地铁车辆新技术综述.docx

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1、地铁车辆技术综述唐闻天;王丽丽【摘 要】为满足将来城市交通进展需要,介绍型地铁车辆和概念车型、智能化治理和材料、设计,以及的交通方式.分析地铁车辆与大系统匹配技术以及城市轨道交通近几年的技术改进和技术,阐述国外主要地铁车辆供给商的技术现状以及地铁车辆各主要系统的技术进展趋势,为一代地铁车辆研发供给方向和设计建议.【期刊名称】现代城市轨道交通【年(卷),期】2023(000)009【总页数】7 页(P65-71)【关键词】地铁车辆;车型;技术;进展;综述【作 者】唐闻天;王丽丽【作者单位】中车大连机车车辆,辽宁大连 116022;中车工业争论院,北京 100070;中车大连机车车辆,辽宁大连 1

2、16022【正文语种】中 文【中图分类】U271.92随着我国城市化进程的不断加快，城市根底设施特别是城市交通与城市进展的冲突渐渐显现，城市轨道交通对整个城市的总体规划、促进和引导沿线规划建设和经济进展、改善城市公共交通状况、优化城市交通构造等方面都起到了乐观作用。地铁车辆作为城市轨道交通的重要组成局部，是城市轨道交通系统设备的核心，因此，争论满足将来城市进展需要的一代地铁车辆至关重要。本文主要争论地铁以及城市轨道交通领域近 5 年来的改进技术和技术。从文献的角度，争论分析车辆与轮轨、弓网和流固耦合之间的匹配性；从专利的角度，研究分析国内外主要地铁车辆供给商在车体、转向架、牵引传动等系统承受的

3、技术， 在各个系统方面到达的最技术水平。总结各系统涉及的技术方向，为一代地 铁车辆研发供给技术信息支撑。对现有型地铁或将来地铁设计的争论，主要是为地铁设计供给启发，借鉴其他型地铁的设计思路。自动驾驶成为将来地铁的进展趋势之一，如伦敦地铁、西门子设计的 Inspiro 地铁列车图 1、庞巴迪 INNOVIAAPM300 型列车等，都承受了无人自动驾驶技术。智能化治理包括承受的地铁电子票务系统、现代信号治理系统、广告设施、乘客信息系统、车站治理解决方案、自动掌握系统、监控和保护系统，列车掩盖 Wi-Fi 等技术。智能化治理依靠于安全稳定的列车运行掌握系统，是打造才智化地铁的必要条件。列车的轻量化随

4、着车体构造改进、材料的应用等技术进展而进步，如优化列车车体、转向架、地板等构造，承受碳纤维、复合材料、三明治材料、泡沫铝材料等， 都有助于列车的轻量化设计。如西门子 Inspiro 地铁列车车体比现有地铁列车车体重量减轻 20%，可节约 30%的能耗，而容量增加高达 50%。如西门子 Inspiro 地铁列车承受材料使车体减轻重量，节约能耗。阿尔斯通为巴黎地铁供给的型 MP14 胶轮列车，制动系统承受了百分百电力制动，能够将回收的制动动能转化为电能，这种系统削减了空气污染并可节约高达 20%的能源消耗。承受混合动力设计，如俄罗斯的“超科幻”轻轨列车承受混合动力设计图 2，车上搭载有大型电池，原

5、理与混合动力汽车类似，可以允许该车脱离接触网短时间运行。承受型氢燃料电池设计，如阿尔斯通氢燃料电池列车 CoradiaiLint。氢燃料电池列车的燃料箱放在车顶位置，通过氢与氧结合，经由燃料电池产生电力来为列车供给动力，并且使用高性能锂离子蓄电池用于储存燃料电池多余的能量。承受的交通方式突破地铁固有桎梏。如蒂森克虏伯电梯 Multi 系统，是既能够水平运行，也能够垂直运行的电梯；流轨无人驾驶系统，利用流轨也称为动力轨 和立体变轨技术实现独立地铁小车厢一站式直达的点到点效劳图 3。地铁交通大系统是多体、多态组成的简单混合系统，假设把地铁车辆视作刚性体， 那么钢轨可视为连续弹性体，枕木可视为离散体

