城市轨道交通车辆构造-项目八城轨交通车辆新技术

1精品课程项目八城轨交通车辆新技术2目前城轨交通系统地铁车辆、轻轨列车车辆多采用钢轮、钢轨系统，虽然在解决城市交通方面效果显著、技术成熟，但存在噪声、振动、破坏景观等生态影响问题，因此目前各国都致力于研制一些不同于传统型式的城轨车辆，称为新型城轨车辆。本项目将简要介绍直线电机地铁车辆、磁浮列车等新型城轨车辆的基本知识。项目导入3学习目标（1）掌握直线电机地铁车辆的工作原理、基本结构和特点等基本知识与技能。（2）了解磁浮列车的基本知识、基本工作原理和应用。任务一直线电机地铁车辆。4目录任务一直线电机地铁车辆01任务二磁浮列车025任务一直线电机地铁车辆6任务一一、直线电机基本知识直线电机是一种将电能直接转换成直线运动的机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。如图8-1所示，一般的旋转感应电机包括定子和转子两大部分，定子主要由机壳、铁心、三相绕组组成，转子主要由鼠笼和铁心组成，而直线异步电机可看成是一台旋转异步电机沿轴向剖开，然后展成平面而成。如图8-2所示，对应旋转电机定子的部分叫初级，对应转子的部分叫次级。在初级绕组中通三相交流电，便产生一个平移交变磁场称为行波磁场。在行波磁场与次级永磁体的作用下产生驱动力，从而实现运动部件的直线运动。7任务一如图

8-1一、直线电机基本知识8任务一如图

8-2一、直线电机基本知识9任务一二、直线电机地铁车辆的特点直线电机地铁车辆一般情况都将直线异步电机的定子安装在车辆转向架上，将转子安装在轨道中间，转子也可称为感应板，多采用非磁性体（铜板或铝板）和磁性体（钢板）构成的复合金属板，以兼具两者的优点。直线电机地铁车辆的基本特点总结如下：10任务一直线电机地铁车辆能够依靠直线电机产生的电磁力推进，车轮仅起到承载作用，列车的牵引力不再受到轮轨间黏着因素的制约，可以获得很强的启动、加速和减速动力性能，尤其具有突出的爬坡能力，线路的最大坡度可达到70‰以上，远远大于传统地铁车辆30‰的最大坡度。(1)良好的动力性能。二、直线电机地铁车辆的特点11任务一直线电机地铁车辆没有齿轮传动机构的啮合振动和噪声；车轮不是驱动轮，没有动力轮对与钢轨蠕滑滚动产生的振动和噪声；采用径向转向架，具有良好的曲线通过性能，避免了过曲线时轮轨冲角带来的振动和噪声，因此对外界环境噪声影响极小。(2)振动和噪声小。二、直线电机地铁车辆的特点12任务一由于直线电机地铁车辆的车轮不传递牵引和制动力，因此其转向架的轴箱定位结构可以大大简化，容易实现较小的轴箱定位刚度，另外轴间无须安装传动装置和电机，转向架轴距（传统为2100mm以上）可以缩减，这样很容易实现径向转向架，有利于通过小曲线，提高了车辆的曲线通过性能和运行平稳性，线路的最小曲线半径可达60m，有利于选线和布置停车场；直线电机地铁车辆的下部界限不构成对结构的约束，可采用小直径车轮，车辆的地板高度可相应降低，从而实现车辆的小型化，减少工程投资。(3)可实现径向转向架。二、直线电机地铁车辆的特点13任务一直线电机地铁车辆采用的是非黏着驱动模式，牵引和制动性能的发挥不依赖于环境，是一种全天候的运载工具。直线电机驱动的电磁力的分力使轮轨间产生一定的附加压力，有利于提高轮轨运动的稳定性，因此安全性指标较高；取消了旋转电机驱动滚动轴承、传动齿轮，减小了磨耗，大大提高了车辆运行的可靠性和可维护性，维修工作量较小，维护成本较低。(4)安全性和可靠性高。二、直线电机地铁车辆的特点14任务一直线电机地铁车辆具有良好的加、减速性能及较高的停车位置控制精度，因此更容易实现小编组、高密度、自动驾驶的运行模式；由于采用钢轮钢轨技术，故仍可采用长期运用成熟、安全可靠的轨道电路信号系统来实行对列车的信号传输、运行监控和集中调度，运营适应性较好。(5)良好的编组灵活性和运营适应性。二、直线电机地铁车辆的特点15任务一直线电机地铁车辆采用的直线异步电机不需借助传动装置把旋转运动变成直线运动，这使得系统本身的结构大为简化，质量和体积减小。若将其用于城轨交通车辆上可降低车辆高度，从而缩小地铁隧洞直径，降低工程成本。(6)建设成本低。二、直线电机地铁车辆的特点16任务二磁浮列车17任务二一、磁浮列车的发展史图8-5是磁浮列车的示意图。磁浮技术的研究源于德国，早在1922年德国工程师赫尔曼·肯佩尔就提出了电磁浮原理，并于1934年申请了磁浮列车的专利。进入20世纪70年代后，随着世界工业化国家经济实力的不断加强，为提高交通运输能力以适应其经济发展的需要，德国、日本、美国、加拿大、法国、英国等发达国家相继开始筹划进行磁浮运输系统的开发。而美国和苏联则分别在20世纪七八十年代放弃了这项研究计划，目前只有德国和日本仍在继续进行磁浮系统的研究，并均取得了令世人瞩目的进展。18任务二一、磁浮列车的发展史如图

