《轨道交通车辆系统》课件-模块一 车辆系统概述

模块一

车辆系统概述《轨道交通车辆系统》城市轨道交通的产起源与发展城市轨道交通车辆技术的发展城市轨道交通车辆基础知识目录010203Contents1.城市轨道交通的起源与发展轨道交通的起源1843年地铁之父”查尔斯·皮尔逊设计了最早的地铁系统世界上第一条快速轨道交通地下线（地铁）于1863年1月10日正式对外运营。蒸汽机车；明挖法英国伦敦1890年开始，逐渐在英国伦敦开设了由电力驱动的地铁列车，也就是由电力作动力来运输的轨道交通。英国伦敦1903年开始建设，1904年开通运营美国芝加哥高架线路；车辆的每节车厢都具有牵引功能美国纽约全亚洲最早有地下铁路线开通的城市；银座线上野站—浅草站一段于１９２７年通车。日本东京1900年开通了第一条电气化驱动轨道交通4条线路采用橡胶轮体系的VAL车辆法国巴黎19世纪20世纪中国轨道交通发展历程1969年1993年1910年1984年1990年1月，上海地铁1号线开工建设；1993年5月。上海地铁1号线南段（徐家汇站至锦江乐园站）开通观光试运营；1995年7月上海地铁1号线一期工程全线正式投入运营上海1910年开通，截止2021年10条线路，245.3Km（市区线、机场快线和轻铁线路)最盈利的地铁香港1960年，北京地铁试验段建成；1969年9月，北京地铁一期工程建成；10月1日，北京地铁一期通车北京1984年12月正式开通运营；大陆地区第二个开通地铁的城市2001年5月18日，津滨轻轨一期工程开工建设；天津中国轨道交通发展历程030201初始发展阶段开始建设阶段快速发展阶段1965年开始建设北京地铁，1970年开始建设天津地铁。有轨电车线路首先在一些大城市建成通车。城市的规模和人口在不断扩大；城市交通问题更加突出经济的快速发展为城市轨道交通的发展奠定了雄厚的物质基础问题：城市化发展迅速，交通供需矛盾突出；结果：发展大容量轨道交通方式的理念开始显现，步入城市轨道交通的建设阶段。应对：政府加大了对城市交通基础设施的投入；在我国轨道交通长足发展的同时，是否还存在一些什么问题？01人力资源紧张，包括规划设计、施工建设、运营管理方面。03城市轨道交通效益降低。04城市轨道交通投资巨大,但回收成本甚至盈利过程漫长。02城市轨道交通行业产能急剧扩张，这给处于管制期的城市轨道交通产业带来隐患。中国轨道交通发展历程010203运营数据2023年2月，31个省（自治区、直辖市）和新疆生产建设兵团共有54个城市开通运营城市轨道交通线路291条，运营里程9628.2公里，实际开行列车280万列次，完成客运量21.8亿人次，进站量13.1亿人次。（数据来源交通运输部：2023年2月城市轨道交通运营数据速报）发展前景“十四五”规划(2021年至2025年)期间，中国城市轨道交通运营里程有望新增5000公里，年均新增1000公里左右，总里程达1.3万公里。预计到2025年，中国内地开通运营城市轨道交通的城市将达到50个，运营里程将超过15000公里，其中上海和北京将分别形成1000公里以上的庞大线网。面临挑战随着轨道交通进入网络化运营阶段，线路交叉、设备系统共享，致使路网关联性加强，一旦路网某个点发生突发事件，将引发“蝴蝶效应”，影响整个路网的运营安全。除了运营企业外，城市轨道交通人才问题日益突出、缺口日益增大，既是当前的困扰难题，也是未来可能制约发展的最大因素。除了安全与人才难题外，中国的轨道交通发展还存在着规范、标准、政策缺乏等问题。同时，大规模的城轨建设需要巨额资金，而目前的轨道交通运营几乎都是亏损的。2.城市轨道交通车辆技术的发展查一查你所在城市地铁车辆的技术发展历程，并尝试分析这些变化产生的原因？地铁车辆的技术发展1.国外车体车辆牵引制动车辆走行部车辆控制及驾驶地铁车辆的技术发展1.1国外——车体2木制车体31目前发展4钢制车体铝合金车体不锈钢车体铝合金大型挤压型材或不锈钢整体承载车体轻型结构地铁车辆的技术发展1.2国外——车辆牵引一蒸汽机车牵引二电力机车牵引三安装在转向架的直流电机牵引四斩波调压五交流电机传动六变压变频调速（VVVF）技术

