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轨道车辆结构与设计,第一章 轨道交通系统概况 一、轮轨交通系统特点： 1.车辆成列运行 2.自行导向 3.低运行阻力 4.独特的轮轨关系,二、铁路系统线路的基本构造 1、线路基本构造 包括：轨道、路基、桥隧建筑物 主要指标： 轨距： 1937年国际铁路协会作出规定： 1435毫米的轨距为国际通用的标准,钢轨： 工字钢 以每米质量为标号 我国常用50kg/m和60kg/m,线路构造： 1、变坡点和坡段长度 变坡点：相邻坡段交点 坡段长度：变坡点间距，越长列车运行越平稳 相邻坡段连接： 平滑过渡,2、驼峰：人工设置的列车分解用的坡,我国轨道交通车辆市场总体情况 北车和南车两大集团一直是国内主要的两大综合性轨道交通装备制造企业，二者在国内市场占有率超过95%，承担着促进我国轨道交通装备技术进步和铁路运输现代化的重任，代表着我国轨道交通装备业在国际市场的竞争力。 目前，国内的轨道交通车辆制造企业集中于两个集团内部，北车为长春轨道客车股份有限公司、大连机车车辆有限公司和唐山轨道客车有限责任公司，南车为南京浦镇车辆有限公司、四方车辆有限公司和株洲电力机车有限公司，双方各三家企业。,昆明市2008年2015年轨道交通建设规划：建成贯通线（1号线一期工程、2号线一期工程、1号线二期）长度43.5公里；建成3号线，长度19.1公里。总建设规模62.6公里，共建设车站46座，车辆基地5处，期间总投资260.61亿元。,二、城市轨道交通系统,从有轨电车发展而来，缓解城市交通压力的应对方法。 优点： 地铁建设： 盾构技术- 一次成型,其余轨道交通系统特点： 磁浮交通系统：上海浦东龙阳路地铁站至浦东国际机场高速磁浮交通示范运营线投入运营，成为世界上唯一一条投入商业运营的磁浮线。 单轨交通系统 胶轮地铁 自动导轨交通系统 直线电机交通系统 索轨交通系统,第二章 轨道车辆总体 一、轨道车辆的结构组成 1、车体及附属设备 2、走行部 3、制动装置 4、车钩缓冲联接装置 5、动力牵引装置 6、电路,主电路 提供牵引电流 控制电路 通过控制电器连接控制主、辅电路 辅助电路 提供辅助设备用电：如照明、空调、空气压缩机,二、轨道车辆的类型 1、轨道列车的牵引模式 动力集中型 由机车牵引无动力车厢运行 动力分散型 只适用于电气列车，对高速列车更具优势 将电机驱动的动力轮分散布置在全部列车上 主要电器悬挂于车辆下部 按有无牵引力将轨道车辆分为：动力车和无动力车,按牵引动力配置分： 动车 分带受电弓的动车（B型车） 不带受电弓的动车（C型车） 拖车 分带司机室的拖车（A型车） 不带司机室的拖车 动车组 动车与拖车的有机组合,城市轨道交通列车按车体尺寸可分为A、B、C三种型号，分别对应3米、2.8米、2.6米的列车宽度。 但并不绝对，如：上海轨道交通10号线采用的阿尔斯通地铁列车宽度达到3.2米； A、B型也称为重型车辆 轴重较大、载客较多、车体较大,轻型车辆 相对各项值较小,按牵引动力配置分： 动车 分带受电弓的动车（B型车） 不带受电弓的动车（C型车） 拖车 分带司机室的拖车（A型车） 不带司机室的拖车 动车组 动车与拖车的有机组合,按车辆制作材料分： 钢骨车辆 车体受力部分采用钢材料制作,新材料车辆 采用铝合金、钛合金等合金材料制作,城市轨道交通车辆段的概念与构成： 车辆段是对车辆进行运营管理、停放及维修养护的场所 车辆段主要分三大部分： 检修库 停车库 办公生活设施等,城市轨道交通车辆段的设计原则与位置,城市轨道交通车辆段的设计原则： 