宽车体地铁车辆设计

宽车体地铁车辆总体设计

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目录

第一章 绪论

第二章 车型的选择

2.1 选型原则

2.2 选型的条件及依据

2.3 现有地铁车辆基本参数 2.4 编组方案的比较和选择 2.5 进行牵引计算并选定车型

2.5.1计算起动加速的和编组方式的关系

2.5.2计算牵引电机功率和编组方式的关系 第三章 车型的基本尺寸

3.1车辆设计基本尺寸 3.2 主要参数校核

3.2.1 车辆定距校核 3.2.2 车辆限界校核 第四章 平面断面布置

4.1 车辆平面布置 4.2车辆断面布置 4.3 设备布置 第五章 车体结构设计

5.1车体结构形式 5.2车体结构组成 第六章 车辆部件选型与设计

6.1 转向架选择

6.2 车钩和缓冲装置的选择 6.2.1车钩 6.2.2 缓冲器 6.3 制动装置选择

6.3.1 制动系统设计原则 6.3.2 制动装置的选择 6.3.3 防滑器的控制 6.3.5 制动距离的校核 第七章 车辆空调及电气设备的设计

7.1牵引系统及其电气设备 7.2辅助供电结构 7.3 网络结构 7.4 乘客信息系统

第八章 车辆的主要技术参数 鸣谢

参考文献

第一章 绪论

目前国内大中型城市面临的难以解决的问题是交通拥挤不堪和大气污染。很多城市都把大量精力和资金投入到解决城市交通拥挤问题，研究解决交通拥挤问题的新措施。发展地铁交通是解决城市交通拥挤的有效措施之一。目前地铁的概念已由单纯的城市地下交通扩展成为包括地下、地面、高架在内的各种城市轨道交通。通过国外一些城市的实践已日益证明发展城市轨道交通是有效地解决城市交通拥挤的重要措施之一。城市轨道交通的特点是清洁、舒适并提供巨大的载客能力，它越来越受到城市人民的欢迎。

第二章 车型的选择

2.1 选型原则

(1)应满足系统的运营要求,并充分考虑地铁的运营模式及管理模式。 (2)应结合我国基本国情,选取技术成熟、安全可靠的车辆,以减少维修工作量和运营成本。

(3)应选择造型美观、乘坐舒适的车辆,以吸引更多的旅客。

(4)应选择适应地下、地面、高架等线路状况及各种自然环境条件的车辆,并尽可能减少对周围环境的影响。

(5)应立足于国产化,引进的关键技术设备也应具备向国产化过渡的可能性和可行性。

(6)应兼顾远期地铁发展需要,以便统一考虑检修设备。 2.2 选型的条件及依据 1） 运量要求

修建地铁的根本目的就是缓解大城市交通拥挤状况,保证旅客能够安全、快速地到达目的地,实现城市布局调整,带动整个区域的发展。车辆选型及编组应能满足不同时期运量的要求,还应能满足最小行车间隔1.5 min~2 min的要求。 2） 线路特点

地铁线路有地下、地面和高架3种形式。不同的城市有不同的线路形式,其线路长度、最大站间距、最小站间距、最大坡度、坡长、最小曲线半径、平均旅行速度等不一样,对车辆的结构形式和性能参数的要求也不一样。地铁车辆应服

从线路的灵活性,其结构形式和性能参数应能满足本城市的线路特点。 3） 自然环境

我国幅员辽阔,各地的人文地理和自然环境各不相同,对车辆的影响和要求也不同。地铁车辆在城市内运行,对城市景观和噪声的影响也很大。因此,地铁车辆应满足本城市的人文地理、气候和自然环境条件,并应采取措施,尽量减少对城市环境和景观的影响。 4） 工程投资

车辆的宽度与长度的不同对车站长度、隧道断面大小、车辆段检修用房、占地面积等都有影响,必然引起土建工程量的变化,也影响工程投资的大小。在满足客运量的条件下,从尽可能降低工程投资角度出发,应优先选择窄车体、短编组的车辆。

5） 车辆制造能力

地铁车辆的制造是技术密集型系统工程。目前,我国地铁车辆的制造水平仍旧比较落后。对于采用国际型(19 m×2.8 m×3.51 m)钢车体、变阻控制的地铁车辆,国内的技术基本成熟。但对于宽体型(22 m×3m×3.8 m)铝合金车体、变频变压控制传动的地铁车辆,许多关键部件国内基本上不具备生产能力,还需要与国外厂商合资制造或引进。国产化率的高低直接影响车辆的价格及运营维修费用的高低,进而影响整个地铁工程的投资。因此,车辆选型应考虑国内厂家的车辆制造能力,尽可能选用国产化率高的车辆,不能一味追求技术上的先进性。 2.3 现有地铁车辆的基本参数

按照国际标准，城市轨道交通地铁车辆类型可分为：A、B、C三种。三种车型的主要区分是车体宽度。A型车宽3米，B型车宽2.8米，C型车宽2.6米。这里指得是普通的侧面垂直的列车，不是鼓型车。长度可以靠改变编组来随时变化，高度差别不大（因为人的身高都差不多），所以这些都不是车型的参考标准。只有宽度最重要，而且一旦成型就无法再改变，因此是区分车型的唯一标准。