DK11型列车（斩波调阻，第一代ATO车型)DK6型列车（最早斩波调压）90年代初，北京地铁1号线DK2车辆进入大修期，遂将剩余的76辆老型车辆全部改造成斩波调组控制车辆斩波调阻技术在同一个供电区没有其他车辆运行时，电阻吸收是最安全的吸收方式。从技术难度和节能效益来看，斩波调压无疑更加先进，代表了当时电控技术的新方向。

DK9型列车（斩波调压地铁列车）地铁车辆的技术发展1.3国外——制动车长手制动真空制动机自动制动机电气和空气的联合制动计算机控制模拟制动机电气制动地铁车辆的技术发展1.4国外——车辆走行部0102030405二轴或四轴轮对转向架螺旋弹簧和液压减振器的联合减振装置轻型转向架构架空气弹簧无摇枕转向架

地铁车辆的技术发展1.5国外——车辆控制及驾驶计算机网络自动化控制和故障自我诊断、自动驾驶。地铁车辆的技术发展2.国内1967开始研制19691962试制成功第一列地铁车辆批量生产的DK2型地铁车辆于1969年10月1日开始运行在北京地铁标志着我国现代城市轨道交通的开始。在我国轨道交通长足发展的同时，是否还存在一些什么问题？DK2凸轮调阻地铁车辆的技术发展2.国内——CFC－01型磁浮列车实地运行测试3.城市轨道交通车辆系统基础一、城市轨道交通车辆的特点32容量大、安全、快速、舒适、美观、节能良好的动力性能、较高的起动加速度和制动减速度对乘坐舒适性的要求14减少能耗、减少发热设备上海轨道三号线车头外观二、城市轨道交通车辆的类型拖车动车城市轨道交通车辆类型带有受电弓的动车和不带受电弓本身无动力牵引装置的车辆二、城市轨道交通车辆的类型（以上海地铁一号线车组为例）车组由三种车组成带有司机室列车自动控制装置、静止逆变器、空调装置和蓄电池组的拖车。A车C车B车设有牵引电机、牵引斩波器、静止逆变器、空调装置和受电弓的动车。设有牵引电机牵引斩波器、静止逆变器、空调装置和空气压缩机的动车。(不带受电弓的动车）二、城市轨道交通车辆的类型你知道城市轨道交通车辆按其适用范围和车体基本宽度有哪些类型吗？《城市轨道交通工程项目建设标准》中推荐了A，B，C三种车辆类型高客运量(高峰小时单方向最大断面客流量为4.5~7万人次的城市轨道交通线路应选用A型车大运量(高峰小时单方向最大断面客流量为2.5~5万人次)的城市轨道交通线路应选用B型车中运量(高峰小时单方向最大断面客流量为1.5~3万人次)的城市轨道交通线路应选C或B型车二、城市轨道交通车辆的类型地铁系统1轻轨系统2单轨系统3磁浮系统4自动导向系统5区域快速系统6二、城市轨道交通车辆的类型1.地铁系统A型车辆B型车辆直线电机B型车辆

钢轮钢轨-轨道交通胶轮混凝土-轨道交通二、城市轨道交通车辆的类型轻轨C型车系统有轨电车系统2.轻轨系统二、城市轨道交通车辆的类型3.单轨系统跨坐式单轨车辆悬挂式单轨车辆二、城市轨道交通车辆的类型4.磁浮系统高速磁浮车辆低速磁浮车辆

上海磁浮列车长沙中低速磁浮列车二、城市轨道交通车辆的类型5.自动导向系统AGT新交通系统（胶轮导向）二、城市轨道交通车辆的类型6.区域快速系统市域快速轨道交通系统三、城市轨道交通车辆的选用要素线路条件客流量客流特点旅行速度车辆选用要素缓解城市公共交通，改善人们的出行条件，促进城市的经济发展。根据单向高峰小时最大断面客流量，选择不同的交通车辆。地面公交车辆:10-25km/h地铁交通车辆:30-40km/h，快速轨道交通:50-60km/h；城际区域间则要采用更高旅行速度的车辆。若由于地形限制，线路小半径、大坡度特别多，就要考虑采用单轨车辆、直线电机车辆或低速磁浮车辆。4.