收发车顺畅 停车检修分区合理 用地布置紧凑,城市轨道交通车辆段的设计原则与位置,城市轨道交通车辆段的设计位置： 一般采用贯通式或尽端式 贯通式：设置在线路中央地带，两端均可收发车，能力较大 尽端式：设置在线路一端，能力小些,城市轨道交通车辆段的工作范围与内容： 日常维护： 收车后对车辆按养护规定进行日常检查保养 对车辆内外部清洗打扫 列检： 对各主要部件进行外观检查 对危及行车安全的故障及时进行重点修理 月检： 对车辆外观和主要部件技术状态进行检查 对危及行车安全的故障进行全面修理,定修： 预防性的对各大部件技术状态进行仔细的检查 对车上仪器和仪表进行校验 对发现的故障进行针对性修理 架修： 检查和修理大部件 对车辆各部件进行解体和全面检查、修理、试验、校验 大修： 全面恢复性修理 对车辆全面解体、检查、修理、整形、试验、校验、调试、油漆,城市轨道交通车辆段的工作范围与设备,定修,月检,架修,大修,2.2 车辆主要技术参数,一、车辆主要性能参数 1、自重、载重及容积 2、构造速度 3、轴重：必须配合线路、桥梁设计标准 4、每延米轨道载重：=车辆总质量/车辆全长 5、通过最小曲线半径,6、轴配置或轴列数 动力转向架记为：B 例：4轴动车，设2台动力转向架 记为：B-B 6轴动车，设2台动力转向架 记为：B-2-B,7、加速度：包括最大启动加速度 平均启动加速度 最大制动减速度 8、吨自重功率 9、供电电压、最大网电流、牵引电机功率 10、制动形式 11、座位数，每平方米站立人数,二、轮轨系统动车的黏着与运行阻力 黏着定律： 动车牵引力最大值不会超过动车各动轮与轨道间最大黏着力之和。 黏着系数 由多种因素决定，变化范围较大 与轮荷重、线路刚度、传动装置、走行部结构、钢轨材质等均有关联 一般由经验公式来计算计算黏着系数,2、列车阻力： 1）基本阻力： 由列车内部相互之间和礼车与外部相互摩擦产生。 包括：轴承摩擦力，轮轨摩擦力，冲击、振动阻力，空气阻力 与车速相关,2）附加阻力 A、坡道阻力 B、曲线阻力 C、隧道空气附加阻力,车辆几何尺寸参数及其选择 1、车辆长、宽、高：分内、外 2、车钩高：空车车钩中心线至轨面高度 必须保持一致 欧洲标准：1060mm 我国标准：880mm 城市轨道：暂时无标准 上海：720mm 北京：670mm,3、地板高度：地板面至轨面高度 受车辆结构影响 与站台配套 4、车辆定距：前后转向架中心距 影响车辆总长、通过半径和行驶稳定性 5、转向架固定轴距： 转向架最前轮轴中心与最后轮轴中心距。 影响通过半径和行驶稳定性,A：车辆定距 B：转向架固定轴距 C：车辆总长,6、车辆长度尺寸间关系： 1）车辆全长与车体尺寸和牵引装置结构形式有关。 2）车体长L与转向架中心距S间关系 最好保证：L/S=2 3)车体尺寸+运动偏移量铁路界限 因此：车体增长必须减小车宽,车辆限界,城市轨道交通限界,包括： 车辆限界 设备限界 建筑限界 1、基准坐标系： 垂直于轨道线路中心线，以轨距中心线为原点 2、计算车辆 为制定或校核车辆界限而虚构的车辆。,城市轨道车辆总体设计 为提供能满足市场需求的城市轨道交通车辆, 需要对车辆进行纵向和横向的总体设计、规划。 纵向是指理清车辆本身系统关系, 保证系统不缺项, 规定设计任务要实现的总体目标; 横向是指要实现与其他系统之间的接口功能, 保证其他系统的正常工作。