第二章轨道车辆总体.

第二章轨道车辆工程•本章重点：（1）轨道车辆的基本特点。（2）轨道车辆由哪几部分构成?了解：（1）牵引力、黏着定律。第一节车辆的特点、分类及组成•一、轨道车辆的基本特点•1）自行导向：车辆沿轨道运行，无需专人掌握运行方向。•2）低运行阻力：阻力主要来自走行机构轴与轴承的摩擦阻力，还包括坡道、弯道及空气对车辆的阻力。•3）编组、连挂组成列车成列运行：车与车之间需有连接、缓冲装置、制动装置。•4）严格的车辆限界制约：严格限制车辆的外形尺寸以确保运行安全，因为它无法主动避让物体。•二、轨道车辆的结构组成•1）车体（第九章）•2）走行部（转向架）（第二、三、四、五章）•3）制动装置•4）车钩缓冲连接装置（第七章）•5）车辆内部设备•1）受流装置（将电流导入动车）•2）车辆电气系统•3）列车信息网络控制系统（1）车体车体的特征车体的材料车体的构成车体是容纳乘客和驾驶员的地方，同时又是安装和连接其他设备及组件的基础。车体（1）车体•1）车辆分类——按车辆牵引动力分类：•一般城轨车辆有动车和拖车、带司机室车和不带司机室车等多种形式。•动车（Motor,M表示），动车又可以分为带受电弓的动车MP和不带受电弓的动车M。•拖车（Train,T表示），拖车设置司机室（首位车辆，Tc表示），也可带受电弓（Tp表示）Tp车M车有司机室车辆Tc车驾驶室（1）车体•2）车辆分类——按车体宽度分类：•A(3m),B(2.8m),C(2.6m),D,L,单轨橡胶轮车。（D低地板车型，L直线电机系列）（1）车体轻轨车辆一般有三种型式：4轴车、6轴单铰接式车和8轴双铰接式车。4轴车——传统结构6轴单铰接式车8轴双铰接式车A类车（上海地铁三号线）A类车（广州地铁一号线）B类车（北京地铁一号线）B类车（深圳地铁三号线）C类车（上海地铁六号线）•为了便于车辆的管理和维护，车辆供应商及运营公司对其车辆进行了分类：A车，B车，C车。•A车：带驾驶室的拖车•B车：装有受电弓的动车•C车：无司机和无受电弓的动车ABC（1）车体•3）车辆分类——按受电方式分类：•受电弓车和受流器（受电靴）车。•4）车辆分类——按电压等级分：•直流750V和直流1500V.•5）车辆分类——按控制系统等级分：受电弓车受电弓特写受电靴车受电靴特写接触轨安装位置站台的接触轨（1）车体的特征①由于服务于市内及近郊的公共交通，车体的外观造型、色彩应协调于城市市容规划；车内座位少、车门多且开度大。②对重量限制较为严格，以降低高架线路的工程投资。③车体采用轻量化设计。④车体的防火要求严格。⑤车体的隔音和减噪措施有严格要求。（2）车体的材料轨道交通车辆对于车体材料的要求包括：①具有一定的强度和刚度。②要耐腐蚀。③采用轻量化设计，能大大节约制造材料、降低牵引力消耗和线路的损耗。•目前轨道交通车辆车体材料经历了由早期的耐候钢（碳素钢）发展到现在的不锈钢和铝合金。①耐候钢（碳素钢）车体：自重10~13t左右，总成本最高。②不锈钢车体：比碳素钢减轻1~2t，总成本最低。③铝合金车体：比碳素钢减轻3~5t，总成本较高。碳素钢：耐候钢，即耐腐蚀钢，如Q345GNHL,Q355等。（3）车体的构成•车体是由底架、侧墙、车顶和端墙等部件组成的封闭筒形结构。城市轨道交通车辆→构成车体的构成→底架•车体底架由地板、侧梁、枕梁、小横梁和牵引梁组成。•枕梁用于连接走行部，牵引梁设在底架的两端，用来安装车钩缓冲装置。1－端梁；2、7－枕梁；3－纵梁；4－侧梁；5－横梁；6－中梁。城市轨道交通车辆→构成车体的承载方式底架承载整体承载城市轨道交通车辆→构成车体的外形特点矩形鼓形城市轨道交通车辆→构成北京地铁一号线老车型DK型北京地铁一号线新车型南车株洲机车厂(7’)南车四方(10’)北车长春客车厂(2)走行部——转向架•走行部介于车体与轨道之间，引导车辆沿轨道行驶和承受来自车体及线路的各种载荷并缓和动作用力。