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            地鐵列車結構及構造原理

            更新時間:2019-05-20 點擊數:160

            地鐵列車結構及構造原理

            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、高穩定性方向發展,它已經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,它屬于現代城市快速軌道交通的范疇?,F代城市軌道車輛有如下特點: 

            1從構造上:列車采用動力分散布置形式。根據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,兩頭設置操縱臺。由于隧道限界、車輛限界、設備限界的限制,車輛和其各種車載設備的設計要求相當緊湊。在方便檢修的同時,盡量采用模塊化。 

            2從結構上,車體朝輕量化方向發展,主要采用大斷面中空擠壓鋁型材模塊化車體結構設計,采用整體承載結構;懸掛系統具有良好的減振系統;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:由于地鐵的服務對象是城市高密度、大客流人群,并要與公交系統、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的空間、安靜的環境及空調,使乘客感到舒適、便利。 

            4在運行方式上,應用列車自動駕駛系統ATO。在主牽引傳動上,采用當今世界先進的調頻調壓交流傳動。在輔助系統中,采用先進的IG-BT技術。 

            車輛是地鐵系統中最關鍵,也是最復雜的設備,它是多專業綜合性 的產品,涉及機械、電氣、控制、材料等多領域??傊?,車輛是通過各個相對獨立的子系統有機地結合在一起,共同來實現列車的安全、可靠、高品質運行的。 

            二、機械部分

            1車體

            一般車體采用模塊化設計。它包括自支撐構架,用螺栓連接的司機室和中間端。車體構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。通過車鉤系統中的壓潰管吸收能量。當發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,貫通道上設計有折棚和位于車鉤上的渡板。列車表面噴涂根據城市的特點進行。 

            2車門

            根據車輛運營環境的不同,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動裝置,采用皮帶傳動及絲桿裝置作為傳動機構。由EDCU(電子門控單元)來控制車門的開關及鎖定。在司機室操作控制按鈕,通過EDCU控制電機轉動來實現車門的開關,并設有障礙物探測重開門。由行程開關給出車門的狀態信號,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構,下部懸空無支承。當列車在隧道中運行,隨著速度的提高,其空氣的阻塞比大大增加,對外吊的懸掛門產生較大的壓力。如果門的結構及強度不隨速度的提高而改進設計的話,車門會產生晃動等不穩定因數,影響車門的安全可靠性。 

            由于移動門的結構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。當列車達到一定的行駛速度時(超過100km/h以上)便會產生車廂內竄風,給乘客帶來不適;在車輛進出隧道等外界壓力變化時,車內壓力隨著變化,舒適性下降。由于移動門的密封性差,車輛走行部件產生的噪音很容易傳入車內;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,但塞拉門的結構較移動門復雜,且造價較高。 

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

            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)將車輛互相聯掛,聯結成為一組列車;

            (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。三種車鉤均設有可復原能量吸收功能,采用橡膠緩沖器。在自動車鉤和半永久牽引桿上還設有超載保護裝置,不可復原的可壓潰變形管。其結構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。其優點是:節省人力,保證安全方便。缺點是:構造較復雜,強度較低。所以適用于地鐵、輕軌等輕型軌道車輛上。 

            4轉向架 

            轉向架是支承車體并擔負車輛沿著軌道走行的支承走行裝置。為了便于通過曲線,在車體和轉向架之間設有心盤或轉軸,轉向架可以繞一中心軸相對車體轉動。為了改善車輛的運行品質和滿足運行要求,在轉向架上設有彈簧裝置和制動裝置。對于動車,轉向架上還裝有牽引電機和減速機構,以驅動車輛運行。轉向架主要由以下部分組成:輪對軸箱裝置、彈性懸掛裝置、構架、制動裝置、牽引電機和齒輪變速傳動裝置、轉向架支承車體裝置。另外,在拖車轉向架上還安裝了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,常會伴隨產生復雜的振動和沖擊。為了提高運行的平穩性必須設有彈簧減振裝置,空氣彈簧在改善車輛的動力性能和運行品質上具有顯著優點,被地鐵和輕軌廣泛應用。為了改善車輛的振動性能,地鐵上大多采用液壓減振器。 

            由于地鐵承擔運送乘客的任務,并且運行于地下隧道或高架線路上,要求轉向架有較低的噪聲和良好的減振性能,并且能適應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,是驅動列車運行的核心裝置。包括一個牽引電機,齒式聯軸節和齒輪。其作用是將牽引電機輸出的功率傳給輪對。車輛的驅動機構是一種減速裝置,用來使高轉速、小扭矩的牽引電動機驅動阻力矩較大的動軸,對驅動機構的要求:能使牽引電動機功率得到發揮;電動機電樞軸應與聯軸節保證同心度,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 