,一、总体设计一般原则 1、合理的技术参数 2、制造、使用方便 3、标准化 4、环保节能 5、合适的外形设计,二、总体设计主要内容 1、确定车组组成方式，牵引制动方式和主要性能参数 2、选择标准部件，及转向架，牵引电机，车钩等专用标准件 3、绘制车辆总图 4、进行运动分析，确定各部件结构形式及安装方式。 5、各主要部件及机构设计,7、协调各部件关系 8、分析计算 9、试验 三、车辆总图的绘制 以侧视图和俯视图为主 外形设计时必须包括前视图 结构设计时加以必要的剖视图,1. 车辆外形设计 车辆外形设计需要考虑两个因素, 即空气动力和美观。应用空气动力学主要是解决列车高速运行时的空气阻力增大问题, 一般采用流线型外形以减小列车空气阻力。美观方面要求融入城市的人文景观以及历史、地理环境和气候状况等, 并用足够的创意将其展现。,2.车辆编组设计 车辆编组形式的确定是基于大量的客流量统计。客流量是决定编组形式的主要因素。可初步确定列车编组数量的公式为: 编组数量=高峰时期的小时客流量*发车间隔 /定员载客量/列车数量/60 客流量统计结果一般分为近期、中期和远期。 不同阶段客流量的差异可通过追加车辆和扩大编组 实现。,城市轨道交通车辆的编组,可单节运行，也可多节运行 4节：ACCA 6节：ABCCBA 8节：ABCBCBCA A型车：带司机室的拖车 B型车：带受电弓的动车 C型车：不带受电弓的动车,城市轨道交通车辆的编组,8节车辆编组（长编组）的优劣： 运量大，尤其适合人口高度集中的大都市 长编组动车比例高，粘着利用系数相对较低 发生滑行和空转的几率大大减小 故障运行和救援能力强 电制动能力强，能减少气制动的次数和损耗 动车比例高，采购和维护费用都会相应增加,城市轨道交通车辆的编组,4节车辆编组（短编组）的优劣： 允许使用较短的站台 减少了土建工程的工作量和用车辆数量 投资很经济，很多中小城市都比较青睐 动车比例较低，列车气制动损耗比较大 故障运行能力和故障救援能力较差 在线路条件恶劣的情况下，发生空转或滑行较为频繁,城市轨道交通车辆的编组,6节车辆编组的优劣： 运量较大，动力性能较好 故障运行和故障救援能力也比较好 能够适应线路的需要 电制动能满足常用制动的需要，减少了气制动的次数和损耗 动车比例适中，采购费用和维护费用介于短编组和长编组之间,车辆选型是确定轨道交通工程建设标准和总体方案的核心环节, 必须根据客流量、行车密度、线路条件、供电电压、车辆来源、维修能力等因素综合考虑, 经全面比较后确定。一般应遵循以下几方面要求： 1、车型及车辆编组应满足远期高峰小时高断面运量的要求, 并有一定的运能储备。列车扩编宜以基本动力单元为单位, 成组增加并满足系统扩容和接口兼容等要求。,2、车辆牵引、制动等动力性能, 以及编组型式中的动拖比, 需适应线路运行条件和故障牵引的需要。 3、车辆牵引、制动等动力性能, 以及编组型式中的动拖比, 需适应线路运行条件和故障牵引的需要。 4、合理选择车辆最高运行速度, 符合具体线路的车站分布和平纵断面特征, 满足规划部门对城市周边地区与中心城区出行时间的要求。 5、车辆制造技术先进、成熟, 运行安全可靠,噪声低, 节省能源, 环保效益好, 造型美观, 防火防灾, 检修方便。,6、满足国家发改委关于车辆、机电设备国产化率不小于的要求。 7、车辆选型应有利于轨道交通路网中车辆及其配套资源的共享。,第三章 走行部原理及基本结构,一、走行部的功能 1、可靠地承受作用于车辆各种力量并传给钢轨 2、保证车辆灵活、安全平顺地沿钢轨运行和通过曲线 3、产生足够的牵引力 4、产生足够的制动力 5、缓和车辆和钢轨的相互冲击，减少车辆振动，保证足够的运行平稳性和良好的运行质量,现代轨道车辆走行部基本采用转向架形式。 