4城市轨道交通车辆特征与编组《轨道交通车辆系统》1.车辆的编组1234编组含义：有目的的编排车辆的前后秩序,并将其连挂成组,则称之为编组“—”：全自动车钩“=”：半自动车钩“*”:半永久车钩T：拖车/A:拖车M：动车/B：动车（受电弓）；C：动车（空压机）Tc：带驾驶室的拖车Mp:带受电弓的动车动车组城轨列车1.车辆的编组

四动两拖-Tc=M-T=T-M=Tc-三动三拖－A=B*C=B*C=B*C＝A－六动两拖上海地铁为例：大编组方案：1#、2#采用8节编组；3#、4#采用6节编组小编组方案：5#、6#采用4节编组；大小编组方案：8#采用6/7节编组16#3/6节编组知识链接列车是指以正线运行为目的、按规定辆数编成并具有列车标志的车组。车次、车标各类列车均应有固定车次；（无统一规定）车标一般有地铁徽记、标志灯、目的地牌等。运行方向双线、右侧行车；南北线路由南向北为上行、东西线路由西向东为上行、环形线路外侧为上行5.地铁车辆新技术

《轨道交通车辆系统》目录Contents标准规范和车辆统型01高度智能02节能环保03人性化04安全可靠05未来展望06标准规范和车辆统型1标准规范和车辆统型标准地铁A型车（四方）标准地铁B型车（株机）未来城轨车辆应有标准化、系列化的特征,同时应具备互联互通的功能,以实现车辆的跨线运营,提高车辆的综合使用效益,从而提高中国城轨产品的竞争力。结合科研项目，对开展的基础设计理论、设计规范、试验方法、产品零部件的科研攻关与研究项目，逐步制定和提升具有自主知识产权的设计类、产品类、检验类等技术标准，注重技术标准的完整配套，完成城市轨道交通车辆技术标准体系的搭建。优化及统一产品平台，引导产品设计向系列化、通用化、谱系化、模块化方向发展。高度智能2

高度智能全自动运行以太网控车智能运维蓄电池牵引逻辑控制单元(LCU)2.1全自动运行全自动运行项目已经遍布北京、上海、成都、香港、新加坡、武汉等城市共20个项目。2008年北京机场线是国内首条引入全自动驾驶技术的线路,上海地铁10号线是国内首条按照GOA4等级建设的全自动驾驶线路。这两条地铁线分别采用庞巴迪和阿尔斯通的车辆控制系统。北京燕房线是国内第一条完全自主知识产权的全自动运行线路,已于2017年底开通运营。北京机场线上海地铁10号线北京燕房线上海地铁18号线2.1全自动运行全自动运行技术是将车辆、信号、通信、供电、屏蔽门等几大核心专业之间的系统协调与运营,应急事件的处理,由以往的人工处理变成系统或远程控制完成,避免了人为失误造成的损失和人工检车造成的效率低下,提高了系统的可靠性和效率。车辆信号通信供电屏蔽门2.1全自动运行

更低的运营成本更高效更可靠更灵活全自动运行优点降低人为失误，可靠性提升。缩短发车间隔和出库时间，提升旅行速度。平峰时少发车，应对重大事件时自动加车。大幅减少操作人员，优化列车运行，降低运营能耗。2.2以太网控车目前列车控制网络主要基于MVB技术,具有强实时性、高可靠性等特点。近年来,工业以太网技术在工业自动化和过程控制领域发展迅速,随着铁路行业基于网络的远程诊断与维护、旅客对信息与舒适性等需求的提出,以太网作为列车网络被广泛应用,且被列入IEC61375标准,成为列车网络的主要发展方向。2.2以太网控车基于IEC61375标准,以太网控车采用列车总线(ETB)+车辆总线(ECN)的总线技术,利用实时安全传输协议和安全控制技术构建控制、监控和维护一体化网络,实现高可靠、高带宽、高质量的网络系统。通过高性能的以太网总线交换机技术、以太网组网技术、实时以太网通信协议(TRTP),实现对网络严格的实时性要求。2.2

以太网控车①接口开放性好,总线传输速率达100Mb/s,传统MVB网仅1.5Mb/s;②采用实时协议,信号传输实时性能好,更大的带宽可实现更小的传输延时;③软硬件支持厂家多,用户有较多的选择。其主要技术优点如下:2.2以太网控车以太网列车网络技术是今后列车网络技术的主要发展方向,目前已经在北京新机场线、苏州1号线延伸线、低地板车项目批量装车应用,苏州3号线地铁车、无锡3号线地铁车装车验证。北京新机场线苏州3号线无锡3号线2.3智能运维智能运维基于物联网、大数据、人工智能、云计算及下一代通信技术的综合运用,在对车辆故障预测与健康管理深入研究的基础上,实现对现有运维体系的升级和革新,实现被动维护到主动预防的转变,最终目的是实现基于状态维修和综合规划管理。智能运维系统整车运维管理界面检修机器人2.3