•一般分为：转向架、悬浮架•转向架分为◆动力转向架◆非动力转向架—动力转向架上安装牵引电动机—装有动力转向架的车辆称为动车—装有非动力转向架的车辆称为拖车上海地铁五号线车辆——动拖比1：1转向架转向架铰车转向架铰车转向架（TGV)转向架的诞生•在铁路运输发展初期，由于列车车厢的长度比较小，列车轮对就是直接安装在车厢下部的，车厢重量一般由两个轮对承载。后来，列车车厢尺寸逐渐加长，车厢重量也日益增大，如果还是采用两个轮对直接安装在车厢下部的方法，则会造成各轮对承载的重量过大，结果只好增加轮对数量。•但轮对数的增加，又带来车厢难于通过小半径曲线的问题，也就是不好转弯了。转向架就是在这个背景下诞生的。•19世纪前期，美国率先开发了带转向架列车。•车厢的前后两端坐落在两台转向架上，一台转向架实际上就是把两个轮对通过构架连接起来组成一个小车，由于转向架上的两个轮对的轴距较小，加之车厢和转向架之间通过被称为“心盘”的支承点可以自由回转，所以使得较长的车厢也很容易通过小曲率半径的转弯轨道。图4传统列车的转向架a)动车转向架b)拖车转向架图5高速列车的转向架•转向架除了承载车厢重量和保证车辆顺利通过曲线轨道外，转向架上的减振弹簧和减振器保证了车辆运行的平稳性，另外列车牵引力是靠转向架上的牵引电机和减速齿轮装置来驱动轮对而实现的；列车运行安全也是由转向架上的基础制动装置来保证的。•多数车辆都是每一个车辆前后两端各设置一个转向架。图7是德国ICE高速列车录像中截下来的一张照片，可以看到转向架也是这样设置的。图7德国ICE高速列车每个车辆前后各有一个转向架图8采用日本技术的CRH2高速列车，从这张视频截图中可以看到也是每个车辆设置两个转向架图9这是以三百公里时速飞驰的法国TGV高速列车的视频截图，虽然画面比较模糊，还是可以明显看出，转向架设置在前后两个车辆的首位之间，这就是铰接连接，前后两节车厢共用一个转向架的结构铰接转向架•图10行驶在弯道上的TGV高速列车，可以看到拖车采用铰接连接共用式转向架，转向架设置在两节拖车车辆之间。每一节车厢前后两端都只用半个转向架，平均计算，每一节车厢只有一个转向架•TGV列车采用铰接式动力集中配置方式，列车编组始终保持两端为动力车，拖车之间铰接式连接，整个动车组不可分解独立运行。法国铁路认为这种结构方式具有一系列优点：•（1）动力学性能好，利于安全运行。这种列车具有优良的整体性，对列车蛇形运动加强了约束，有利于列车安全运行。•最明显的一例子是：•1993年12月21日，一列TGV-R动车组以300km/h的速度在北方线路上高速运行时，由于暴雨造成7km长的路基塌陷，引起尾部车辆脱轨，列车向前冲了2km停下来，令人惊奇的是，列车竟没有一辆倾覆，仅有3名旅客轻伤。•同为高速列车，采用通常结构的德国ICE高速列车，1998年6月3日发生车祸，列车后部的六节车厢之字形重叠在一起，造成100人死亡，88人重伤，损失两亿马克。德国ICE高速列车事故现场照片•（2）转向架数量少，空气阻力小。由于两个车辆共用一个转向架，因此使转向架数量少；又由于车辆之间没有车钩，铰接式联接，则使车辆之间纵向间隙小，可平滑过渡，空气阻力小，列车整体空气动力学性能好。•例如TGV-P高速列车，2L（动力车头）8T（拖车）编组，列车26轴分布可能是：前L：2+2；8T：9X2=18;后L:2+2;10个车辆总共仅仅26轴。如果采用一般布局，每个车辆两个转向架，10个车辆需要40根轴。•（3）振动小、噪声低。由于铰接式转向架二系悬挂支点高，车辆重心低，从而改善了侧滚振动；同时转向架位于两辆拖车之间，使得旅客座位处振动小、噪声低，提高了旅客乘坐的舒适性。•（4）转向架轴距大，高速稳定性好。铰接式转向架便于加大轴距，从而可以提高转向架高速时的运行稳定性。•（5）提高双层客车的载客量。由于采用铰接式转向架，可以将双层客车的通道设在上层，从而减少了楼梯占用面积，增加了座席面积，为列车增加载客量提供了最佳结构。•法国高速火车技术的优越性主要体现在它的铰接式车体。