组成： 1、轮对轴箱装置 2、弹性悬挂装置 3、牵引驱动装置 4、基础制动装置 5、构架 6、车体与转向架的连接装置,各组成部分的功能 转向架的优点,走行部的分类,一、轮轨系统转向架的分类 1、按运行速度分： 高速转向架，快速转向架，普通转向架 2、按车轴数目和类型分： 分为二轴，三轴，多轴转向架和B、C、D、E四种 3、按弹簧装置分： 一系、二系弹簧悬挂,城市轨道交通对转向架的特殊要求 (1) 间距短，启停频繁，对牵引和制动性能要求很高； (2) 曲线半径小，对走行部要求高； (3) 线路坡度大，可达30 60； (4) 载重从18 t (310 人) 到26 t (432 人)，重心随机分布；,3.5 新型结构形式的走行部,一、摆式客车转向架,摆式列车供乘客乘座的车体在转弯时可以侧向摆动。当车辆向左转时，车体向左倾摆，让重力抵销向右推的离心力。列车可以是靠惯性自行摆动的被动摆式，亦可以是由电脑控制，动力辅助的主动摆式。 摆式机构只能减少乘客的不舒适，不能减少车轮和轨道的作用力，所以，为了减少车轮和轨道损伤，摆式列车多采用径向转向架以减少通过曲线时的轮轨作用力。,二、车辆径向转向架 转向架发展的主要方向。 与常规转向架相比，机车径向转向架有下述优点： （1）曲线通过性能大大改善，轮缘及轨侧磨耗大大减轻，防止脱轨的安全性明显提高； （2）直线运行横向稳定性与曲线通过性能达到良好的协调； （3）曲线上的粘降减少，机车牵引性能明显提高。,蛇形运动,造成车辆蛇行运动的根本原因是由于轮对横向摇头运动间的耦合,而这种耦合是由于车轴和车轮刚性连接在一起形成的。,三、直线电机转向架：,四、独立车轮转向架 独立车轮轮对： 独立车轮轮对是指左右两个可以各自绕其车轴自由转动并相互保持平行车轮组成的轮副。独立车轮轮对的左右车轮之间不存在刚性连接, 可以绕各自车轴自由转动。这种轮轴之间具有相对运动的轮对称为独立旋转轮对(IRW) , 简称独立轮对。 独立车轮转向架： 装有独立轮对的转向架就是独立车轮转向架（EDF）。,采用独立车轮可以使轮轨之间的磨损和噪声大幅降低，这对于车辆和轨道的维护及环境的保护都是很重要的。同时, 独立车轮转向架可缩短转向架轴距, 减小转向架尺寸和重量, 有利于设计在既有曲线区段高速运行的转向架和轻轨动车转向架。由于独立车轮没有回转蠕滑力矩的作用, 轮对不具备复位和自动导向的能力。,第四章 走行部主要部件结构与设计,一、轮对： 车轮、车轴 车轮： 与钢轨相接触的表面称为踏面，踏面一侧凸起的部分称为轮缘。 踏面可分为：锥形踏面和磨耗型踏面 车轮直径对列车性能的影响,中国铁路目前使用的货车轮径为 840毫米，客车轮径为915毫米，柴油机车轮径为1050毫米,电力机车轮径为1250毫米。地铁车辆860毫米。 对于轨道车辆的钢制车轮，当圆度误差超标时，必须进行镟轮处理。,四、车轴： 机车车辆在运行中加于车轴的载荷是不断变化的，而且由于轮对不停地旋转，车轴内产生交变应力。因此，必须提高车轴材质的持久极限。为此在制造过程中轴身，须进行全长旋削加工，轴颈和轮座实行辊压强化，在轮座部位和轴颈后肩圆弧过渡（滚动轴承）处设置减载槽；在整个使用期中要实行严格的超声波和电磁探伤。 车轴通常是实心的，但车轴应力在截面上的分布是不均匀的,越接近表面就越大,而在中心的应力很小。因此有可能采用空心车轴代替实心车轴，以减轻簧下重量对机车车辆和线路的有害影响。空心车轴在一些国家的铁路上虽已试用多年,但由于在运用中受力状态复杂,仍在研究改进中。,3、轴温监测与报警装置 轴温过高的原因。 