智能运维实现了城轨车辆的在途安全检测实现了车辆检修模式由计划修向状态修的转变提升运营效率降低运维成本通过故障预测与健康管理,能够掌握列车关键零部件的剩余寿命,进而减少部分均衡修或计划性维修,采用依据剩余寿命的状态修。日均检修效率、故障处置效率和应急故障处理效率都得到了显著提升,实现大幅提升检修效率的目标,从而提升城轨交通运营效率。通过组建全面的车载诊断网,准确获取车辆各部件的状态,并且应用大数据分析方法和工具实现对失效和故障的预测,从而降低正线故障率,减少安全事故。通过优化配件库存、减少维修人员,降低维护成本和培训费用等,有效降低了车辆全寿命周期内运维成本。其主要优点包括以下四方面:2.4蓄电池牵引国内外城轨车辆的供电方式主要有接触网和第三轨。当接触网或第三轨或车辆高压供电出现故障时,列车无法自救,只能依靠救援车辆,对运营组织影响较大。在第三轨受流的段场内,存在操作人员意外触电的安全隐患。为解决此类问题,蓄电池牵引技术被应用到城轨车辆中。上海地铁11号线接触网故障第三轨拉弧地铁列车救援2.4蓄电池牵引蓄电池紧急牵引基本原理是由蓄电池提供能量,达到列车低速短距离运行的目的。列车牵引系统采用双电源供电方式。在正常牵引模式下由供电网给列车提供能源,在电网故障或无电网时使用车载蓄电池为列车提供牵引能源。可实现段场内自牵引,提高作业人员安全性,降低调车机使用率。北京地铁4号线蓄电池牵引直流环节连接图蓄电池与牵引直流环节连接的示意图2.4蓄电池牵引目前国内北京、上海、沈阳等地铁及有轨电车线路均有所应用,但受限于采用的电池功率小、能量密度小等问题,只用于库内短距离调车。也可实现断电自救援至就近站台,提高运营效率,提升疏散安全性。但要实现恶劣工况的牵引救援,需要增加蓄电池容量及相关设备,给整车轴重带来较大压力。北京地铁4号线上海地铁16号线昆明地铁4号线2.5逻辑控制单元（LCU）目前在地铁列车的功能控制方面,继电器发挥着重要作用,其触点卡滞、过热、磨损、表面氧化或不清洁等会导致继电器失效。根据有关部门对列车控制回路故障原因的分析统计,有60%～80%以上的故障是由继电器引起,严重地影响了旅客服务质量。司机室继电器柜2.5逻辑控制单元（LCU）LCU是采用光电耦合器代替电磁式继电器的机械触点,通过内部软件运算实现逻辑功能的一种微机控制器,输入/输出采用了A/B路热备冗余机制。主要优点包括:①LCU避免了机械触点的各种失效情形,在寿命内不需要维护;②其热备冗余机制,能无缝切换,在出现任意模块单点故障的情况下,LCU功能不受影响,整个系统的可靠性得到了有力保障;③通过软件编程方式实现控制功能,能够实现继电器实现不了的状态检测、故障上传,便利了用户在后期对车辆功能的调整;④LCU初次装车的成本比继电器高,但可有效降低维修维护成本,产生长期的经济效益,每列车全寿命周期内可降低约50%的费用。节能环保3节能环保永磁电机智能照明变频空调铝合金制动盘3节能环保国内城轨牵引电机普遍采用三相异步电机,特点为体积较大、功率密度较小、低速输出的扭矩较小、效率较低。永磁电机相对三相异步电机在以上方面更具优势,受到了城轨行业的高度重视,已成为城轨牵引系统的发展方向。三相异步电机永磁直驱电机3.1永磁电机电机转子由以往的硅钢片和线圈变更为永磁体,永磁电机具有重量轻、体积小、效率高、发热小、可靠性高等优势。永磁电机本身的效率高、功率因数高,额定效率提升,功率密度提升,更节能;永磁电机发热小,因此电机冷却系统结构简单、体积小、噪声小;永磁电机允许的过载电流大,可靠性提高。永磁电机（左）和感应电机（右）比较3.1永磁电机永磁电机在北京、天津、青岛、沈阳、长沙、佛山等城市各装一列(或一辆)示范列车,最早的沈阳2号线装车试验已经运营7年。永磁电机在佛山3号线、厦门地铁2号线、深圳地铁10号线、长沙地铁5号线等地铁项目已经进行批量推广。沈阳地铁2号线佛山地铁3号线厦门地铁2号线深圳地铁10号线长沙地铁5号线3.2智能照明智能人性化、高效节能的LED光源照明。根据车内空间与外界自然光的情况对灯具的亮度进行动态调节,实现车厢照度平衡。根据车厢外界自然光对车内照度补偿的变化调整照明灯具的发光强度,达到车厢照明平衡,从而节约能源;在早晚人流低谷时段,车厢人少时可以降低车厢照明等级,比如降低到额定的50%左右,以节约能源。智能调光控制原理图

