電動門為例。它由雙向作用的電機為驅(qū)動裝置，采用皮帶傳動及絲桿裝置作為傳動機構(gòu)。由EDCU（電子門控單元）來控制車門的開關(guān)及鎖定。在司機室操作控制按鈕，通過EDCU控制電機轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)車門的開關(guān)，并設(shè)有障礙物探測重開門。由行程開關(guān)給出車門的狀態(tài)信號，故障信號由EDCU通過編碼硬線傳送給VTCU（車輛及列車控制單元）。 

從安全可靠性上來講，移動門一般適用于速度低于100km/h的列車上。特別是外掛門，由于外掛門屬于外吊懸掛式結(jié)構(gòu)，下部懸空無支承。當(dāng)列車在隧道中運行，隨著速度的提高，其空氣的阻塞比大大增加，對外吊的懸掛門產(chǎn)生較大的壓力。如果門的結(jié)構(gòu)及強度不隨速度的提高而改進設(shè)計的話，車門會產(chǎn)生晃動等不穩(wěn)定因數(shù)，影響車門的安全可靠性。 

由于移動門的結(jié)構(gòu)決定車門與車體之間必須保證一定的間隙，因 此，移動門的密封性差。當(dāng)列車達到一定的行駛速度時（超過100km/h以上）便會產(chǎn)生車廂內(nèi)竄風(fēng)，給乘客帶來不適；在車輛進出隧道等外界壓力變化時，車內(nèi)壓力隨著變化，舒適性下降。由于移動門的密封性差，車輛走行部件產(chǎn)生的噪音很容易傳入車內(nèi)；同時由于移動門或凹或凸于車體，列車在行駛中會使附近的空氣產(chǎn)生渦流，空氣阻力大，也就限制了移動門的使用速度。 

塞拉門由于與車體在同一平面內(nèi)保持列車較好的流線型，所以具有密封性好、空氣阻力小等特點，但塞拉門的結(jié)構(gòu)較移動門復(fù)雜，且造價較高。 

車門的形式種類雖然各不相同，但實現(xiàn)的功能卻大同小異，性能參數(shù)也差不多。 

為了安全起見，逃生裝置在前端墻的中部，包括一個在頂部鉸接的大窗和位于兩個司機臺之間的一個梯子，正常情況該梯子折疊并隱藏起來。在列車不能到達下一站時，逃生裝置用于疏散乘客。

3車鉤及緩沖裝置 

車鉤緩沖裝置由車鉤及緩沖器等部件組成，裝在底架牽引梁上，是車輛的一個安全部件。其作用是： 

（1）將車輛互相聯(lián)掛，聯(lián)結(jié)成為一組列車；

（2）傳遞縱向牽引力和沖擊力；

（3）緩和車輛之間的動力作用；

（4）實現(xiàn)電路和氣路的連接。

車鉤緩沖裝置共分三種類型：自動車鉤、半自動車鉤、半永久牽引桿。三種車鉤均設(shè)有可復(fù)原能量吸收功能，采用橡膠緩沖器。在自動車鉤和半永久牽引桿上還設(shè)有超載保護裝置，不可復(fù)原的可壓潰變形管。其結(jié)構(gòu)均采用先進的密貼式車鉤，它是依靠相鄰車輛鉤頭上的凸錐和凹錐口互相插接，起緊密連接作用。其優(yōu)點是：節(jié)省人力，保證安全方便。缺點是：構(gòu)造較復(fù)雜，強度較低。所以適用于地鐵、輕軌等輕型軌道車輛上。 

4轉(zhuǎn)向架 

轉(zhuǎn)向架是支承車體并擔(dān)負(fù)車輛沿著軌道走行的支承走行裝置。為了便于通過曲線，在車體和轉(zhuǎn)向架之間設(shè)有心盤或轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)向架可以繞一中心軸相對車體轉(zhuǎn)動。為了改善車輛的運行品質(zhì)和滿足運行要求，在轉(zhuǎn)向架上設(shè)有彈簧裝置和制動裝置。對于動車，轉(zhuǎn)向架上還裝有牽引電機和減速機構(gòu)，以驅(qū)動車輛運行。轉(zhuǎn)向架主要由以下部分組成:輪對軸箱裝置、彈性懸掛裝置、構(gòu)架、制動裝置、牽引電機和齒輪變速傳動裝置、轉(zhuǎn)向架支承車體裝置。另外，在拖車轉(zhuǎn)向架上還安裝了ATC的通訊天線。