A型地铁列车：长22.8米，宽3米，代表车型：上海地铁1、2、3号线列车

B型地铁列车：长19米，宽2.8米，代表车型：北京、天津地铁宽体车 C型地铁列车：长19米，宽2.6米，代表车型：上海地铁5、6号线列车

表1 各类车型的主要技术规格 序号 1 2 项目名称 车辆长度/m 车辆宽度/m 受流器车（有空3 车辆高度调/无空调） /m 受电弓车（落弓高度） 4 5 6 7 8 9 车厢内净高/m 地板面高/m 车辆定距/m 固定轴距/m 轮径（新轮）mm 轴重/t 空车重量/t 带司机室的端车 10 无司机室的中间车 A型车 四轴车 22 3.0 B型车 四轴车 19 2.8 3.8/3.6 C型车 四轴车 18.9 2.6 3.8 2.05-2.15 1.13 15.7 2.5 φ840 ≤16 36 3.8 2.05-2.15 1.10 12.6 2.2 φ840 ≤14 33-36（视车体的3.802 2.10 1.14 12.6 2.0 φ840 ≤14 33 36 200 218 173 189 100 1:1 38 材料不同） 230 245 198 212 100 1:1（2:1） 11 定员人数（人，站立标准6人/m） 定员人数（人，站立标准5人/m） 最高运行速度/km·h-1 动拖比 22310 12 13 14

265 100 2:1

2.4 编组方案比较和选择 编组方案

其他城市情况：上海地铁一号线为六节编组

北京地铁6、7、14号线由原先六节编组改为8节编组 广州佛山地铁4节编组 天津地铁一号线采用6节编组

参考国内其他城市地铁编组情况，结合长远的客流需求，个人认为可采用4动2拖6节编组方案，即：：-Tc*M*M=M*M*Tc-。其中：Tc为拖车（带司机室）；M为动车；-为全自动车钩；=为半自动车钩；*为半永久车钩。

运量计算：

社会调查

对于地铁交通的客流量做了如下简易调查：

天津地铁一号线：地铁1号线开通运营至今已有四年半的时间，在1号线刚刚开通运营时，日均客流量只有三、四万人，而去年，地铁日均客流量已快速增至12万人次，今年春节过后，地铁客流再创新高，目前，日均客流量已达到14万人次。“地铁1号线沿线的学校比较多，春节过后，2月中下旬开始，随着中小学的陆续开学，地铁客流明显增加，加之地铁固定的上班族客流以及新加入到‘地铁族’的乘客，因此，目前地铁日均客流达到了14万人次。”地铁运营公司相关负责人告诉记者。（摘自搜狐焦点新闻中心2011年03月12日08:56 ）

北京五条铁新线：市交通委相关负责人介绍，预计新线开通后，每天将迎来50.2万人次。其中，大兴线预计每天将迎客17万人次，昌平线8.7万人次，15号线首期9.9万人次，亦庄线9.7万人次，房山线4.9万人次。据地铁部门统计，截至昨日下午5点，京港地铁负责运营的地铁大兴线进站客流约1.5万人。北京地铁运营公司所辖4条新线，进站客流在2000人左右。昨日下午，共有3.5万市民到新线体验乘车。（摘自新浪新闻中心2010年12月31日01:52 ）

广州佛山地铁：昨日，记者从佛山地铁公司获悉最新消息，广佛线开通首月（11月3日-30日）累计客运量已超过335万人次，日均客流量近12万人次。其中，祖庙站为全线人气最旺的大站，其日均客流量保守估计接近1.5万人次，是第二大站的魁奇路或桂城站的2-3倍！（摘自网易新闻中心2010-12-03 00:08:00）

重庆轨道交通流量调查：重庆轨道交通建设力度仅次于北京、上海、广州，10年后将承担我市四成公共客运量。重庆轨道交通二号线一期工程（较场口―动物园），2005年开通运营。轨道交通二号线较场口至新山村全线19公里，开通至今，单日最高客流量达24万人次，日均客流量达13万人次，已安全运送乘客2亿人次，客运强度居世界单轨第一。（摘自中国日报评论频道2011-02-23 08:28:30）

日客运量 带司机室拖车和动车均定员220人（粗），结合目前技术及其它城市情况，暂定发车间隔为3分钟，则每小时发车20对，共40辆，结合各城市情况若去全天营业时间为17个小时，则全天可运人数为：

220×6×40×17=897600人 完全能够满足客运需求。

高峰客运量 结合其他城市及重庆2号线轻轨目前客运情况，初步估计新线日客运量暂定为120000人次，由于早高峰6:40—8:10是全天运量最密时段，结合国内其他城市与重庆市情况，可取早高峰运量占全天运量60%计算。则早高峰运量为