光源模块电源模块智能调光控制器3.2智能照明故障预警:照明系统供电模组设计了一个控制模块,通过以太网可以与车辆通信系统连接,上报照明系统的工作状态、故障情况;通过故障提醒,尽早知道故障类型和故障位置,便于系统故障排除。智能照明控制系统3.3变频空调城市轨道交通系统耗电量大,运行成本高。其中空调系统是轨道交通车辆主要的耗能系统之一。根据目前运营线路的能耗统计数据分析,轨道交通车辆用电量为总用电量的50%～60%,其中以空调为主的辅助系统能耗最高约占车辆能耗的50%。定频空调机组频率恒定,靠不断地开停压缩机来维持客室温度,压缩机每次开机停机周期为7分钟,开停一次,增加一次开关损耗。变频空调开机后避免频繁开停,减少开关损耗,高频降温,低频连续运转维持恒温,同时,比定频频率更低的低频运转更节能。定频与变频空调单元能耗对比客室内目标温度一定条件下空调机组的温度控制变频空调制冷月份节电率3.3变频空调优点如下：01根据节能实验数据,变频空调节能约20%～30%;

03启动电流低,变频空调启动时压缩机工作在低频状态,起动电流小;04耐高温性能强,变频空调机组可以在高温工况下,压缩机以较低的频率工作,空调机组不停机,保证车内有适当的冷空气。02定频空调起停时车内温度波动大,变频空调持续运转,车内温度波动小,乘客体感更舒适;3.3变频空调重庆单轨、长春轻轨、沈阳地铁1号线等项目应用变频空调较早。2013年,在深圳地铁2、5号线全部使用变频空调后,其他一些城市的地铁项目也开始使用变频空调,包括广州地铁、上海地铁、成都地铁等。现在的地铁新项目多数有节能要求,因此空调节能技术的使用将成为地铁车辆的主题。重庆单轨长春轻轨沈阳地铁1号线深圳地铁2号线深圳地铁5号线3.4铝合金制动盘铝基制动盘比铁或钢制动盘轻60%以上;铝基制动盘采用碳化硅颗粒增强铝基复合材料,具有导热性能好,可减少热疲劳、热裂纹的发生;耐磨性好,可延长制动盘使用寿命。铝基制动盘已逐步推广应用,在香港地铁、上海地铁、深圳地铁11号线等车辆均有运用业绩。关键时刻制动盘温度场云图

关键时刻点的应力场云图4.2多角度送风目前地铁内部主要采用沿车长方向车顶两侧送风,随着舒适性要求的提升,需要对空调的送风方式进行优化。参考动车、高铁利用行李架和窗帘盒设置出风口的方式,在地铁侧顶板或中顶板增加出风口,在风道内设置更多的导流板,实现多角度送风,并进行仿真及实物验证,确保流场及风速场的均匀性,进而获得更均匀的风速场和温度场,进一步提升车厢内的舒适性。但风道结构复杂,维护及清洁工作量增加。目前在上海14号线项目中已经批量应用了该结构,下一步将通过试验来验证车厢内风速场和温度场的均匀性。上海地铁14号线人性化4人性化WiFi技术多角度送风4.1WIFI技术智能终端性能和功能的快速发展,催生了大量的新的互联网应用,WiFi以其高性价比、高带宽优势,已经成为人们日常生活中必不可少的上网方式。交通工具可通过专业设备将以太网网络的连接转换为WiFi信号提供终端接入,来完成车载WiFi网络的部署。4.1WIFI技术地铁WiFi是面向地铁这类公共交通工具推出的WiFi上网设备,是WiFi终端通过车地无线信号转换成WiFi信号供乘客接入互联网获取信息、娱乐或移动办