 車輛在軌道上運行時，由于線路的不平順、軌隙、道岔、軌面的缺陷和磨耗以及車輪踏面的斜度、擦傷和輪軸偏心等原因，常會伴隨產(chǎn)生復(fù)雜的振動和沖擊。為了提高運行的平穩(wěn)性必須設(shè)有彈簧減振裝置，空氣彈簧在改善車輛的動力性能和運行品質(zhì)上具有顯著優(yōu)點，被地鐵和輕軌廣泛應(yīng)用。為了改善車輛的振動性能，地鐵上大多采用液壓減振器。 

由于地鐵承擔(dān)運送乘客的任務(wù)，并且運行于地下隧道或高架線路上，要求轉(zhuǎn)向架有較低的噪聲和良好的減振性能，并且能適應(yīng)重載和空載變化的能力。一般廣泛采用空氣彈簧和橡膠彈簧作為彈性懸掛元件，彈簧減振裝置包括一系懸掛——人字形多層橡膠彈簧或者圓錐彈簧、二系懸掛——空氣彈簧、垂向液壓減振器、橫向液壓減振器、抗側(cè)滾扭桿和橫向橡膠緩沖擋。 

牽引傳動裝置在電動客車中占有十分重要的地位，是驅(qū)動列車運行的核心裝置。包括一個牽引電機，齒式聯(lián)軸節(jié)和齒輪。其作用是將牽引電機輸出的功率傳給輪對。車輛的驅(qū)動機構(gòu)是一種減速裝置，用來使高轉(zhuǎn)速、小扭矩的牽引電動機驅(qū)動阻力矩較大的動軸，對驅(qū)動機構(gòu)的要求：能使?fàn)恳妱訖C功率得到發(fā)揮；電動機電樞軸應(yīng)與聯(lián)軸節(jié)保證同心度，以降低線路不平對齒輪的動作用力。用方框圖來簡述傳動線路： 

牽引電機采用三相交流感應(yīng)電機，由于采用這一電傳動方式，牽引性能良好，運行可靠，使車輛具有良好的牽引制動性能。

5制動裝置 

據(jù)成熟地鐵經(jīng)驗，摩擦制動采用閘瓦制動。為了改善摩擦性能和增加耐磨性，大多數(shù)地鐵車輛采用合成閘瓦。但合成閘瓦的導(dǎo)熱性能較差，又選擇了導(dǎo)熱性能良好的產(chǎn)品——粉末冶金閘瓦。既具有較好的摩擦性能，又有良好的耐磨性。在閘瓦制動方式中，動能轉(zhuǎn)化為熱能的能力大，但熱能散于大氣的能力相對較小。當(dāng)要求的制動功率較大時，有可能發(fā)生產(chǎn)生的熱能不能散失到大氣中，而在閘瓦與車輪踏面積聚集，使他們的溫度升高，嚴(yán)重的會導(dǎo)致閘瓦熔化或車輪踏面產(chǎn)生裂紋。因此，在采用閘瓦制動時，對制動功率要有限制，即在車輛上安裝一定的防滑系統(tǒng)。 

動力制動在制動時，將牽引電機變?yōu)榘l(fā)電機，使列車動能轉(zhuǎn)化為電能，對這些電能的不同處理方式形成了不同方式的動力制動，主要有電阻制動和再生制動。其中的再生制動是把電動車組的動能通過電機轉(zhuǎn)化為電能后，再使電能反饋回電網(wǎng)給別的列車使用。顯然這種方式既能節(jié)約能源，又減少了制動時對環(huán)境的污染，并且基本上無磨耗，是當(dāng)前地鐵行業(yè)首選的制動方式。在制動控制系統(tǒng)方面，目前的制動系統(tǒng)主要有空氣制動系統(tǒng)和電氣制動控制系統(tǒng)，在比較兩者后，發(fā)現(xiàn)電氣制動更具有優(yōu)越性，電氣制動的主要優(yōu)點是全列車制動和緩解的一致性好，在制動和緩解時縱向沖擊小，制動距離短，便于做到動力制動和空氣制動的協(xié)調(diào)。 

6車輛內(nèi)部設(shè)備

車輛內(nèi)設(shè)包括服務(wù)于乘客的車體內(nèi)的固定裝置如車電、通風(fēng)、取暖、空調(diào)、座椅、拉手等和服務(wù)于車輛運行的設(shè)備裝置大多吊掛于車底架，如蓄電池箱、繼電器箱、主控制箱、電動空氣壓縮機組、總風(fēng)缸、電源變壓器、各種電器開關(guān)和接觸器箱等。故障率較高的空調(diào)需要經(jīng)常清洗，大多采用車頂修和拆卸修。此設(shè)備中，控制器的故障率較高，主要是影響客室環(huán)境，不對行車造成影響，需要使用大量的備件進行替換。 

