城市轨道交通车辆

《城市轨道车辆工程》

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一、填空

1．铁风挡，立橡胶胶囊总成，横橡胶胶囊总成，防晒板总成，橡胶垫，渡板总成，缓冲装置

2．司机操纵台，启动，加速，运行，制动，停车

3．可减少弹簧装置的合成刚度，增大其总静挠度，以改善机车车辆沿铅垂方向的运行平稳性，减少机车车辆对线路的动作用力

4．铸铁，铸钢，锻钢，合成材料，粉末冶金，环境污染

5．固定附属装置，辅助设备，车电，通风，取暖，空调，座椅，拉手

6．重量轻，运动灵活，无阻尼

7．水平，轨距，高低，方向

8．帘线，材质

9．车钩、缓冲器、钩尾框

10．帘布，橡胶

11．牵引梁，枕梁，缓冲梁，各种横梁

12．有心盘（或有牵引销）转向架，无心盘（或无牵引销）转向架，铰接式转向架（亦称雅可比转向架）

13．振幅增幅系数，相对阻尼率

14．轮轨作用力经弹性元件缓冲后再传给齿轮和电动机

15．力电机、功电机，能电机

16．轴盘式，轮盘式

17．直线振荡电动机，直线电磁螺旋管电动机，直线电磁泵

18．固定线路，铺设固定轨道，配备运输车辆，服务设施

19．曲线阻力，隧道空气附加阻力

20．构架轮对

21．内、外橡胶层，帘线层，成型钢丝圈

22．交流直线感应电动机，交流直线同步电动机，直线直流电机，直线步进（脉冲）电动机

23．能显著地改善车辆走行部分的工作条件，减少燃油的惯性事故，减轻维护和检修工作，降低运营成本

24．齿轴套（外齿轴套），半联轴节（内齿套筒），鼓形齿式，左右基本对称

二、名词解释

1． 能电机：能电机是指运动构件在短时间内所能产生的极高能量的驱动电机，它主要是在短时间、短距离内提供巨大的直线运动能。

2． 单位基本阻力：列车在平直道上牵引运行时的阻力。一般表示为：单位基本阻力=列车总阻力/列车重量。

三、计算题

1．如下图所示，设动轴轴重为Q ，动轮半径为R ，该动轴获得的扭矩为M ，忽略其他内摩擦力

1） 试以一个动轴为隔离体进行受力分析

2） 求出动车做匀速直线运动时，作用在该动轴上的轮周牵引力

已知动轴轴重为Q ，动轮半径为R ，该动轴获得的扭矩为M ，则当忽略其他内摩擦力时，可列出以下方程：

M F R J ε'-=

式中：J ——轮对的转动惯量；

ε——轮对的角加速度。

当动车做变速运动时，0ε≠；当动车做匀速运动时，=0ε。

若=0ε，则有：

0M F R '-=

故有：

=

M F R ' 上式即为一个动轴的轮周牵引力。

可见，整个一辆动车的轮周牵引力为： =nF n F ''∑（为整车动轴数）

2．设p a 为列车在满载情况下由速度0加速到最大速度max V 过程中的平均加速度，试按加速到max V 时的平均加速过程估算牵引电动机功率（G 为列车总重，n 为整列车所安装的牵引电动机总台数，η为牵引齿数等的机械传动效率）

已知p a 为列车在满载情况下由速度0加速到最大速度max V 过程中的平均加速度，则有：

列车所需功率为max p P Ga V =，而相应的牵引电动机功率//m P P n η=。

通常情况下：max 80V ≥km/h 时，p a 取0.42/m s ；

max 120V ≥km/h 时，p a 取0.352/m s 。

四、论述题

1. 试写出城市轨道交通系统主要有哪几种分类方式，并论述其应用情况

（1） 以运输容量来分，可分为高容量、大容量、中容量和小容量。

所谓容量，是指运送能力，也就是指每小时单位方向断面的乘客通过量（或输送量）。

~~h ???????

