關于地鐵列車結構及構造原理的探討

邵微

摘 要：地鐵列車通過自動駕駛系統、牽引制動裝置，或者是車鉤、轉向架等具有高度牽引力的裝置，共同保證地鐵運行的高速、平穩、安全運行。本文通過對地鐵列車構造、性能等基本信息的了解，對我國地鐵列車結構及構造原理進行分析，了解地鐵列車的主要組成。

關鍵詞：交通工具；地鐵列車；結構；構造原理

中圖分類號：U451 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）04-0075-02

地鐵列車大大方便了人們的出行和城市環境的設計，地鐵列車已經成為人們出行首選的交通工具，對人們的生活水平有著很大程度的影響。目前，我國面對科技化程度不斷提高、人們對于出行的要求不斷加深的情況，地鐵工程設計也在持續的進行改進，在符合我國實際狀況的前提下，不斷完善其性能，對地鐵列車進行提速，并且逐步擴大其安全性能，保證地鐵工程建設的穩定。

1 地鐵列車簡介

1.1 構造方面

地鐵列車采取動力分散的構造模式。根據車輛運行的實際狀況，把地鐵列車以動力車和非動力車相結合的方法進行組合，并在車輛兩端設置控制臺。為了滿足不同列車運行區間、不同地形、客流狀況以及運行模式等，地鐵車輛的設計是非常嚴謹的。在車輛前期設計時，需要綜合考慮線路條件、客流量、運營模式等，同時也要考慮到地鐵列車維修因素，盡力使用規范的方式進行設計。

1.2 結構方面

目前地鐵車輛的設計不斷減輕其運行重量，采取相對更簡便的材料進行設計，目前主要使用大斷面中空擠壓鋁型材和不銹鋼模塊化進行車身的設計，使其車身均勻受力；懸掛裝置可以在很大程度上減輕車輛的振動；制動裝置以電氣和空氣相結合的綜合裝置；[1]各個車廂之間的串聯使用密貼式車鉤進行自動化的銜接；車廂之間使用通過量強的封閉式全貫通道。

1.3 運行性能

地鐵列車的設計要求有非常強的安全性以及穩定性，因為它服務于人口密集的城市，是人們信賴的交通工具。另外，要保證地鐵車廂內環境的舒適，為旅客營造一個舒適、溫馨的出行環境，滿足人們的出行需求。

1.4 運行方式

在運行方式上，地鐵列車采取自動駕駛系統ATO。主牽引傳動使用的是性能突出的調頻調壓交流傳動；輔助系統采用的是IG-BT技術。

1.5 基本構造

雖然地鐵列車由于實際狀況的不同，有很多種組成形式，但是萬變不離其宗。在機械方面，主要有車體、車鉤以緩沖裝置、車門、轉向架、空氣制動、通風裝置等幾部分組成；在電氣部分，主要由牽引制動裝置、輔助系統、列車控制系統、故障診斷裝置、通信設備以及自動控制裝置組成。

2 地鐵列車結構及構造原理

2.1 機械部分

2.1.1 車體

車體按照材質可分為碳鋼車體、不銹鋼車體以及鋁合金車體，地鐵車輛主流車體為不銹鋼車體和鋁合金車體，車體采用模塊化設計，主要由底架、側墻、端墻和車頂組成。不銹鋼車體不僅輕量化，而且耐腐蝕性優越，不但減少了維修工作量和維修費用，而且延長了車輛的使用壽命。不銹鋼車輛金屬板件之間連接的主要形式就是點焊，它分布在車身的各個部位，數量多達數萬個。鋁合金車體采用大型中空型材，重量輕、耐腐蝕、外觀平整度好和易于制造復雜美觀曲面車體的優點。頭車司機室外部采用玻璃鋼材質，不僅外觀優美，同時具有較好的流線型來減小風阻，通過螺栓或者鉚釘與車體骨架連接。對于車身的裝扮和車輛內部的內飾，可以通過城市的特點，以及贊助商的不同狀況進行裝飾，滿足人們的不同視覺感受。