三、電氣部分 

1牽引及電制動系統(tǒng) 

牽引及電制動系統(tǒng)是列車運行的核心裝置，包括高速斷路器、牽引逆變器及其控制單元、牽引電動機、聯(lián)軸節(jié)、齒輪箱、制動電阻，其作用是將從電網(wǎng)輸入的電能經(jīng)轉(zhuǎn)化后控制牽引電機的運轉(zhuǎn)，牽引電機輸出的功率傳給輪對驅(qū)動列車運行，列車制動時將列車的動能轉(zhuǎn)化成電能反饋回電網(wǎng)或送到制動電阻上變?yōu)闊崮苌l(fā)出去。牽引能量的傳送路徑如下： 

接觸網(wǎng)→受電弓→高速斷路器→牽引逆變器→聯(lián)軸節(jié)→齒輪箱→輪對。 

電制動一般有再生反饋制動和電阻制動兩種形式。再生制動的能量傳送路徑與牽引的正好相反，電阻制動則是電能從逆變器出來后進入制動電阻消耗掉?，F(xiàn)在的電制動系統(tǒng)由于逆變器功率元件的能力不足，在某些情況下如滿載、高速等，還不能滿足列車制動的全部需求，往往需要氣制動來補充。 

列車的高壓電路設(shè)計通常是1500V（750V）電從受電弓（集電靴）進入列車后，分開兩路。一路為牽引系統(tǒng)電路，經(jīng)各個動車的高速斷路器進入牽引逆變器VVVF（包括平波電抗器和電容充電電路），高速斷路器的作用是牽引電路的過電流和對地保護，一個高速斷路器保護一個或兩個VVVF，其閉合分?jǐn)喑伤緳C操作控制外，同時可在電流過大時自行分?jǐn)?，或由列車控制系統(tǒng)或牽引控制單元DCU控制分?jǐn)?。牽引逆變器輸出的變頻變壓電壓并聯(lián)供給4臺（車控）/2臺（架控）牽引電機，驅(qū)動列車運行。牽引電路的負(fù)極電流經(jīng)接地端→車輛接地箱→軸箱碳刷→輪軸→車輪→鋼軌流回牽引變電所。另一路經(jīng)熔斷器和隔離二極管送入貫通整列車的1500V（750V）高壓線，給列車的三相交流380V電源和直流110V電源供電，輔助電路的負(fù)極電流經(jīng)同樣的路徑返回牽引變電所。 

2輔助系統(tǒng)

輔助系統(tǒng)包括輔助電源、蓄電池充電器、輔助逆變器。

輔助電源系統(tǒng)指三相交流380V電源和低壓直流電源，其中低壓直流電源包括110V直流電和24V直流電，僅以廣州地鐵二號線車輛為例，380V交流電的負(fù)載有：空氣壓縮機、空調(diào)系統(tǒng)、各類風(fēng)機、220V插座等；110V直流電的負(fù)載有：有觸點控制電路、各系統(tǒng)的電子控制電路、照明電路、指示燈、車門驅(qū)動系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)、乘客信息顯示系統(tǒng)、緊急通風(fēng)電源等。 

蓄電池是列車的重要設(shè)備，為在運營時列車失去外來供電的情況下提供臨時供電，是必不可少的安全保障，也是列車停放后重新激活的電源。從其負(fù)載就可看出，蓄電池的供電能力對運營列車是必須得到保證的。列車上蓄電池也是兩組設(shè)置的，設(shè)計的總?cè)萘靠蓾M足45分鐘內(nèi)列車部分110V控制電路、各系統(tǒng)電子控制電路、指示燈、廣播系統(tǒng)、乘客信息顯示系統(tǒng)部分功能、客室緊急通風(fēng)、緊急照明以及開關(guān)一次客室門的要求。 

輔助逆變器通過一個直流1500V饋線連接到列車兩個受電弓上，即使一個受電弓從架空網(wǎng)上脫落，輔助逆變器也不會脫離電源；采用冗余結(jié)構(gòu)，兩個相對獨立的380V電源給三輛車供電，每一個電源供給每輛車的一半負(fù)載。關(guān)鍵負(fù)載(如蓄電池充電器)可以從任意一個電源供電。 

3空氣制動及供風(fēng)系統(tǒng) 