            據成熟地鐵經驗,摩擦制動采用閘瓦制動。為了改善摩擦性能和增加耐磨性,大多數地鐵車輛采用合成閘瓦。但合成閘瓦的導熱性能較差,又選擇了導熱性能良好的產品——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,動能轉化為熱能的能力大,但熱能散于大氣的能力相對較小。當要求的制動功率較大時,有可能發生產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,嚴重的會導致閘瓦熔化或車輪踏面產生裂紋。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。 

            動力制動在制動時,將牽引電機變為發電機,使列車動能轉化為電能,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化為電能后,再使電能反饋回電網給別的列車使用。顯然這種方式既能節約能源,又減少了制動時對環境的污染,并且基本上無磨耗,是當前地鐵行業首選的制動方式。在制動控制系統方面,目前的制動系統主要有空氣制動系統和電氣制動控制系統,在比較兩者后,發現電氣制動更具有優越性,電氣制動的主要優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調。 

            6車輛內部設備

            車輛內設包括服務于乘客的車體內的固定裝置如車電、通風、取暖、空調、座椅、拉手等和服務于車輛運行的設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、總風缸、電源變壓器、各種電器開關和接觸器箱等。故障率較高的空調需要經常清洗,大多采用車頂修和拆卸修。此設備中,控制器的故障率較高,主要是影響客室環境,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 

            牽引及電制動系統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、聯軸節、齒輪箱、制動電阻,其作用是將從電網輸入的電能經轉化后控制牽引電機的運轉,牽引電機輸出的功率傳給輪對驅動列車運行,列車制動時將列車的動能轉化成電能反饋回電網或送到制動電阻上變為熱能散發出去。牽引能量的傳送路徑如下: 

            接觸網→受電弓→高速斷路器→牽引逆變器→聯軸節→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在的電制動系統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。一路為牽引系統電路,經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,其閉合分斷除由司機操作控制外,同時可在電流過大時自行分斷,或由列車控制系統或牽引控制單元DCU控制分斷。牽引逆變器輸出的變頻變壓電壓并聯供給4臺(車控)/2臺(架控)牽引電機,驅動列車運行。牽引電路的負極電流經接地端→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,輔助電路的負極電流經同樣的路徑返回牽引變電所。 

            2輔助系統

            輔助系統包括輔助電源、蓄電池充電器、輔助逆變器。

            輔助電源系統指三相交流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交流電的負載有:空氣壓縮機、空調系統、各類風機、220V插座等;110V直流電的負載有:有觸點控制電路、各系統的電子控制電路、照明電路、指示燈、車門驅動系統、廣播系統、乘客信息顯示系統、緊急通風電源等。 

            蓄電池是列車的重要設備,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置的,設計的總容量可滿足45分鐘內列車部分110V控制電路、各系統電子控制電路、指示燈、廣播系統、乘客信息顯示系統部分功能、客室緊急通風、緊急照明以及開關一次客室門的要求。 

            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上脫落,輔助逆變器也不會脫離電源;采用冗余結構,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載。關鍵負載(如蓄電池充電器)可以從任意一個電源供電。 

            3空氣制動及供風系統 

            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代動車組因列車控制技術的發展,實現了在車組內制動力預定的、可調節的分配,充分利用輪軌粘著,最大程度地使用再生制動,節省牽引能耗。比如:電制動時可只由動車承擔全部制動力,如不足再按預定模式由拖車氣制動補充;一個轉向架因故障失去制動能力時可按預定模式由其它轉向架相應提高制動力補充。 

            一節車的氣制動系統從技術上分成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→反饋模擬電信號轉換裝置、基礎制動單元,再加上一些壓力開關。 

            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。列車主風管貫通整列車。 

            4列車控制系

            列車控制系統就是列車的微機控制單元通過列車/車輛總線與各節車的各子系統/設備的微機控制單元(對有接點電路經過I/O轉換端口)連接在一起,以通信協議方式建立實時的通信聯系,進行指令、狀態信息的傳輸,實現對列車狀態的控制、監測、數據存儲、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(ATC) 

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

            (1)實現非完全脫離司機的人工駕駛;

            (2)停車點的防護;

            (3)速度監督與超速保護;

            (4)列車行車間隔控制;

            (5)及時監控列車位置。 

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

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

             ATS將執行自動轉換道岔、排列進路。

            6列車故障自診斷系統 

            列車采用微機故障自診斷系統,用便攜式數據采集器采集各種有關數據,自診斷系統應用在列車總線系統中。另外還有列車的照明及通信廣播系統。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

            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;數字化報站關門報警。通信系統的最大特點是揚聲器的功率輸出客室內和司機室內噪聲大小自動調節。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顯示牌知道與數字報站同步的到站信息;乘客可按壓客室內緊急報警按鈕向司機報警。 

            結束語 

            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今軌道車輛發展的先進技術;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)


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