各個車廂之間的連接通過貫通道銜接，它具有良好的防雨、防風、防塵、隔音、隔熱等功能，能夠使旅客安全地穿行于車廂之間，保護不受外力損害，同時可適應車體在任何轉變及穿越路口時車廂之間產生的移動。貫通道方案根據有無側護板可劃分為無側護板式貫通道、一塊側護板式貫通道、三塊側護板式貫通道，從曲線運動、安裝維護、隔聲降噪等多個技術要求上考慮，無側護板技術性能最佳。

2.1.2 車門

車門是地鐵車輛的重要組成部分，目前客室車門主要有外掛式門、塞拉門和內藏式水平移門。客室車門從物理、熱能和噪音將內部和外部環境隔離開并由駕駛室經車輛控制器控制。車輛控制器和每個客室車門帶的門控器連接。 門控器處理所有與門系統各門相關驅動指令。每個客室車門安裝有手動緊急操作系統。車門驅動力一般以雙向工作的電機或者壓縮空氣驅動傳動風缸，運用皮帶傳動與絲桿設備進行傳動。車門的開關主要是通過電子門控單元來實現，駕駛室有車門的控制裝置，通過電子門控單元傳達的信號進行車門的開啟與關閉。車門機構處設置有行程開關或微動開關，用于監測車門的位置以及狀態，保證車門開啟和關閉正常，防止出現安全問題。

移動門特別是外掛門的安全性較低，只適合配備在運行速度較慢的地鐵列車上。因為外掛門處于懸掛狀態，沒有有力的支撐，在車輛運行遭遇到大的阻力時，這時懸掛門便會有一定的安全隱患，對車輛運行的安全造成影響。而移動門要去車身與車門之間有很大的間隙，會降低密封性，使得車廂內隔音效果很大，容易造成噪音污染。同時當車輛運行的速度不斷加快，車廂內便會有風吹入，影響車廂內部空間的舒適度。并且在車輛經過特殊的地形時，車廂內壓力的變化會對車門的移動造成一定的影響，降低其開關門的速度，同時壓力變動也會造成箱體內部舒適度的減低。塞拉門密封性好，且與車體保持較好的流線型，外觀優美，空氣阻力小，但其結構復雜，維修量大，且故障率也偏高。

2.1.3 車鉤及緩沖裝置

車鉤緩沖裝置是車輛最基本的也是最重要的部件之一。它是用來連接列車中各車輛使之彼此保持一定的距離，并且傳遞和緩和列車在運行中或在調車時所產生的縱向力或沖擊力，并且實現電路裝置和氣路裝置的完美銜接。

車鉤及緩沖裝置主要有三種種類，分別是自動車鉤、半自動車鉤以及半永久牽引桿。三種車鉤普遍的特點是設置可復原能量吸收裝置，能保證車輛受到的傷害降低。不同點表現在自動車鉤和半永久牽引桿還配備超載保護系統，不可復原的可壓潰變形管，采用性能突出的密接式車鉤，通過車廂盡頭的凹凸槽進行連接，能夠增加連接的緊密性[2]。密接式車鉤連掛時兩鉤間的間隙很小，彼此不能作相對移動。旅客列車采用這種車鉤能減輕起動和制動時車輛前后沖撞，從而提高舒適性；在發生事故時，可防止車輛傾覆、攀爬和套車等，以增進安全性。有的密接式車鉤還帶有風管和電路的自動連結接頭，稱為多功能密接式車鉤、地鐵車輛的全自動車鉤和半自動車鉤基本都是用密接式車鉤這種類型。

2.2 電器部分

2.2.1 牽引及電制動裝置

列車牽引系統一般采用VVVF逆變器-異步牽引電動機構成的交流電傳動系統，牽引電制動裝置主要由高壓電器箱、母線高速斷路器及接觸器箱、線路電抗器、牽引逆變器箱、制動電阻箱、牽引電機等裝置組成，經受流裝置將直流電由牽引逆變器變換成頻率、電壓均可調的三相交流電，向異步牽引電動機供電，牽引電機產生的扭矩經過齒輪驅動列車的運行，并在列車制動時把動能轉化為電能從新傳達給電網，或者轉變為可以傳輸的熱能。

電制動裝置主要有再生反饋制動以及電阻制動。再生反饋制動以與牽引相反的運行模式，電阻制動將產生的電能通過電阻分解掉。目前由于電阻制動性能的不穩定，在載客人數較多或者速度較快的情況下，不能到達列車運行的標準，通常還需要氣制動與其相互照應，共同完成制動工作。