8-519任务二一、磁浮列车的发展史日本于1962年开始研究常导磁浮铁路。此后由于超导技术的迅速发展，从70年代初开始转向研究超导磁浮铁路。1972年首次成功地进行了2.2t重的超导磁浮列车试验，其速度达到50km/h。1977年12月在宫琦磁浮铁路试验线上，最高速度达到了204km/h，到1979年12月又进一步提高到517km/h。1982年11月，磁浮列车的载人试验获得成功。1995年，载人磁浮列车试验时的最高速度达到411km/h。为了进行试验，在东京至大阪间修建磁浮铁路试验线，首期18.4km长的试验线已于1996年全部建设完成。20任务二一、磁浮列车的发展史德国对磁浮铁路的研究始于1968年。研究初期，常导和超导并重，到1977年，先后研制出常导电磁铁吸引式和超导电磁铁相斥式试验车辆，试验时的最高速度达到400km/h。后来经过分析比较认为，超导磁浮铁路所需的技术水平太高，短期内难以取得较大进展，遂决定以后只集中力量发展常导磁浮铁路。1978年，德国决定在埃娒斯兰德修建全长31.5km的试验线，并于1980年开工兴建，1982年开始进行不载人试验。列车的最高试验速度在1983年底达到300km/h，1984年又进一步增至400km/h。目前，德国在常导磁浮铁路研究方面的技术已趋成熟。21任务二一、磁浮列车的发展史与日本和德国相比，英国对磁浮铁路的研究起步较晚，从1973年开始。但是，英国是最早将磁浮铁路投入商业运营的国家之一。1984年4月，伯明翰机场至英特纳雄纳尔车站之间一条600m长的磁浮铁路正式通车营业。乘客乘坐磁浮列车从伯明翰机场至英特纳雄纳尔车站仅需90s。令人遗憾的是，在1995年，这趟一度是世界上唯一从事商业运营的磁浮列车在运行了11年之后被宣布停止营业，其运送乘客的任务由机场班车所取代。22任务二二、磁浮列车的分类1.按电磁铁的种类划分常导吸引型。常导吸引型磁浮列车是以常导磁铁和导轨作为导磁体，用气隙传感器来调节列车与线路之间的磁浮间隙大小。在一般情况下，其磁浮间隙大小在10mm左右，这种磁浮列车的运行速度通常在300~500km/h范围内，适合于城际及市郊的交通运输。超导排斥型。超导排斥型磁浮列车是利用超导磁铁和低温技术，来实现列车与线路之间磁浮运行，其磁浮间隙大小一般在100mm左右，这种磁浮列车低速时并不磁浮，当速度达到100km/h时才磁浮起来。它的最高运行速度可以达到1000km/h，当然其建造技术和成本要比常导吸引型磁浮列车高得多。010223任务二2.按磁浮方式划分电磁吸引式磁浮。该方式是利用导磁材料与电磁铁之间的吸引力，绝大部分磁浮采用此方式。永磁力磁浮。这是一种最简单的方案，利用永久磁铁同极间的斥力，一般产生斥力为0.1MPa。其缺点为横向位移的不稳定因素。感应力斥磁浮。依靠励磁线圈和短路线圈的相对运动得到斥力，所以列车要有足够的速度才能磁浮起来，大约100km/h，它不适合于低速运行。010203二、磁浮列车的分类24任务二二、磁浮列车的分类3.按列车的驱动方式划分长转子、短定子异步直线电机驱动。这种电机的“定子”安装在车辆的底部，“转子”线圈安装在轨道上，它适合于低速运行。长定子、短转子同步直线电机驱动。此方式是将电机的“转子”线圈装在车辆上，“定子”线圈装在轨道上，它适合于高速运行。010225任务二三、磁浮列车的原理1.磁浮原理由于磁铁有同性相斥和异性相吸两种形式，故磁浮列车也有两种相应的形式：一种是利用磁铁同性相斥原理而设计的电磁运行系统的磁浮列车，它利用车上超导体电磁铁形成的磁场与轨道上线圈形成的磁场之间所产生的相斥力，使车体磁浮运行的铁路；另一种则是利用磁铁异性相吸原理而设计的电动力运行系统的磁浮列车，它是在车体底部及两侧倒转向上的顶部安装磁铁，在T形导轨的上方和伸臂部分下方分别设反作用板和感应钢板，控制电磁铁的电流，使电磁铁和导轨间保持10~15mm的间隙，并使导轨钢板的吸引力与车辆的重力平衡，从而使车体磁浮于车道的导轨面上运行。26任务二三、磁浮列车的原理1.磁浮原理常导磁吸式是利用装在车辆两侧转向架上的常导电磁铁（磁浮电磁铁）和铺设在线路导轨上的磁铁，在磁场作用下产生的吸引力使车辆浮起，如图8-4所示。车辆和轨面之间的间隙与吸引力的大小成反比。为了保证这种磁浮的可靠性和列车运行的平稳，使直线电机有较高的功率，必须精确地控制电磁铁中的电流，使磁场保持稳定的强度和磁浮力，使车体与导轨之间保持大约10mm的间隙。通常采用测量间隙用的气隙传感器来进行系统的反馈控制。这种磁浮方式不需要设置专用的着地支撑装置和辅助的着地车轮，对控制系统的要求也可以稍低一些。27任务二如图