（120000×60%）/1.5=48000人/h 车辆定员为220人每车，则每小时运量为

220×6×40=52800人/h 能够满足高峰期运量需求。

2.5 进行牵引计算并选定车型

2.5.1 计算起动加速的和编组方式的关系

由图1可知，在电机功率足够大的情况下，车辆起动的加速度的大小由起动牵引力（即限制黏着牵引力）、运行阻力和车辆重量决定：

=

=

式中：

— 车辆的限制黏着牵引力，KN; — 编组中动车的重量， KN；

— 起动过程中最大速度时对应的黏着系数。对于直流电动机， 取为0.16-0.17 ；对于 交 流电动机，取为 0.17-0.18；

—车辆的运行阻力 ，一般取F起 的20%-25%，KN；

— 车辆的总重量， t ；

— 转动惯量，为车辆重量的10%，t。

车辆运行的总阻力为：

坡道阻力：设计时坡道值取0，则单位基本阻力：

电机在启动过程中，将速度为V=36KM/h带入上式中可以得到

N/KN

m

1.7N/KN

起动附加阻力：

其中k=1.4，A型车的轴重取16t，可以得到

六辆编组的A型车，定员是6人/m2,超载时是9人/m2按超载时计算，则G=325.2t。 由上总结得：列车的起动总阻力为W=5.99N/KN*325.2t*9.81KN/t=19.1KN. 对A型车动拖比为2:1时： a起=0.975m/s2达到了

的要求，所以可以选用2：1的A型地铁车辆。

2.5.2 计算牵引电机功率和编组方式的关系

牵引电机功率与车辆起动加速度、最大运行速度、车辆编组方式及车辆的重量相

关。经计算分析，影响牵引电机功率的决定性因素为车辆在满载情况下9人/m2 ,加速到最大速度的的加速性能：

式中：

——牵引电机的功率，KW;

——编组中动车车辆的功率，KW;

——车辆的总重量，t；

——车辆从0加速到

的平均加速度，m/s2

上式中P0=325.2t，，

2动1拖得情况下，动轴数为16，代入上式得： P电机=225.8kw

考虑到上坡时在保证起动加速度的要有更大的功耗以及其他的情况发生，所以选择电机的功率为250KW。

第三章 车型的基本尺寸

3.1 车辆设计的基本尺寸 受流

供电方式： 集中供电，第三轨受电 供电电压（额定）/V： DC 1500 轨压变化范围/V DC ： 1500～1800

车辆主要尺寸

Tc 车长度/mm ： 24400 M车长度/mm ： 22800 列车长度/mm 140000 列车最大宽度/mm 3 000 车辆高度/mm ≤3 800 地板面高度（新轮、空载、空气弹簧充气）/mm 1130 转向架中心距/mm 15700 车钩高度/mm 720 门开度/mm 1400 门开启时高度（门槛顶面以上高度）/mm 1860 列车同侧相邻客室车门中心距/mm 4560 各种工况下的载客量如下表2：

单节车乘客数量/人

工况

Tc

空载 满座

定员载荷（6人/㎡） 超员载荷（9人/㎡）

各种工况下质量如下表3：

工况

车辆质量/t

列车质量/t

0 42 220 309

M 0 42 220 309

0 252 1320 1854

整列车乘客数量/人

Tc

空载 满座 定员载荷 超员载荷

33 34.83 46.42 52.2

M 36 37.83 49.42 55.2

210 220.98 290.52 325.2

其中乘客质量按照61 kg 计算，在超员载荷工况下，整车质量控制在55.2t，轴重控制在13.05t，满足轴重≤14 t 的要求。

3.2 主要参数的校核 3.2.1 车辆定距校核 车辆在曲线上的静偏移量：

无转向架二轴车车辆在曲线上静偏移量的计算规定按图2所示进行计算校核：

图2

L2?l2车端偏移量?1?

8Rl2车辆中部偏移量?2?

8R 图

L——车辆长度；l——车辆定距；R——曲率半径

为了充分利用限界，希望车辆的?1??2

L2?l2l2?令 8R8R简化得

L?2?1.4 l将L=22800mm，l?15700mm带入上式L/l=1.4符合设计要求。 计算车辆最大的偏移量时R取车辆通过最小曲率半径1000m

而对于有转向架的车辆，转向架本身就是一个小的二轴车，转向架心盘处也要向曲线内侧偏移如图3，设转向架的固定轴距为b，则中部

b2偏移量r2为：r2?

8R

图3

由于R远大于b且远大于r2，略去一些角度引起的偏差，可得四轴车车体中央偏移量为：

???2?r2?2?b?2?l2? 8R

四轴车车体端部偏移量为：

?1???1?r2?L?2?b2?l2

8R

?b为转向架固定轴距，本次设计参考值为2500mm，带入上列两式得

?=31.59mm ??=33.39mm算出的偏移量基本相等，满足设计的要求，因此车辆?2的定距是能够满足车辆设计要求的，能够在路上正常运行。

3.2.2 车辆限界校核

隧道内直线地段接触轨上部受流车辆轮廓线、车辆限界、设备限界与坐标值见图4和表4到6

图4 隧道内直线地段车辆轮廓线、车辆限界、设备限界图

表4车辆轮廓线坐标值（mm）

注：表中0～10点是车体上的控制点；第11点是车轴上轴箱的控制点；第12～15点是转向架构架上受流器的控制点；第16～18点是转向架构架上的控制点；第19、20点是构架上的电感应器控制点；第21、22点为车轮踏面上的控制点；第23、24点为轮缘上的控制点；第25、26点为连接在车轴上的齿轮箱最低点；第27－30点为信号灯预留位置。