1）载荷过大。 2）运行速度过高。 3）润滑油失效,第五章 牵引驱动及缓冲连接装置,一、轨道车辆牵引方式： 内燃机，电动机 牵引电机布置方式： 集中式，分散式 牵引电机安装方式： 轴悬：低速列车 架悬：200km/h以下列车 体悬：200km/h以上列车,电力牵引 接触网导线 架空线或第三轨 受流器 受电弓或受流板,5.3 缓冲连接装置的用途及分类 牵引缓冲装置是机车的重要部件，它的用途是把机车与车辆连接或分离列车。在运行中传递牵引力或冲击力，缓和及衰减列车运行由于牵引力的变化和制动力前后不一致而引起冲击和振动。因此，它具有连接、牵引和缓冲的作用。牵引缓冲装置的构造、性能及状态，在很大程度上影响列车的运行平稳性。 牵引缓冲装置由车钩、缓冲器及车钩复原装置三个部分组成,一、缓冲连接装置分类 1、按牵引连接方式分: 非自动车钩 自动车钩 自动车钩分： 非刚性车钩：普通列车 刚性车钩：适用于城市轨道车辆、高速列车,刚性车钩的优点 间隙小，降低了纵向冲动 实现车辆间的气路和电路的自动连接，编组自动化 避免在意外撞车时发生一个车辆爬到另一个车辆上 主要用于地下铁道车辆和城市轻轨车辆，以及高速列车 非刚性车钩的优点 结构简单，强度高，重量轻 与车体的连接较为简单 一般铁路客车、货车上,车钩缓冲装置的要求 1)车钩强度大。 2)不需要复杂的钩尾销连接结构和复杂的对心装置。 3)车钩钩体的结构和铸造工艺较为简单。 车钩有待挂、连接和解钩三种状态，,密接式车钩内部结构与作用原理 a)连挂状态 b)解钩状态 c)待挂状态 1钩头 2钩舌 3解钩杆 4弹簧 5解钩风缸,(1)钩头结构 车钩的内部结构如图所示。 (2)作用原理 该车钩有待挂、连接和解钩三种状态，如图所示。,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，解钩风缸活塞杆处于回缩状态，此时半圆形钩舌的连接面与水平面呈40角。 2)连挂状态：两钩连挂时，凸锥插进对方车钩相应的凹锥孔中。 3)解钩状态：自动解钩，即要使两钩分解，需由驾驶员操纵解钩阀，压缩空气由总风管进入前车(或后车)的解钩风缸，同时经解钩风管连接器送入相连挂的后车(或前车)解钩风缸，活塞杆向前推并带动解钩杆，使钩舌转动至开锁位置，此时两钩即可解开。 在挂钩时，相互连挂的两个车钩，必须有一车钩处于全开位，也就是说，挂钩的必要充分条件是其中一个车钩处于全开位。,5.5 缓冲器的种类、性能及结构 一、缓冲器的作用与种类 作用：缓解车辆间纵向冲击与振动 类型： 弹簧式 摩擦式 橡胶 摩擦橡胶式 粘弹性橡胶泥 液压式 空气式,对缓冲器的基本要求：,1.有足够的容量和较高的冲击能量吸收率（不小于75）。 2. 有足够的强度和耐久性。 3. 在小冲击力作用下动作灵敏。 4. 摩擦件应耐用、耐磨、磨耗均匀。,二、缓冲器主要性能参数 1、行程 2、最大作用力 3、容量：非体积，吸收能量的能力 4、初压力 5、能量吸收率：不低于70% 三、缓冲器容量的确定,第六章 制 动 装 置,制动装置 为了能施行制动，需要在城市轨道车辆上安装有一整套零部件组成的一个完整的制动系统装置。它包括两个部分：制动控制系统和制动执行系统。 制动控制系统由制动信号发生与传输装置和制动控制装置组成。 制动执行系统通常称为基础制动装置，有闸瓦制动与盘形制动等。 每个车厢均设有制动装置,制动方式主要分： 直接制动 用闸瓦、制动盘、电磁铁等增大摩擦力来制动 间接制动 又称动力制动、电气制动 方式含电阻制动、再生制动 减速制动常采用电阻制动为主，电空制动为辅 紧急制动采用电空制动 在前两者制动方法无法实现的情况下（如断电），则采用手制动。