在目前城軌車輛所采用的制動方式中，制動力的源動力主要為壓縮空氣的壓力。以壓縮空氣為源動力的制動方式稱為空氣制動；以電 磁力為源動力的制動方式稱為電制動；還有機械制動、液壓制動等方 式?，F(xiàn)代動車組因列車控制技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)了在車組內(nèi)制動力預(yù)定的、可調(diào)節(jié)的分配，充分利用輪軌粘著，最大程度地使用再生制動，節(jié)省牽引能耗。比如：電制動時可只由動車承擔(dān)全部制動力，如不足再按預(yù)定模式由拖車氣制動補充；一個轉(zhuǎn)向架因故障失去制動能力時可按預(yù)定模式由其它轉(zhuǎn)向架相應(yīng)提高制動力補充。 

一節(jié)車的氣制動系統(tǒng)從技術(shù)上分成3個組成部分：微機控制單元、模擬電指令→氣制動壓力和氣缸壓力→反饋模擬電信號轉(zhuǎn)換裝置、基礎(chǔ)制動單元，再加上一些壓力開關(guān)。 

出于列車運行安全的需要，一列車配置兩組空氣壓縮機組，且一組的工作能力可滿足整列車的氣制動供氣需求。列車主風(fēng)管貫通整列車。 

4列車控制系

列車控制系統(tǒng)就是列車的微機控制單元通過列車/車輛總線與各節(jié)車的各子系統(tǒng)/設(shè)備的微機控制單元（對有接點電路經(jīng)過I/O轉(zhuǎn)換端口）連接在一起，以通信協(xié)議方式建立實時的通信聯(lián)系，進行指令、狀態(tài)信息的傳輸，實現(xiàn)對列車狀態(tài)的控制、監(jiān)測、數(shù)據(jù)存儲、故障診斷、顯示以及人機界面交流。列車微機控制單元通常在列車的兩端對稱設(shè)置，功能相同，工作時一個為主機，另一個為從機。示意如圖所示：

5列車自動控制系統(tǒng)（ATC） 

ATC系統(tǒng)包括自動駕駛(ATO)、自動保護(ATP)和自動監(jiān)控(ATS)三部分。其作用主要是： 

（1）實現(xiàn)非完全脫離司機的人工駕駛；

（2）停車點的防護；

（3）速度監(jiān)督與超速保護；

（4）列車行車間隔控制；

（5）及時監(jiān)控列車位置。 

在A車前端裝有ATC傳感器安裝架。ATO將執(zhí)行除“啟動”外的列車自動運行（自動調(diào)速、自動停車、定點停車）。 

ATP將執(zhí)行列車安全速度和列車安全間隔的功能，當(dāng)潛在的不安全條件產(chǎn)生時，ATP將施加緊急制動。ATP車輛接口設(shè)備將包括：速度計、天線、司機室顯示器、控制器、電源適配器和ATO/ATO車載控制設(shè)備。

 ATS將執(zhí)行自動轉(zhuǎn)換道岔、排列進路。

6列車故障自診斷系統(tǒng) 

列車采用微機故障自診斷系統(tǒng)，用便攜式數(shù)據(jù)采集器采集各種有關(guān)數(shù)據(jù)，自診斷系統(tǒng)應(yīng)用在列車總線系統(tǒng)中。另外還有列車的照明及通信廣播系統(tǒng)。在軸箱上還裝有速度傳感器、接地裝置。在車前端裝有ATC傳感器安裝架。 

  7   通信和乘客信息系統(tǒng)

可提供的通信方式有4種：司機室對講；司機室廣播；無線電廣播；數(shù)字化報站關(guān)門報警。通信系統(tǒng)的最大特點是揚聲器的功率輸出客室內(nèi)和司機室內(nèi)噪聲大小自動調(diào)節(jié)。這樣可保證在乘客多、噪聲大的情況下也能清晰地聽到廣播。 

乘客可從列車得到或傳遞信息：可通過每個廂兩端的LCD顯示牌知道與數(shù)字報站同步的到站信息；乘客可按壓客室內(nèi)緊急報警按鈕向司機報警。 

結(jié)束語 

以上是從地鐵車輛機械和電氣兩大塊對地鐵車輛進行的介紹，地鐵車輛主要在地下較封閉的空間運行，具有啟停頻繁、乘坐舒適、快速準(zhǔn)時等特點，這就使地鐵車輛具有其自身獨特的方面，例如車體密封性高、車體輕量化和混合制動等都是當(dāng)今軌道車輛發(fā)展的先進技術(shù)；未來的地鐵車輛將向安全化、快速化、大運量化和自動運行等方面發(fā)展，這些必將使地鐵成為城市公共交通的中堅力量，為解決城市出行、緩解城市交通壓力貢獻自己的力量。（山東德魯智能科技有限公司）