表5 车辆限界坐标值（隧道内直线）（mm）

表6设备限界坐标值（隧道内直线）（mm）

由以上要求我们可知，所选车辆的尺寸满足车辆限界的要求。

AI—辅助逆变器；MVB—多功能车辆总线；BCU—制动控制单元； PIS—乘客信息系统；CCF—中央控制功能；R—MVB 转发器；DCU—门 控系统；HMI—司机室显示器；TCF—牵引控制功能；HVAC—空调控制

单元；VCU—车辆控制单元；ICU—牵引逆变器控制单元。

图14

7.4 乘客信息系统

乘客信息系统高度集成音频、信息显示和视频监控于一体。其中音频系统包括了广播、对讲、紧急报警等功能；信息显示系统包含了列车端部的目的地显示、客室两端的LED 信息显示以及每客室8 个LCD 视频显示等功能；视频监控系统采用了先进的360°静态全景摄像技术，实现无盲区监视。

乘客信息系统还与其它系统存在有接口关系，包括列车控制系统、车载无线电、车载数字电视系统等，为列车的高度信息化发挥了重要作用。

第八章 车辆的主要技术参数

通过对整个车辆的总体设计，车辆的结构和部件已经确定，本车采用了地铁A型车型，选择了ZMA120型转向架，密接式车钩缓冲装置，采用了DC1500 V第三轨供电方式。因此车辆的参数也基本确定，其主要参数如下所示：

线路最大坡度／‰ 12 轨距／mm 1435 构造速度／(km ·h ) 100

最高运行速度／(km ·h-1) 80 重车在平直道上紧急制动距离(初速度100km／h时)／m 209.1 运行平稳性指标W 小于 2.5 客室内噪声(时速100km 时)／dB(A) 不大于83 车辆自重／t 33-36 车体长度／mm 22000 车体宽度／mm 3000 车辆高度／mm 3800 车辆定距／mm 15700 车钩中心线高／mm 720 环境温度 -40℃到+40℃； 相对湿度 最大相对湿度≤95％；

轴距／mm 2300 轴重／t 从上述参数中，能够得到该设计车辆能够满足设计要求。

≤16 鸣谢

本课程设计课题在选题及研究过程中得到杨美传老师、胡洪斌老师董铁军老师以及殷世波老师的悉心指导。杨老师多次询问课程设计进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。在此对以上老师表示衷心的感谢。同时要感谢西南交通大学机械工程学院为我提供了良好的课程设计条件，谨向学院老师和领导表示诚挚的敬意

感谢我的同学们在我课程设计中对我无私的帮助和鼓励！

最后，感谢我的家人和朋友在我课程设计过程中对我精神的鼓励和支持！

参考文献

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图8 ZMA120型动车转向架结构图

ZMA120型动车转向架如图6-1、图6-2所示。其主要性能特点如下：

1） 能保障车辆有优异的舒适性能 （Ｗ≤2.5） ； 2） 转向架质量轻,动车转向架质量不大于7900kg，拖车转向架质量不大于5900kg；

3） 无摇动台、无摇枕、无心盘，车体自重及载重全部由空气弹簧承载， 并设有能根据负载情况对地板高度自动调整的装置；

4） 动车转向架牵引电机为架承式弹性悬挂，每个转向架斜对称地布置两台牵引电机；

5） 轮对符合 EN13260的规定；

6） 采用直辐板整体车轮，辐板两侧装有制动盘，车轮符合EN13262 的规定；

7） 车轴符合EN13261 的规定；

8） 轮对采用转臂定位，一系弹簧采用螺旋弹簧与橡胶垫组合， 布置在轴承的侧面以便有更多的空间增大弹簧的静挠度，保证了转向架在高速下有较高的抗蛇行稳定性和乘客的舒适性，减小轮轨之间的磨耗和噪声污染；

9） 抗侧滚扭力杆布置在车体底架的下方，提高了车辆的抗侧滚性能，简化了转向架的结构，减轻了转向架的簧间质量；

10） 转向架构架采用低合金高强度结构钢板组焊成 Ｈ形， 采用不需进行整体退火的焊接工艺；

11) 牵引装置采用结构非常简单的无磨耗单拉杆牵引方式。 主要技术参数

轴式 B0-B0 或2-2 轨距 /mm 1435 轴距/mm 2300 转向架中心距/mm 15700 轴重 /t 14 车轮滚动圆直径 /mm 840（新轮） ； 770（全磨耗） 轮对内侧距/mm