,目前的制动控制系统主要有空气制动系统和电控制系统两大类。,直流空气制动机特点 a.列车管增压制动、减压缓解，列车分离时不能自动停车。 b.能实现阶段缓解和阶段制动。 c.制动力大小靠司机手把在制动位放置时间长短决定，因此控制不太准确。 d.制动时全列车制动缸的压缩空气都由总风缸供给；缓解时，各制动缸的压缩空气都须经制动阀排气口排入大气。因此前后车辆的制动和缓解的一致性不好。,自动制动机的特点 a.列车管减压制动、增压缓解，列车分离时能自动制动停车。 b.由于制动缸的风源与排气口离制动缸较近，其制动与缓解不再通过制动阀进行，因此制动与缓解一致性较直通制动机好，列车纵向冲动较小，适合于较长编组的列车。 c.有阶段制动及一次缓解性能。,（3）直通自动空气制动机的特点 a.具有阶段制动和阶段缓解。同时，列车管要充到定压，制动缸才能完全缓解。 b.具有制动力不衰减性。,轨道电磁制动机,轨道电磁制动机又称为电磁制动机，其作用原理如图所示。,轨道电磁制动机 l电磁铁；2升降风缸；3一钢轨；4一励磁线圈；5一磨耗板；6一工作磁通；7一漏磁通。,轨道电磁制动机安装在转向架两轮对之间的轨道上方，靠装在转向架上的升降风缸将电磁铁提起，使之与轨面保持一定距离。制动时将电磁铁放下至轨面，并接通励磁电流，使电磁铁以一定的吸力吸附在轨面上，产生摩擦力而起制动作用。此种制动机一般与空气制动机一起使用在高速旅客列车上。,数字控制信号与模拟控制信号的优缺点 制动力及制动减速度的选择,第七章 车体设计及其典型结构,车体结构的承载形式 承载结构可分为： 底架承载结构 全部载荷由底架来承担的车体结构，称底架承载结构，也称自由承载结构 整体承载结构 由侧、端墙与底架共同承担载荷的车体结构，称侧墙和底架共同承载结构，也称侧墙承载结构。,车体的轻量化设计 轻量化的意义： 1、减小车辆运行阻力 2、节能：驱动、制动 3、降低线路维护保养费用 4、提高车辆运行平稳性 实现方法：新结构与新材料的运用,轻量化应当是对车辆总体而言,车辆上所有构件、设施、设备、材料都要轻量化。车内设备的门窗座椅,电气的配管配线,空调系统的机组、风道、格栅等的轻量化效果,与车体的轻量化是一样的,而为此目的付出的代价和承担的风险可能还会小一些。若能减轻转向架的重量,尤其是簧下重量,那其综合作用就远非减轻车体重量可比了。,耐候钢车体 材料费、制造费低以及工艺性好、造型容易,但也存在重量较大、耐腐蚀性不大好而导致运用成本高的劣势。,铝合金车体的特点是利用铝的相对体积质量约为普通钢的1/ 3 这一点来减轻车体自重。铝合金车体的自重一般可达到普通钢车体的1/ 2 。 铝合金车体的弱点是铝的纵弹性模量小,约为普通钢的1/ 3 ,因而往往使车体刚度下降。一般铝合金车体比普通钢车体、不锈钢车体的刚度都要小。这是铝合金车体设计时加大板厚和尽量加大车体断面以提高车体抗弯刚度的重要原因。,在要求高加减速度、频繁起制动、要求较高的旅行速度或受轴重限制的城轨交通上,特别是要求高度轻量化的高速旅客列车上具有明显优势。 铝合金车体设计中还应注意的是:由于铝的熔点低,在地板下面吊装的高压大电流的发热设备(如制动电阻箱等) 应加装隔热板,以防车辆火灾的发生。铝合金车体的车辆一旦发生火灾事故,将会引发更大的灾难。,不锈钢车体由于车体不涂漆(涂漆就必须有维修) ,取消了防腐、涂漆、除漆工艺,不仅可节省大量厂房、设备、人力,而且消除了环境污染。这将给制造厂特别是用户建