6、，道床和路基可视为非规章接触积存体，接触网可视为柔性体，大气环境可视为混合流场，同时车辆与空气流体 之间存在相互作用。随着速度的提高，地铁车辆、线路、接触网、环境之间的动态相互作用加剧，激扰与振动倍增，因此，在研发一代地铁车辆的时候，需要同时关注车辆与大系统间的匹配关系。在轮轨关系方面，主要围绕提高列车的安全性、削减运行过程中的振动和噪声、改善列车和轨道的可维护性的目的来进展相关争论1-5。（1） 为避开轮轨之间的非正常磨耗，可依据钢轨型面设计车轮型面，考虑不同轮轨名义间隙和不同轨底坡，设计不同等效锥度的磨耗型和锥形车轮型面；承受强度高、韧性好的轨道材料，或承受无缝线路等；承受摩擦治理理论来降

7、低轮轨磨损。（2） 通过争论不同轨底坡和轮轨型面的匹配性能，设计参数合理的轮轨型面和适宜的轨底坡坡度，以提高车辆的动力学性能；通过对轮对横向振动加速度、轮对动态横移量、轮轨接触压力密度、轮轨接触摩擦功率的测量和分析，优化车轮踏面与钢轨的匹配性能。（3） 通过车轮半径、车轮踏面、轮轨力等数学模型，识别轮轨作用力等，保证车轮和轮轨的匹配性，满足车辆运行舒适性、平稳性和安全性的需要。（4） 在争论轮轨磨耗时，对磨耗严峻的轮轨可以在调边底端使用坡形胶垫，使轨面水平坡度与设计轮轨关系相吻合。安装车轮踏面监测系统、轮对尺寸监测系统、轨旁监测预警系统等，以随时在线监测轮轨关系，科学诊断轮对或钢轨产生的故障。

8、受电弓与接触网的牢靠接触是保证受流的重要条件，也是保证列车安全运行的必备 条件6-10。（1） 提高刚性接触网弹性及使用寿命。针对刚性悬挂接触网的特点，通过分析刚性悬挂接触网平面布置，提出有效削减受电弓不均匀磨耗的优化方案。通过分析道岔区接触网与受电弓碳滑板曲线的空间位置关系，实现道岔区弓网之间的最正确协作， 延长接触导线与受电弓的使用寿命并提高接触网运行的牢靠性。（2） 弓网离线的防范。针对弓网间发生的离线现象而引发的电弧烧损接触线、受电弓滑板及电弧引发牵引变电所跳闸现象进展理论阐述和缘由分析，并提出相应的对策，以提高受电弓与接触网接触的牢靠性和安全性。（3） 研制耐电弧击穿材料。研制了一种

9、受电弓耐电弧击穿涂层，对涂层进展了样板制备及耐烧蚀抗电弧性能试验，并进展整车应用验证。研制的 AIR+SH-10 耐电弧击穿绝缘涂料，施工便利且能够满足受电弓部位车顶耐高温抗电弧的要求。 流固耦合技术主要表达在地铁列车、隧道和空气三者之间的相互作用方面，这三者与空气动力学严密相连11-15。（1） 流线形列车气动性能和空气阻力均优于钝头形列车，在列车选型时应选用流线形车头，在车头的设计方面，还应依据列车最高运营速度、运营环境等综合考虑， 进展适应性设计，以降低车头阻力和气动噪声。（2） 列车安装裙板可以有效降低车辆转向架区域的气动阻力，但同时也会导致列车车身阻力的增加。安装裙板后的车辆在明线行

10、驶时，整列车的气动性能得到明显改善，但当其通过隧道时，整列车的减阻效果并不明显。（3） 地铁列车高速交会时，列车侧窗所受到的压力波幅值较大，有肯定的安全隐患，这对列车车窗的安全性设计也提出了更高的要求。需要对列车车窗进展关注， 研发设计构造更合理、强度更高、能到达更高安全要求的车窗玻璃。（4） 对于高速地铁列车，针对单体隧道和一般区间隧道 2 种状况，给出了速度100140km/h 时不同动态密封指数下，B 型列车和 A 型列车的隧道空气动力学效应断面优化取值，可供高速地铁列车在密封设计时进展参数选择参考。西门子是轨道交通领域的老牌企业，技术实力雄厚，其技术领域涉及轨道车辆的各个技术系统16-