8-4三、磁浮列车的原理28任务二如图

8-6三、磁浮列车的原理29任务二三、磁浮列车的原理1.磁浮原理超导磁斥式是在车辆底部安装超导磁体（放在液态氦储存槽内），在轨道两侧铺设一系列铝环线圈。列车运行时，给车上线圈（超导磁体）通电流，产生强磁场，地上线圈（铝环）与之相切割，在铝环内产生感应电流。感应电流产生的磁场与车辆上超导磁体的磁场方向相反，两个磁场产生排斥力。当排斥力大于车辆质量时，车辆就浮起来。因此，超导磁斥力就是利用置于车辆上的超导磁体与铺设在轨道上的无源线圈之间的相对运动，来产生磁浮力将车体抬起来的，如图8-7所示。30任务二如图

8-7三、磁浮列车的原理31任务二三、磁浮列车的原理1.磁浮原理超导磁体的电阻为零，在运行中几乎不消耗能量，而且磁场强度很大。在超导体和导轨之间产生的强大排斥力，可使车辆浮起。当车辆向下位移时，超导磁体与磁浮线圈的间距减小、电流增大，使磁浮力增加，又使车辆自动恢复到原来的磁浮位置。这个间隙与速度的大小有关，一般到100km/h时车体才能磁浮。因此，必须在车辆上装设机械辅助支撑装置，如辅助支持轮及相应的弹簧支撑，以保证列车安全可靠地着陆。32任务二三、磁浮列车的原理2.导向原理（1）常导磁吸式的导向系统。常导磁吸式的导向系统与磁浮系统类似，是在车辆侧面安装一组专门用于导向的电磁铁。车体与导向轨侧面之间保持一定间隙，当车辆左右偏移时，车上的导向电磁铁与导向轨的侧面相互作用，使车辆恢复到正常位置。控制系统通过对导向磁铁中的电流进行控制来保持这一侧向间隙，从而达到控制列车运行方向的目的。33任务二三、磁浮列车的原理2.导向原理（2）超导磁斥式的导向系统。超导磁斥式的导向系统可以采用以下三种方式构成：第一种在车辆上安装机械导向装置实现列车导向。这种装置通常采用车辆上的侧向导向辅助轮，使之与导向轨侧面相互作用以产生复原力，这个力与列车沿曲线运行时产生的侧向力相平衡，从而使列车沿着导向轨中心线运行。第二种在车辆上安装专用的导向超导磁铁，使之与导向轨侧向的作用力相平衡，使列车保持正确的运行方向。这种导向方式避免了机械摩擦，只要控制侧向地面导向线圈中的电流，就可以使列车保持一定的侧向间隙。34任务二三、磁浮列车的原理2.导向原理第三种利用磁力进行导引的“零磁通量”导向系铺设“8”字形的封闭线圈。当列车上设置的超导磁体位于该线圈的对称中心线上时，线圈内的磁场为零；而当列车产生侧向位移时，“8”字形的线圈内磁场为零，并产生一个反作用力以平衡列车的侧向力，使列车回到线路中心线的位置。35任务二三、磁浮列车的原理3.推进原理磁浮列车推进系统最关键的技术是把旋转电机展开成直线电机。它的基本构成和作用原理与普通旋转电机类似，展开以后，其传动方式也就由旋转运动变为直线运动。常导磁吸式磁浮采用短定子异步直线电机。在车辆上安装三相电枢绕组，轨道上安装感应轨。这种方式结构比较简单、容易维护、造价低，适用于中低速城市运输及近郊运输以及作为短程旅游线系统，缺点是功率偏低，不利于高速运行。其中TR型快速动车和上海引进的Transrapid06号磁浮列车，以及日本的HSST型磁浮列车都采用这种形式。36任务二三、磁浮列车的原理3.推进原理超导磁斥式磁浮采用长定子同步直线电机。