通过最小曲线半径/m 150（5km/h 时） 牵引点高度/mm 663 齿轮中心距 ／ｍｍ 370 齿轮传动比 4.964 车轮踏面 DIN5573磨耗型踏

面

轮盘制动的制动倍率 8.58 初速为120Km/h 时在平直道上的紧急制动距离/m

（包括响应时间）

自重下空气弹簧上平面距轨面高 /mm 894

轴颈中心横向跨距 /mm 2100 轴颈直径 /mm 130 空气弹簧中心横向跨距 /mm 1900

转向架主要运动间隙（车体落车后）/mm 一系垂向止挡间隙 37

二系弹簧充气、放气状态的高度差 25 二系横向止挡间隙 40（其中弹性间隙25mm） 轴承型号 进口圆锥滚子轴承 TBU130 限界符合GB146.1-83《标准轨距铁路机车车辆限界》车限-1B、CJJ96-2003《地下铁道限界标准》、 “广州地铁三号线工程车辆限界”的要求。

强度符合UIC515-4 《客运车辆—拖车转向架—走行部—转向架构架强度试验》和UIC615-4《动力车—转向架和走行部—转向架构架强度试验》的要求。

动力学性能指标符合GB5599-85《铁道车辆动力学，性能评定和试验鉴定规范》 主要动力学性能指标为：

横向及垂向平稳性指标 Ｗｚ 脱轨系数 轮重减载率

倾覆系数 D 轴重为14t 时轮轴横向力H/kN 6.2 车钩缓冲装置 6.2.1 车钩

全自动车钩自动车钩由机械钩头、电气头、气路管道和吸能装置组成能够实施机械钩头，连接列车线的电气头和气路管道的自动连接与分解。自动车钩位于Tc车的前端（又称为1位端）和M车2位端。该装置用于救援联挂故障列车实施联挂牵引和在站场机车联挂调车作业（通过过渡车钩）。电气头用于连接两列车的列车线，面对车钩左面的电气头为具有弹簧的动触点而右面为具有平台的静触点。同时该装置能方便地把两车固定连接的单元与其他单元连接和分解。 半永久车钩由牵引杆、电气头、气路管道和吸能装置组成，牵引杆，连接列车线的电气头和气路管道均为手动连接与分解。这作业一般在车辆段进行。其使

Tc车和M车组成一个固定的单元。B车的半永久车钩位于后端（又称为2位端）而C车的半永久车钩位于前端（又称为2位端）。位于牵引杆下方的电气头用于连接车辆之间的列车线，面对电气头的左侧为具有弹簧的动触点而右侧为具有平台的静触点。

我们采用上海地铁采用的全自动密接式车钩缓冲装置结构如图9：

图9

钩头机械连接部分由壳体、钩舌、中心轴、钩锁连接杆、钩锁弹簧、钩舌定位杆及弹簧、定位杆顶块及弹簧和解钩风缸组成。壳体的前部，一半为凸锥体，一半为凹锥孔，两钩连挂时相邻车钩的凸锥体和凹锥孔互相插入；中心轴上固定有钩舌，钩舌绕中心轴转动可带动钩锁连接杆动作；钩舌呈不规则几何形状，设有供连接时定位和供解钩时解钩风缸活塞杆作用的凸舌，以及钩锁连接杆的定位槽、钩嘴等，是车钩实现动作的关键零件；钩锁连接杆在钩锁弹簧拉力作用下使车钩连接可靠；钩舌定位杆上设有两个定位凸缘，是钩舌定位在待挂或解钩状态；定位杆顶块可以在连接时顶动钩舌定位杆实现两钩的闭锁。

该自动车钩有待挂、闭锁和解钩三种状态，其作用原理如图10所示。

图10

1-壳体；2-钩舌；3-中心轴；4-钩锁连接杆；5-钩锁弹簧；6-钩舌定位杆；7-钩舌定位杆弹簧；8-定位杆顶块；9-定位杆顶块弹簧；10-解钩风缸。

（1）待挂状态：为车钩连接前的准备状态。此时钩舌定位杆被固定在待挂位置，钩锁弹簧处于最大拉伸状态，钩锁连接杆退缩至凸锥体内，钩舌上的钩嘴对着钩头正前方。

（2）闭锁状态：相邻两钩的凸锥体伸入对方的凹锥孔并推动定位杆顶块，定位块顶块摆动迫使钩舌定位杆离开待挂位置，这时钩锁弹簧的回复力使钩舌作逆时针转动，并带动钩锁连接杆伸进相邻车钩钩舌的钩嘴，完成两钩的连接闭锁。这时两钩的钩锁连接杆和钩舌形成平行四边形连接杆机构，当车钩受牵拉时，拉力由两钩的钩锁连接杆均匀分担，使钩舌始终处于锁紧状态，当车钩受冲击时，压力通过两车钩壳体凸缘传递。

（3）解钩状态：司机操纵按钮，控制电磁阀使解钩风缸充气，风缸活塞杆推动钩舌顺时针转动，使两钩的钩锁连接杆脱开对方钩舌的钩嘴，同时使钩锁连接杆克服钩锁弹簧的拉力缩入钩头锥体内，这时定位杆顶块控制钩舌定位杆使钩舌处于解钩状态。两钩分离后，解钩风缸排气，定位杆顶块由于弹簧作用复位，钩舌回至待挂位，车钩又恢复到待挂状态。

6.2.2 缓冲器

缓冲器的作用是用来缓和列车在运行中由于机车牵引力的变化或在启动、制动及调车作业使车辆相互碰撞而引起的纵向冲动和震动。缓冲器有耗散车辆之间冲击和震动的功能，从而减轻对车体结构的作用，提高列车运行的平稳性。 缓冲器的作用原理是借助于压缩弹性元件来缓和冲击作用力，同时在弹性元件变形过程中利用摩擦和阻尼吸收冲击能量。

