关于地铁列车结构及构造原理的探讨

邵微

摘 要：地铁列车通过自动驾驶系统、牵引制动装置，或者是车钩、转向架等具有高度牵引力的装置，共同保证地铁运行的高速、平稳、安全运行。本文通过对地铁列车构造、性能等基本信息的了解，对我国地铁列车结构及构造原理进行分析，了解地铁列车的主要组成。

关键词：交通工具；地铁列车；结构；构造原理

中图分类号：U451 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）04-0075-02

地铁列车大大方便了人们的出行和城市环境的设计，地铁列车已经成为人们出行首选的交通工具，对人们的生活水平有着很大程度的影响。目前，我国面对科技化程度不断提高、人们对于出行的要求不断加深的情况，地铁工程设计也在持续的进行改进，在符合我国实际状况的前提下，不断完善其性能，对地铁列车进行提速，并且逐步扩大其安全性能，保证地铁工程建设的稳定。

1 地铁列车简介

1.1 构造方面

地铁列车采取动力分散的构造模式。根据车辆运行的实际状况，把地铁列车以动力车和非动力车相结合的方法进行组合，并在车辆两端设置控制台。为了满足不同列车运行区间、不同地形、客流状况以及运行模式等，地铁车辆的设计是非常严谨的。在车辆前期设计时，需要综合考虑线路条件、客流量、运营模式等，同时也要考虑到地铁列车维修因素，尽力使用规范的方式进行设计。

1.2 结构方面

目前地铁车辆的设计不断减轻其运行重量，采取相对更简便的材料进行设计，目前主要使用大断面中空挤压铝型材和不锈钢模块化进行车身的设计，使其车身均匀受力；悬掛装置可以在很大程度上减轻车辆的振动；制动装置以电气和空气相结合的综合装置；[1]各个车厢之间的串联使用密贴式车钩进行自动化的衔接；车厢之间使用通过量强的封闭式全贯通道。

1.3 运行性能

地铁列车的设计要求有非常强的安全性以及稳定性，因为它服务于人口密集的城市，是人们信赖的交通工具。另外，要保证地铁车厢内环境的舒适，为旅客营造一个舒适、温馨的出行环境，满足人们的出行需求。

1.4 运行方式

在运行方式上，地铁列车采取自动驾驶系统ATO。主牵引传动使用的是性能突出的调频调压交流传动；辅助系统采用的是IG-BT技术。

1.5 基本构造

虽然地铁列车由于实际状况的不同，有很多种组成形式，但是万变不离其宗。在机械方面，主要有车体、车钩以缓冲装置、车门、转向架、空气制动、通风装置等几部分组成；在电气部分，主要由牵引制动装置、辅助系统、列车控制系统、故障诊断装置、通信设备以及自动控制装置组成。

2 地铁列车结构及构造原理

2.1 机械部分

2.1.1 车体

车体按照材质可分为碳钢车体、不锈钢车体以及铝合金车体，地铁车辆主流车体为不锈钢车体和铝合金车体，车体采用模块化设计，主要由底架、侧墙、端墙和车顶组成。不锈钢车体不仅轻量化，而且耐腐蚀性优越，不但减少了维修工作量和维修费用，而且延长了车辆的使用寿命。不锈钢车辆金属板件之间连接的主要形式就是点焊，它分布在车身的各个部位，数量多达数万个。铝合金车体采用大型中空型材，重量轻、耐腐蚀、外观平整度好和易于制造复杂美观曲面车体的优点。头车司机室外部采用玻璃钢材质，不仅外观优美，同时具有较好的流线型来减小风阻，通过螺栓或者铆钉与车体骨架连接。对于车身的装扮和车辆内部的内饰，可以通过城市的特点，以及赞助商的不同状况进行装饰，满足人们的不同视觉感受。