其超导磁体安装在车辆上，在轨道沿线设置无源闭合线圈或非磁性金属板。磁浮装置超导电磁线圈的采用，为直线同步电机的激磁线圈处于超导状态提供了方便条件。它们可以共存于同一个冷却系统，或者同一线圈同时起到磁浮、导向和推进的作用。高速长定子同步直线电机牵引传动系统的构成相对复杂。地面牵引供电系统一个区间又分成许多段，每段只有列车通过时供电，各段切换由触点真空开关完成。为使列车在各段间不冲动，需两组逆变器轮流供电，其特点为大功率、高压、大电流。37任务二四、磁浮技术在我国的发展概况“八五”期间，科技部在国家技术攻关计划中安排了“磁悬浮列车重大关键技术研究”项目，支持、组织了铁道科学院、西南交通大学、国防科技大学与中科院电工所四个小组，开展了常导低速磁浮列车的研制工作。先后研制成功多台试验车，并积极推进在青城山与八达岭建设实用旅游示范线。20世纪90年代中期还与德国合作，开展了高温超导磁浮列车的原理性研究，在中国科学院电工研究所建立了小型模型。后来在“863计划”支持下，西南交通大学等单位研制成功，比较有影响力的有国防科技大学和株洲电力机车所合作的准备用于八达岭旅游线的长达2km的低速常导磁浮，由西南交通大学研制的应用于成都青城山旅游区的国内第一条磁浮列车试验线。38任务二四、磁浮技术在我国的发展概况2000年6月，我国上海市与德国磁浮国际公司合作，进行中国高速磁浮列车示范运营线可行性研究。同年12月，我国决定建设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。2001年3月正式开工建设。2002年12月31日，经过中德两国专家两年多的设计、建设、调试，上海磁浮运营线终于呈现在世界的面前，其车辆如图88所示。这条世界第一磁浮列车示范运营线——上海磁浮列车建成后，从浦东龙阳站到浦东国际机场，30多千米只需要6~7mim。39任务二如图

8-8四、磁浮技术在我国的发展概况40任务二四、磁浮技术在我国的发展概况2003年，四川成都青山磁浮列车线完工，该磁浮试验轨道长420m，主要针对观光游客，票价低于出租轿车费。2005年5月，我国自行研制的“中华06号”吊轨永磁浮列车于大连亮相，速度可达400km/h。2005年7月，首辆中低速磁浮工程化样车在唐车公司问世，并投入试验运行。2005年9月，中国成都飞机公司开始研制CM1型“海豚”高速磁浮列车，最高时速为500km，2006年7月在上海同济大学1．7km长的轨道上进行试车。41任务二四、磁浮技术在我国的发展概况2006年3月，国务院批准沪杭磁浮新型交通建设项目建议书。2010年3月14日沪杭磁浮获发改委批复，总长199.4km，并于当年开始建设。2006年4月30日，我国第一辆具有自主知识产权的中低速磁浮列车在四川成都青城山一个试验基地成功经过室外实地运行联合试验，利用常导电磁浮推动。2008年5月，唐车公司建成了长达1547km的国内首条中低速磁浮列车工程化试验示范线，科技部将其确立为国家科技支撑计划中低速磁浮交通试验基地。42任务二四、磁浮技术在我国的发展概况2009年5月13日，国内首列具有完全自主知识产权的实用型中低速磁浮列车在唐车公司完成组装，顺利下线，并随即开始进行列车调试。2009年6