11、22。在一代地铁车辆研发设计上，可以参考借鉴西门子的车体空腔型材底部构造优化图 4和一体式顶棚组件图 5等车体方面的技术；车体与转向架的连接布置，一系、二系弹簧及转向架上部件模块的安装设置等转向架方面的技术，以及涉及到轮对、转向架的倾斜、提升、防脱轨、障碍物检测等关键技术；车辆冗余驱动系统图 6、非对称驱动技术图 7和牵引冷却系统图8等牵引传动系统方面的技术；列车自动驾驶系统、借助无线闭塞中心RBC 对列车发送移动授权/行驶许可MA的掌握系统技术以及优化的车-地设备通信系统等列车掌握方面的技术；改进制动盘和制动臂功能的制动技术；在列车供电网络方面的技术图 9，以及对车载电池保护方面的技术；解决

12、永磁电机中永磁体受限应用温度的技术，以及利用纳米工艺合成具有优异性能的永磁磁铁的工艺。 同西门子一样，庞巴迪也是轨道交通领域的老牌企业，在一代地铁车辆研发上， 可以参考借鉴庞巴迪的设计23-25。车体方面，主要承受材料到达轻量化以及确保安全性的目的，如在车体框架上使用轻质材料、改进车顶构造图 10及使用耐热地板图 11等措施；在转向架设计上，倾向于动力学性能更好和制造更便利、简洁，如承受横向解耦电机悬挂系统，优化构架构造，承受传感器对转向架运行性能监测等技术；在牵引传动方面，牵引电机的供电和关心供电系统，以及模块化的牵引变流器系统和能量存储装置的技术；在供电方面承受无线感应供电技术。日立的技术

13、主要集中在列车掌握方面26。日立的专利涉及故障诊断系统、网络控制系统、显示系统、通信系统、播送影视消遣系统及视频监控系统等技术领域。对 驾驶关心系统进展了优化，不仅可以向司机供给考虑最近的信号设置，还可供给考 虑列车最近时刻表的实时速度分布建议，可以减小或消退建议与信号之间的不全都， 从而改进列车安全性。对车载通信设备的优化图 12，无需增加联接器局部的传送线缆等设备，就能够实现连挂车和被连挂车的车载掌握装置间的数据通信，从而降低设备本钱，削减由人进展线缆的连接以及确认作业时所需的时间，增加了系统的集成性、牢靠性，降低了维护本钱。阿尔斯通在车体方面的技术主要是车体框架使用单向碳纤维到达轻量化目

14、的27， 如图 13 所示。在牵引系统方面的研发，如对牵引系统的保护以及牵引电机与车轴根本同轴的动车转向架等，能够保障牵引系统的稳定有效运行；在制动方面，阿尔斯通研发了一种制动钳可压缩填充件，该填充件占据制动钳可移动组件旁边的自由空间，由于填充件的可压缩性，填充件不会阻碍制动钳组件的运动，因此，制动钳仍旧可以正常工作；在供电方面，主要集中在车载储能系统供电，可以确保列车安全通过无电区域；电力转换器体积尺寸小且维护少，散热效率高；基于通信的列车自动掌握系统，包含设备及检测装置比较少，设备的安装比较分散，降低了本钱， 其接口和联锁通信系统简洁安装，并且维护比较便利。川崎重工在车体方面的技术主要集中

15、在轻量化、模块化等方面28-30，如车顶主体及周缘由塑料制成，这些塑料包括各种复合材料，如碳纤维增加塑料和玻璃纤维增加塑料等；车辆的模块化设计，如车身模块、地板模块、车顶模块等，实现车体框架轻量化图 14；或承受空心构造、使用多层复合材料等。在转向架方面， 承受碳纤维增加树脂制作板簧，设置的抵接构件等零部件，并转变零部件之间的连接关系，促进转向架的轻量化进展图 15；在制动系统方面，主要集中在制动检测、制动切换装置图 16，防止因制动切换导致滑行扩大，从而抑制车轮锁死、缩短制动距离；在供电方面，争论主变压器与高压设备箱的连接构造，主变压器与高压设备箱经过连接装置通过高压电缆连接，因此，可以实现