各个车厢之间的连接通过贯通道衔接，它具有良好的防雨、防风、防尘、隔音、隔热等功能，能够使旅客安全地穿行于车厢之间，保护不受外力损害，同时可适应车体在任何转变及穿越路口时车厢之间产生的移动。贯通道方案根据有无侧护板可划分为无侧护板式贯通道、一块侧护板式贯通道、三块侧护板式贯通道，从曲线运动、安装维护、隔声降噪等多个技术要求上考虑，无侧护板技术性能最佳。

2.1.2 车门

车门是地铁车辆的重要组成部分，目前客室车门主要有外挂式门、塞拉门和内藏式水平移门。客室车门从物理、热能和噪音将内部和外部环境隔离开并由驾驶室经车辆控制器控制。车辆控制器和每个客室车门带的门控器连接。 门控器处理所有与门系统各门相关驱动指令。每个客室车门安装有手动紧急操作系统。车门驱动力一般以双向工作的电机或者压缩空气驱动传动风缸，运用皮带传动与丝杆设备进行传动。车门的开关主要是通过电子门控单元来实现，驾驶室有车门的控制装置，通过电子门控单元传达的信号进行车门的开启与关闭。车门机构处设置有行程开关或微动开关，用于监测车门的位置以及状态，保证车门开启和关闭正常，防止出现安全问题。

移动门特别是外挂门的安全性较低，只适合配备在运行速度较慢的地铁列车上。因为外挂门处于悬挂状态，没有有力的支撑，在车辆运行遭遇到大的阻力时，这时悬挂门便会有一定的安全隐患，对车辆运行的安全造成影响。而移动门要去车身与车门之间有很大的间隙，会降低密封性，使得车厢内隔音效果很大，容易造成噪音污染。同时当车辆运行的速度不断加快，车厢内便会有风吹入，影响车厢内部空间的舒适度。并且在车辆经过特殊的地形时，车厢内压力的变化会对车门的移动造成一定的影响，降低其开关门的速度，同时压力变动也会造成箱体内部舒适度的减低。塞拉门密封性好，且与车体保持较好的流线型，外观优美，空气阻力小，但其结构复杂，维修量大，且故障率也偏高。

2.1.3 车钩及缓冲装置

车钩缓冲装置是车辆最基本的也是最重要的部件之一。它是用来连接列车中各车辆使之彼此保持一定的距离，并且传递和缓和列车在运行中或在调车时所产生的纵向力或冲击力，并且实现电路装置和气路装置的完美衔接。

车钩及缓冲装置主要有三种种类，分别是自动车钩、半自动车钩以及半永久牵引杆。三种车钩普遍的特点是设置可复原能量吸收装置，能保证车辆受到的伤害降低。不同点表现在自动车钩和半永久牵引杆还配备超载保护系统，不可复原的可压溃变形管，采用性能突出的密接式车钩，通过车厢尽头的凹凸槽进行连接，能够增加连接的紧密性[2]。密接式车钩连挂时两钩间的间隙很小，彼此不能作相对移动。旅客列车采用这种车钩能减轻起动和制动时车辆前后冲撞，从而提高舒适性；在发生事故时，可防止车辆倾覆、攀爬和套车等，以增进安全性。有的密接式车钩还带有风管和电路的自动连结接头，称为多功能密接式车钩、地铁车辆的全自动车钩和半自动车钩基本都是用密接式车钩这种类型。

2.2 电器部分

2.2.1 牵引及电制动装置

列车牵引系统一般采用VVVF逆变器-异步牵引电动机构成的交流电传动系统，牵引电制动装置主要由高压电器箱、母线高速断路器及接触器箱、线路电抗器、牵引逆变器箱、制动电阻箱、牵引电机等装置组成，经受流装置将直流电由牵引逆变器变换成频率、电压均可调的三相交流电，向异步牵引电动机供电，牵引电机产生的扭矩经过齿轮驱动列车的运行，并在列车制动时把动能转化为电能从新传达给电网，或者转变为可以传输的热能。

电制动装置主要有再生反馈制动以及电阻制动。再生反馈制动以与牵引相反的运行模式，电阻制动将产生的电能通过电阻分解掉。目前由于电阻制动性能的不稳定，在载客人数较多或者速度较快的情况下，不能到达列车运行的标准，通常还需要气制动与其相互照应，共同完成制动工作。