2.2.2 輔助系統

輔助電源系統的運行獨立于牽引系統， 為保證輔助電源系統的高可用性及避免電壓中斷，設置采用列車輔助專用高壓母線，并設置輔助高壓母線熔斷器，通過高壓輔助母線將列車的輔助電源輸入端并行連接起來。

輔助電源系統主要由輔助電源（含逆變器、DC110V充電機）、DC24V電源、輔助高壓電路、擴展供電電路等組成。輔助電源將直流電壓逆變成三相交流電壓（AC380V），為空調、空氣壓縮機、照明及控制電路等提供穩定的三相四線制的交流電壓，并將交流電壓（AC380V）通過蓄電池充電機變換成蓄電池與低壓直流負載使用的DC110V電壓，DC24V則由DC/DC模塊提供。

蓄電池充電器的功能是在電力供應出現問題時，及時通過蓄電池中的電力恢復車輛運行，是車輛運行的必要保證。車輛上的蓄電池充電器設置要能夠滿足45分鐘內電壓在110V時電力的持續供應，保證控制系統、照明、廣播、通風、車門等系統的正常運行。輔助逆變器通過高壓反饋線與列車上的受電裝置相連，保證如果出現一個受電裝置出現故障，輔助逆變器也不會與電源分離，保證列車運行的安全與穩定。

2.2.3 空調系統

空調機組的結構型式一般為車頂單元式，只有制冷功能，安裝在車輛頂部，每節車安裝2臺。機組從蒸發腔底部回風、蒸發腔底部送風，新風從機組蒸發腔兩側導入。新風和回風在回風蒸發腔內混合，經回風濾塵網過濾后，由蒸發器冷卻并通過送風機送入客室內，調整室內溫度下降，并使其維持在較舒適的范圍內。空調機組的冷凝水通過機組底部的排水孔，直接排至車頂。空調機組的室外冷凝風從機組頂部進入，通過冷凝器后，再從機組兩側面排出。司機室通過風道將客室主風道內處理后空氣引入司機室，通風單元設有風量和風向的調節裝置，達到司機室降溫目的。

客室座椅電加熱器均勻安裝在客室座椅下方，可自動實現對客室內空氣進行加熱。

2.2.4 列車自動控制和診斷系統

列車控制和診斷系統TCMS作為整車控制系統，通過信號采集模塊，采集司機的操作指令、列車各個工況下的狀態等信號，經過運算及邏輯處理，給出操作列車各部件的控制指令，通過MVB總線實現與牽引控制系統、空氣制動控制系統、輔助供電系統、信號系統、車門系統、廣播和視頻監控系統等部件的數據交換，實現列車的通信管理、控制與故障診斷、信息顯示和事件記錄等主要功能。

TCMS可實現司機室激活控制、操作模式管理、牽引制動控制、方向控制、電制動管理、空調啟動控制、列車載荷管理、限速管理、通信狀態診斷等功能。

列車自動控制系統由自動駕駛、自動保護以及自動監控三個方面組成。通過該控制系統能夠實現列車的自動控制，實現在速度變化出現異常時及時制止，在對列車實現實時監控的基礎上，保證列車各個運行狀況的穩定。自動駕駛控制列車的調速以及停車的相關過程；自動駕駛保證列車運行的速度與間隔達到相應的標準，當出現與既定標準相異的狀況出現時，進行及時的制動，保護列車運行的安全；自動監控實現列車的自動換道、變軌等任務。

3 結語

地鐵由于其運行地點的特殊性，還具有高舒適性、高速性以及其他優點，這就保證地鐵在我國的普及程度。我國地鐵列車的設計會隨著技術的發展，不斷向著輕便型、自動化方面發展，這些都會促進我國地鐵的高速發展，解決出行問題，提升我國城市化程度。

參考文獻

[1]喬輝.地鐵列車的結構及構造原理[J].科技信息，2012，04：337-338.

[2]孫曉靜.地鐵列車振動對環境影響的預測研究及減振措施分析[D].北京交通大學，2008.

[3]李國正.基于RAMS的地鐵列車車載設備維修策略與故障診斷研究[D].北京交通大學，2013.