16、高压电缆的安装、拆卸等作业的改善，以及对于因振动引起的主变压器和高压设备箱的相对位置变化的追踪性改善。通过对国外主要轨道交通企业西门子、阿尔斯通、庞巴迪、川崎、日立等的专利公开状况跟踪分析，了解其最的技术研觉察状，把握地铁车辆各主要系统的技术进展方向。（1） 车体是地铁车辆的主体局部，车体方面的研发方向主要集中在轻量化、隔音降噪和防火上。（2） 转向架是地铁车辆构造的主要部件之一，主要向着构造更优化、轻量化、安全性、通用性等方向进展。（3） 牵引传动技术的研发，倾向于提高列车驱动力量、驱动稳定性和优化供能等方向。（4） 列车掌握技术研发主要集中在网络掌握系统、信号和通信系统的融合和优化， 以及

17、提高列车的智能化等方面。（5） 制动系统的研发，主要倾向于承受的制动形式、设计的闸瓦构造、承受的闸瓦耐磨材料、改进现有制动构造等。（6） 供电系统主要研发方向为设计综合供电系统、提高系统供能利用率、节能环保等方面。（7） 牵引电机方面，研发方向是承受型电机，或趋向于稳定永磁电机的性能。西门子、庞巴迪等是轨道交通领域的老牌企业，技术实力雄厚，其技术领域涉及轨道车辆的各个系统。在一代地铁车辆设计研发时，应当乐观关注这些企业的专利技术，从其公开的专利、文献中学习其优秀的设计思想和先进的技术，经过转化再创后，应用到一代地铁车辆上，以节约研发时间和本钱，提高地铁车辆运行的稳定性和安全性。另外，在对一代地

18、铁车辆进展研发设计时，应当以用户需求为导向，并结合产品平台理论、模块化技术，构建符合技术进展趋势和满足市场需求的型地铁车辆架构，做到有的放矢、事半功倍。【相关文献】1 封亚明，何柏林. 铁道车辆轮轨接触疲乏的影响因素J. 外表技术，2023，4511：48-54.2 孙善超. 轨道-车辆系统轮轨力辨识及应用争论D.北京：中国铁道科学争论院，2023.3 陆文教. 地铁车轮磨耗数值仿真争论D. 四川成都：西南交通大学，2023.4 陶功权，温泽峰，陆文教，等. 不同轨底坡下地铁车辆轮轨型面匹配的静态接触分析J. 铁道学报，2023，379：82-89.5 薛蕊. 北京地铁钢轨非正常磨耗的机理争论

19、D. 北京：北京建筑大学，2023.6 武传田，李永岗，苏坤，等. 耐电弧击穿涂层系统在城轨车辆上的应用J. 绝缘材料，2023， 4910：35-38.7 沈海滨，曾明，方岩. 城市轨道交通接触网系统在线监测系统设计争论J. 科技创与应用， 202325：87.8 罗益，卢勇，申天亮，等. 广州地铁 1 号线车辆受电弓碳滑板运用现状分析J. 城市轨道交通争论，20236：152-156.9 郑维荣. 以创思维增加刚性接触网弹性改善弓网关系的方案J. 科技经济导刊，20232： 56-57.1 0 李军，汪波，郑玄，等. 刚性供电网条件下 120km/h 地铁受电弓弓网动态匹配问题J. 机车电

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22、05916721AP. 2023-08-31.20 西门子公司. 具有纵向轮组的轨道车辆的不对称的驱动：中国， CN105073482AP. 2023- 11-18.21 Siemens AG. Rail vehicle with traction cooling system:WIPO, WO2023139015A1P. 2023-09-09.22 西门子. 与交通系统相连的供电网络：中国，CN104160574AP. 2023-11-19.23 Bombardier Transportation GmbH. Roof structure for a vehicle: USA, US9126

23、602B2P. 2023-09-08.24 Bombardier Transportation GmbH. Heat resistant floor assembly for a rail vehicle: Europe, EP2769896A1P.2023-08-27.25 庞巴迪运输. 具有横向解耦电机悬挂系统的轨道车辆运行机构：中国， CN102673593AP.2023-09-19.26 株式会社日立制作所. 列车掌握系统：中国，CN104097645AP. 2023-10-15.27 ALSTOM Transport Technologies. Structural panel fo

24、r a railway vehicle body and assembling method thereof:Europe, EP2977287A1P. 2023-01-27.28 川崎重工業株式会社. 具备低车顶构体的铁道车辆：中国，CN104066639AP. 2023-09-24.29 川崎重工業株式会社. The truck of a railway vehicle drive: Japan, JP6023519B2P. 2023- 11-09.30 川崎重工業株式会社. The abnormality detecting device for a railway vehicle brake: Japan, JP2023199064AP.2023-12-01.