2.2.2 辅助系统

辅助电源系统的运行独立于牵引系统， 为保证辅助电源系统的高可用性及避免电压中断，设置采用列车辅助专用高压母线，并设置辅助高压母线熔断器，通过高压辅助母线将列车的辅助电源输入端并行连接起来。

辅助电源系统主要由辅助电源（含逆变器、DC110V充电机）、DC24V电源、辅助高压电路、扩展供电电路等组成。辅助电源将直流电压逆变成三相交流电压（AC380V），为空调、空气压缩机、照明及控制电路等提供稳定的三相四线制的交流电压，并将交流电压（AC380V）通过蓄电池充电机变换成蓄电池与低压直流负载使用的DC110V电压，DC24V则由DC/DC模块提供。

蓄电池充电器的功能是在电力供应出现问题时，及时通过蓄电池中的电力恢复车辆运行，是车辆运行的必要保证。车辆上的蓄电池充电器设置要能够满足45分钟内电压在110V时电力的持续供应，保证控制系统、照明、广播、通风、车门等系统的正常运行。辅助逆变器通过高压反馈线与列车上的受电装置相连，保证如果出现一个受电装置出现故障，辅助逆变器也不会与电源分离，保证列车运行的安全与稳定。

2.2.3 空调系统

空调机组的结构型式一般为车顶单元式，只有制冷功能，安装在车辆顶部，每节车安装2台。机组从蒸发腔底部回风、蒸发腔底部送风，新风从机组蒸发腔两侧导入。新风和回风在回风蒸发腔内混合，经回风滤尘网过滤后，由蒸发器冷却并通过送风机送入客室内，调整室内温度下降，并使其维持在较舒适的范围内。空调机组的冷凝水通过机组底部的排水孔，直接排至车顶。空调机组的室外冷凝风从机组顶部进入，通过冷凝器后，再从机组两侧面排出。司机室通过风道将客室主风道内处理后空气引入司机室，通风单元设有风量和风向的调节装置，达到司机室降温目的。

客室座椅电加热器均匀安装在客室座椅下方，可自动实现对客室内空气进行加热。

2.2.4 列车自动控制和诊断系统

列车控制和诊断系统TCMS作为整车控制系统，通过信号采集模块，采集司机的操作指令、列车各个工况下的状态等信号，经过运算及逻辑处理，给出操作列车各部件的控制指令，通过MVB总线实现与牵引控制系统、空气制动控制系统、辅助供电系统、信号系统、车门系统、广播和视频监控系统等部件的数据交换，实现列车的通信管理、控制与故障诊断、信息显示和事件记录等主要功能。

TCMS可实现司机室激活控制、操作模式管理、牵引制动控制、方向控制、电制动管理、空调启动控制、列车载荷管理、限速管理、通信状态诊断等功能。

列车自动控制系统由自动驾驶、自动保护以及自动监控三个方面组成。通过该控制系统能够实现列车的自动控制，实现在速度变化出现异常时及时制止，在对列车实现实时监控的基础上，保证列车各个运行状况的稳定。自动驾驶控制列车的调速以及停车的相关过程；自动驾驶保证列车运行的速度与间隔达到相应的标准，当出现与既定标准相异的状况出现时，进行及时的制动，保护列车运行的安全；自动监控实现列车的自动换道、变轨等任务。

3 结语

地铁由于其运行地点的特殊性，还具有高舒适性、高速性以及其他优点，这就保证地铁在我国的普及程度。我国地铁列车的设计会随着技术的发展，不断向着轻便型、自动化方面发展，这些都会促进我国地铁的高速发展，解决出行问题，提升我国城市化程度。

参考文献

[1]乔辉.地铁列车的结构及构造原理[J].科技信息，2012，04：337-338.

[2]孙晓静.地铁列车振动对环境影响的预测研究及减振措施分析[D].北京交通大學，2008.

[3]李国正.基于RAMS的地铁列车车载设备维修策略与故障诊断研究[D].北京交通大学，2013.