考虑到缓冲器工作的可靠性和吸收冲击振动的能力，选择弹性胶泥缓冲器。

弹性胶泥缓冲器的工作原理为，在充满弹性胶泥材料的缓冲器体内，设有带环形间隙（或节流孔）的活塞。当活塞杆受到冲击力时，弹性胶泥材料受压缩产生阻抗力，并通过环形间隙（或节流孔）的节流作用和胶泥材料的压缩变形吸收冲击能量。由于胶泥材料的特性，冲击力越大，缓冲器的容量也随之增大。当活塞杆上的压力撤除后，弹性胶泥体积膨胀或利用加设的复原弹簧使活塞回到原位。这时胶泥材料通过环形间隙流回原位。这种缓冲器的力-位移特性曲线呈凸形，与一般摩擦式缓冲器相比，在相同的阻抗力和行程条下，它的容量要大得多。 6.3 制动装置

6.3.1 制动系统设计原则 地铁列车制动系统的设计原则: (1)采用模拟式制动系统。

(2)采用动力制动和空气制动,2种制动方式可混合使用。动力制动包括再生制动和电阻制动,并以再生制动为主。空气制动采用踏面制动或轮盘制动。

(3)优先采用动力制动。制动时优先等级依次为再生制动、电阻制动、空气制动。 (4)当动力制动力无法满足制动力要求时,由空气制动力补足。2种制动形式转换平滑,转换过程所需制动力大小不受影响。 (5)能够根据冲动限制和车辆载荷自动调整制动力。

(6)制动方式包括常用制动、快速制动、紧急制动和弹簧停放制动。 (7)紧急制动只使用空气制动。

(8)适应列车自动驾驶控制。自动驾驶控制的优先等级高于司机控制器。 (9)防滑控制包括动力制动防滑和空气制动防滑。

(10)具有自检和故障显示功能。故障处理措施完善,以保证安全。

6.3.2 制动装置的选择

高速地铁车辆（宽车体）采用EP2002 制动控制系统采用串行传输指令,在国内首次实现了EP2002制动控制系统与国产牵引控制系统和网络控制系统的配合, 而且实现了空气制动力的整车平均分配。EP2002制动控制系统主要由EP2002 阀、 制动辅助控制单元以及其他辅助控制部件组成。该系统部件集成化程度高, 节省了安装空间, 同时也便于安装、 维护和保养。

随着计算机运算速度的提高、 列车信息管理装置的发展和压力传感器精度的提高, 制动控制装置中 ON/OFF 电磁阀可以由电流控制型EP 阀代替, 从而大大减少制动控制装置的体积和重量。EP2002 阀就是新技术应用的产物。从功能上来讲, EP2002 阀集成了传统制动控制系统的制动电子控制单元BECU 和制动控制单元BCU的功能。根据功能的不同, EP2002 阀可以分为智能阀、 RIO阀和网关阀3 种。每个EP2002 阀都集成了多个压力测试接口, 可以方便地测量总风压力、 制动缸压力、 空气弹簧压力以及停放制动压力等各种控制压力。

制动辅助控制单元主要由截断塞门、 减压阀、 电磁阀等组成(如图 1 所示)。上述装置集成在一个铝合金板上, 既节省了安装空间, 同时也便于安装、使用和维护。 6.3.3 防滑器的控制

地铁列车制动频繁,制动减速度大,所以防滑控制非常重要。地铁列车采用动力制动和空气制动。一般情况下,地铁列车以动力制动为主,动力制动的防滑控制不可缺少,所以对于动力制动和空气制动均应进行防滑控制。引进地铁列车的动力制动防滑作用同时对动车的4个轮对进行集中控制,而空气制动防滑作用可对每个轮对进行独立控制,空气制动防滑原理与我国提速、准高速车辆防滑器基本相同,根据速度差、减速度的变化进行防滑控制。

通常,动车在常用制动时,当载荷不超过规定的满载载荷,只使用动力制动,所以防滑作用由TCU控制,如果TCU判断为滑行,则减小动力制动力,并将信号传至拖车,减小的动力制动力由拖车的空气制动补充。如果滑行较小,只有TCU的防

滑控制,列车总制动力不减少;如果滑行严重,当实际的动力制动力下降过大,则有可能使拖车的BECU产生防滑作用,即空气制动力有可能减小,这样列车总制动力会减少。当载荷超过规定的满载载荷时,动力制动与空气制动同时作用,如果动车出现滑行,则该车上BECU首先产生防滑作用,此时,首先减少空气制动力,如果在防滑控制过程中空气制动力降至零时仍滑行,则再由TCU控制,减少动力制动力,同时将信号传至拖车,增加拖车的空气制动力。如果滑行较小,列车总制动力不减少;如果滑行严重,当实际的动力制动力下降过大,则有可能使拖车的BE-CU产生防滑作用,列车总制动力会减少。常用制动减速至停车制动时,转换成空气制动,由各车的BECU进行防滑控制。