一般列车每节拖车都有两个转向架，而法国高速火车除了头尾动力车各有两个转向架外，拖车都是两节车坐落在一个转向架上，相当于每一节拖车只有一个转向架。转向架数目减少了，车体轻了，电能就节省了。更重要的是更安全可靠了。因为两节车厢坐落在同一个转向架上，使车体与转向架形成管式体，万一出了事故，不会出现车厢重叠，后面车厢爬到前面车厢上的灾难。二十多年来，法国高速火车没有造成一起伤亡事故，这在世界铁路史上是罕见的。•动力集中和动力分散的优缺点：•1.动力集中的列车，因为现有的机车和车辆的走行部结构，无法满足高速时的需要。就是说，可以跑快，但跑快了就会出轨。•2.动力集中型列车也有高速列车的，法国的TGV中，有一部分就是动力集中型。•3.动力集中，就比如机车，因为要满足轮对和钢轨间的粘着力（类似汽车轮胎和地面之间的抓地力），机车的质量就必须很大，相对每一根驱动轴的所受到的载荷——轴重，也必须做得很大。这样的话，运动中对钢轨的冲击也会增加，不利于高速行驶。•4.现有的动力分散型高速列车，车身的重量很小，利于起步加速。•5.动力分散，在加速时不易产生空转（车轮的牵引力大于轮轨间的粘着力，造成轮速异常上升），加速更稳定。•6.动力分散，就意味着产生动力的轮对相对多了。同样，列车实施动力制动（再生制动）的轮对也多，增加列车的安全性。（3）制动装置•为了让电动车组能以一定的速度运行，必须对其施以牵引。•同样为让运行的电动车组能迅速减速、停车，必须也对其施以制动。•制动功率要比驱动功率大5～10倍。•由于整个列车的惯性很大，不仅要在机车上设置制动装置，还要在每辆车上也设制动装置。制动类型•按电动车组动能的转移方式可以分为三类：◆摩擦制动方式即动能通过摩擦转变为热能，然后消散于大气；◆动力制动方式即把动能通过发电机转化为电能，然后将电能从车上转移出去。◆电磁制动(a)摩擦制动•常用的摩擦制动方式主要有闸瓦制动和盘形制动，还有轨道电磁制动等方式。（1）闸瓦制动，又称为踏面制动，是最常用的一种制动方式。（2）盘形制动，制动缸通过制动夹钳，夹紧制动盘，使闸片和制动盘间产生摩擦，把电动车组的动能转变为热能，热能通过制动盘与闸片散于大气。闸瓦制动盘形制动(b)动力制动•（1）电阻制动。将发电机发出的电能加于电阻器中，使电阻器发热，即电能转变为热能。电阻器上的热能靠风扇强迫通风而散于大气中。电阻制动一般能提供较稳定的制动力，但车辆底架下需要安装体积较大的电阻箱。•（2）再生制动。再生制动是把电动车组的动能通过发电机转换为电能后，再使电能反馈回电网，进行回收使用。地铁车辆的制动电阻动力制动再生制动（3）电磁制动（磁轨制动和涡流制动）磁轨制动是通过将车辆转向架上的磁铁吸附在轨道上并使车辆在轨道上滑行产生的制动。由于磁轨制动时，电磁铁与钢轨间的摩擦远远大于滚动摩擦表面，因此，其摩擦力数倍于滚动摩擦力，其制动效率也远大于闸瓦和闸盘的。涡流制动则是将电磁铁落至距轨面7~~10mm处，电磁铁与钢轨间的相对运动引起电涡流作用形成制动力。这两种方式称为电磁制动，其最大的优点是产生的制动力不受轮轨间的粘着条件限制。磁轨制动的不足之处是,其制动力的产生和消失都很突然,这种制动和缓解作用的突发性使其更适合作为辅助性紧急制动装置。磁轨制动的原理磁轨制动属于非粘着制动，制动力不受轮轨间粘着因数的限制。由于磁轨制动时，电磁铁与钢轨间的摩擦表面远远大于滚动摩擦表面，因此，其摩擦力数倍于滚动摩擦力，其制动效率也远大于闸瓦和闸盘的。磁轨制动主要作为一种辅助的制动方式，用于粘着力不够的高速旅客列车的紧急制动中。如国外的长途旅客列车,设计速度在120km/h以下时，一般不采用磁轨制动；设计速度在140km/h及其以上时，应采用磁轨制动；设计速度在200km/h以上时，则必须采用磁轨制动。磁轨制动涡流制动磁轨制动时，由于磁铁对钢轨的打磨作用，使得轮轨间的粘着因数明显增加，这一方面促进了盘形(或闸瓦)制动，另一方面减少了制动过程中轮对的滑行和擦伤,改善了轮轨间的粘着状态。在相