对于拖车而言,只有空气制动,所以防滑作用只由BECU控制。在紧急制动时,无论动车还是拖车,都只有空气制动的防滑控制。快速制动时,如果有动力制动,则防滑控制与常用制动时相同;如果只有空气制动,则防滑控制与紧急制动相同。一旦停止滑行,TCU和BECU则停止防滑控制,各车根据当前制动指令值、载荷状态和网压,恢复制动力。

6.3.5 制动距离的校核 列车制动特性。

干燥、清洁的平直轨道上，列车在超员载荷、额定网压以及车轮半磨耗状态下的制动特性曲线如图所示。在任何载荷及清洁干燥平直的轨道条件下，可以达到下列制动要求：

平均全常用制动减速度（100～0 km/h包括响应时间）为≥1.0 m/s2，平均快速制动减速度（100～0 km/包括响应时间）为1.3 m/s2，平均紧急制动减速度（100～0 km/h包括响应时间）为1.3 m/s2。

图11

文中设计的地铁为四动两拖组成形式，具体参数如下： 最高运行速度 100km/h 常用制动减速度 1.0m/s2 常用制动冲击率小于 0.75m/s3 紧急制动减速度 1.2m/s2 每辆拖车自重AW0 33t

每辆动车自重AW0 36t 供电 DC1550V

采用三相异步交流电机牵引，VVVF主电路控制技术

载荷设计：AW1工况——拖车动车均为42名乘客，60kg/人； AW2工况——除坐客外，站客6人/m2； AW3工况——为超员情况，站客为9人/m2;

表8 载荷工况 AW0 33t，0人 36t，0人 T拖车 M动车 全全列定员 列重量 0210人 AW1 人 AW2 46.2t，坐42人，站178人 AW3 51.54t，坐46人，站267人 49.2t，坐42人，站178人 54.54t，坐46人，站267人 35.52t，坐4238.52t，坐42人 人 1320人 1854人 252t 225.12t 289.2t 321.24t 忽略掉空气阻力和隧道阻力，按照平直道来考虑，车组所需制动力B B=Ma

式中 a——平均减速度 M——制动总负荷

即M=M分（列车总的质量负载）+R（列车全部转动惯量负载） 每辆动车的转动惯量负载： 每辆拖车的转动惯量负载：

所以在不同质量负载工况下，每辆车动车拖车的制动总负荷见表9 表9 单位：kg 负载工况 AW0 AW1 AW2 AW3 T拖车 34980 37500 48180 53520 M动车 41040 43560 54240 59580 那么在常用制动减速度为1m/s2的时候，每辆车所需制动力为： 每辆拖车：

Bw1=37500×1=37500（N） Bw2=48180×1=48180（N）

Bw3=53520×1=53520（N） 每辆动车：

Bw0=41040×1=41040（N） Bw1=43560×1=43560（N） Bw2=54240×1=54240（N） Bw3=59580×1=59580(N)

在紧急制动减速度1.3m/s2时，每辆车所需制动力为： 每辆拖车：

Bw0=34980×1.2=41976(N) Bw1=37500×1.2=45000N） Bw2=48180×1.2=57816（N） Bw3=53520×1.2=64224（N） 每辆动车：

Bw0=41040×1.2=49248（N） Bw1=43560×1.2=52272（N） Bw2=54240×1.2=65088N） Bw3=59580×1.2=71496(N)

每个车轮所需负担的制动力为每车的1/8，根据经验，采用840mm轮径，行车最高速度为80km/h，基础制动系统按单侧踏面制动设计。

设所采用的高磷合成闸瓦平均摩擦系数则每个车轮上制动力为

所以在各种载荷情况下，每个车轮所需要的闸瓦压力见表6-3所示 表10 每个车轮所需闸瓦压力 单位N 载荷工况 常用制动 拖车每轮 动车每轮 紧急制动 拖车每轮 动车每轮 AW0 AW1 AW2 AW3 17490 18750 24090 26760 20520 21780 27120 29790 20988 22500 28908 32112 24624 26136 32544 35748 踏面制动单元为7英寸缸，制动倍率为3.7，传动效率为95%，活塞推出平均阻力为1200N，那么此时制动单元缸空气压力P为

其中F的最大值为35748N，带入上式得P的最大值为： P=40.98N/cm2=409.8kPa

每个7英寸缸所需压力为表6-4所示

表11 每个7英寸缸所需空气压力P 常用制动 载荷拖车每轮每工况 缸kPa AW0 AW1 AW2 AW3 204.6 220.8 274.1 325.0 每缸kPa 240.1 256.2 309.6 360.5 每缸kPa 245.6 264.9 329.0 390.0 每缸kPa 288.1 307.5 371.5 432.6 动车每轮拖车每轮动车每轮紧急制动 可见，空气制动时能够满足紧急制动1.2m/s2的要求，设计满足要求。 制动距离的计算：

v2?2as，

v=80km/h

2a=1.2 m/s

紧急制动距离： s= 209.1m<1100m 符合《铁路技术管理规程》中对制动距离的要求的。

因此本车所采用的制动机和基础制动装置是满足设计要求的。

第七章 车辆空调及电气设备的设计

每个客室装有2 台空调机组，分别位于列车车顶的1/4 和3/4 位置，采用两端送风、底部回风的形式。在每台机组中，制冷输出由4 台重载、运输用的涡旋压缩机提供。根据需要，制冷量可以实现25%、50%、75%、100%四档调节，客室内温度波动小，大大减少了压缩机的启停次数，比采用2 台压缩机的空调机组更加节能环保。每节车顶部设有4 个废排装置，用于排出车内多余的废气。空调机组新风入口设置可调节的新风门，在正常情况下，空调控制系统能够自动根据输入的环境信号对新风量进行调节。列车每天第一次发车时能够关闭新风门进行预制冷（夏季）或预加热（冬季），在客流量较低时还可以将新风量调低，从而降低新风损耗达到节能的目的。

车辆的研制体现了客户日益增长的高度信息化的要求，在设计中充分考虑了各功能在司机室的集中操作，包括车辆电气与信号、通信、数字电视等部分的接口，VVVF控制技术，以及高度集成的乘客信息系统等。 7.1 牵引系统及其电气设备

牵引系统电路图如图所示，虚线框内设备置于牵引逆变器箱。牵引系统主要包括功率输入电路、电压源直流中间电路、制动斩波电路、VVVF 电路等。 功率输入电路的主要功能是将牵引逆变器与接触轨的直流输入电源接通/ 切断。电源输入电路包括受流器（X）、高速断路器（F）、线路接触器（K1）、预充电接触器（K2）、预充电电阻器（R1）、线路电抗器（L1）、线路电压传感器（U1）和线路电流传感器（I1）。

电压源直流中间回路的主要功能是为感应电动机提供无功功率，并稳定直流中间回路电压。电压源直流中间回路包括电容器（C）、放电电阻（R2）和直流回路电压传感器（U2 ） 。

制动斩波电路用于吸收电阻制动产生的电能或接触网产生的浪涌电压，在从接触网断开后快速释放直流回路电容的电能。制动斩波电路包括制动斩波模块（TB）和制动电阻器。

VVVF 电路包括以IGBT 为主元件的模块和监测电动机电流的传感器I2、I3，将直流中间回路电压转换为变压变频（VVVF）的三相交流输出，给感应式牵引电

动机供电。此外，牵引系统还包括逆变器控制单元。电机控制采用无速度传感器的矢量控制方式。牵引控制单元测量电机定子电流矢量，通过解耦分离出励磁电流与转矩电流，并与电机模型进行比较，计算出电机速度等参数，牵引电机不再另设速度传感器。

牵引逆变器输入电压标称值DC 1500 V，输入电压公差范围DC 1000到1800 V，输出电压3AC 0到1480 V，标称输出电流3AC 380 A，输出频率0到130 Hz，最大同步脉冲频率500 Hz。牵引电机额定输出190 kW，额定转速1800 r/min，最大转速3642 r/min，质量为530 kg。

图12

7.2 辅助供电结构

全列车设置4台辅助逆变器，每辆车1 台。逆变器输出为三相不带中线的AC 380 V 电压，全列车并网给辅助负载供电。相比传统的每列车布置2 台辅助逆变器的供电方式，大大提高了辅助供电系统的冗余性和可靠性。如果运营中某台辅助逆变器故障，通过切断相应的输出接触器，出现故障的辅助逆变器将会与三相母线隔离，经过核算，剩下的5 台可以继续给所有负载供电，对运营没有任何影响。还可以根据容量计算，确定更多台辅助逆变器故障后的应对措施。辅助系统交流供电电路示意图见图，每辆车中还设置了1 台380 V/220 V 变压器，可以为方便插座等负载提供AC 220 V 电源。

图13

由辅助逆变器供电的主要交流负载有：空气压缩机、空调、通风设备（制动电阻风机和牵引柜通风风机）、380 V/220 V转换变压器。直流负载是通过充电器或Tc 车上的蓄电池进行供电的。在每辆Tc 车上设置了一组蓄电池和一台充电器，其中充电器集成在Tc 车的辅助逆变器箱中，能够直接实现直流电压1 500 V/110 V的变换。在蓄电池欠压情况下，充电器内置的紧急启动单元可以实现低压启动方案，即手动控制受流装置，紧急启动单元将接触轨上DC1 500V直接转换到隔离的DC110 V 母线上，从而给辅助逆变器内部的控制电路供电并启动蓄电池充电器。启动时，小功率部分先建立起内部电源给内部控制和驱动电路供电，当这部分电源建立起来后，大功率部分将能源从1 500 V 直流转换到110 V直流输出。

7.3 网络结构

网络控制系统包括列车控制系统和子系统，采用分布式总线控制方式，整个网络由每节车上子系统间的MVB车辆总线和车辆间的MVB 主干线组成，符合IEC61375- 1标准，设有MVB 接口的外围设备通过远程数字/ 模拟输入/ 输出接口（SKS）与MVB网络相联接，如图5 所示。为了达到列车控制系统的冗余要求，MVB 接线采用两组相互独立布置的MVB 电缆，充分保证列车控制系统的可靠性。

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