高容量系统——5万人/h 以上大容量系统——35万人/h （一般指地铁）运输容量（能力）中容量系统——13万人/h （一般指轻轨、单轨和AGT ）

小容量系统——1万人/（一般指有轨电车） （2） 以线路架设方式来分，可分为隧道（地下或水下）、高架和地面。

高容量和大容量系统均采用高架和隧道；小容量系统一般采用地面直接铺设；中容量系统通常兼有地面、隧道和高架。

（3） 以导向方式来分，可分为轮轨导向和导向轮导向。

???导轨导向——包括一般钢轮钢轨系统，如地铁、轻轨和有轨电车导向方式导向轮导向——包括单轨和新交通系统（AGT ）等胶轮车辆

（4） 以线路隔离程度来分，可分为全隔离、半隔离和不隔离等3种系统。

高、大容量及1.6万人/h 以上的中容量系统都必须全隔离；有轨电车则属于不隔离；中容量一般采用半隔离系统。

（5） 以轮轨材料来分，可分为钢轮钢轨系统和胶轮钢筋混凝土轨道系统。

???钢轮钢轨——地铁、轻轨和有轨电车等采用轮轨材料胶轮钢筋混凝土轨道——单轨和AGT 系统采用

（6） 以车辆的牵引方式来分。

可分为直流旋转电机牵引、交流旋转电机牵引和直线电机牵引3种。

????????直流旋转电机驱动一般轨道车辆采用牵引方式交流旋转电机驱动直线电机驱动——直线电机驱动地铁车辆采用

2．试论述城轨车辆车体结构轻量化的意义

1） 车辆自重减轻可以降低运行阻力，节省牵引和制动动力（能量）。

2） 可减小对轨道的压力，从而减少车轮和轨道的磨耗。

3） 降低车辆和线路的维护保养。

4） 直接减少车辆材料的消耗等。

4．请说出空气弹簧的几个特点（至少说出5点）

1） 刚度小，当量静挠度大。空气弹簧能大幅度地增加当量静挠度，可使弹簧悬挂装置设计得很柔软，这样可降低车辆的自振频率。

2）具有非线性特性。空气弹簧具有非线性特性，可以根据车辆振动性能的需要，设计成具有比较理想的弹性特性（曲线）。在平衡位置振动幅度较小时（即正常运行时的振动），刚度较低；若位移过大，刚度显得增加，以限制车体的振幅。

3）刚度随载荷变化。空气弹簧的刚度随载荷变化而变化，从而可基本保持空、重车时的车体自振频率相等，使空、重车不同状态的运行平稳性几乎相同。

4）高度可调节。空气弹簧和高度控制阀并用，可使车体在不同静载荷下，保持地板面距轨面的高度基本不变。

5）可充分利用其横向弹性。同一空气弹簧可以同时承受三维方向的载荷。利用空气弹簧的横向弹性特性，可以代替传统转向架的摇动台装置，从而简化结构，减轻自重。

6）能产生适宜阻尼。在空气弹簧本体与附加空气室之间设有适宜的节流孔，可以产生适宜的阻尼，以代替垂向液压减震器。

7）具有吸振和隔音性能。空气弹簧具有良好的吸收高频振动和隔音性能。

8）缺点：结构复杂，附件多，制造成本高，维护检修复杂。

5．试简述车体与转向架间的连接装置的作用

1）传力——传递车体与转向架间的垂向力、纵向力和横向力。

2）轴重均匀分配——通过具体的弹簧装置，使得分配到每个车轴上的最终载荷基本均匀一致。

3）保持转向架安定——通过合理配置二系旁承的数量，使转向架静态和动态时均能保持安定。

4）允许横动（即横向弹性）——通过在车体和转向架之间设置合理的弹性装置，保证转向架能相对于车体在一定的范围内弹性横动。

5）容许相互回转——在通过曲线的时候，允许转向架相对于车体在合理范围内灵活转动。

通常情况下，垂向力主要由各种形式的旁承来传递，而纵向力和横向力则由牵引装置传递。

6．法国TGV高速列车始终坚持采用两端为动力车，中间车辆为铰接式联结，形成不可分解的动车组。试简述这种结构的列车所具有的优点

1）具有优良的整体性，加强对列车蛇行运动的约束，有利于安全运行。

2）车辆间联结处因无车钩，纵向间隙小，平滑过渡，并且转向架数量少，空气扰流阻力小，列车整体空气动力学性能良好。

3）由于铰接式转向架二系悬挂支点高，车辆重心低，改善了车体侧滚振动。转向架位于两辆拖车之间，旅客座位处的振动、噪音均较小，提高了旅客的舒适度。

4）便于加大转向架的轴距，提高转向架的高速运行稳定性。

对于双层客车提高了载重量提供了最佳的结构。由于采用了铰接式转向架，可以将双层客车车辆通道设在上层，减少楼梯占用面积，增加了设置坐席的面积。

7．试列举直线电机与其他非直线电机驱动的装置相比所具有的优点与不足1）采用直线电机驱动的传动装置，不需要任何转换装置而直接产生推动力。它可以省去中间的转换机构，简化了整个装置或系统，而且运行可靠、效率提高、易于维护、降低成本。

2）普通旋转电机由于受离心力的作用，其圆周速度受到限制，而直线电机运行时，它的直线速度可以不受限制。

3）直线电机是通过电能直接产生直线电磁推力的，其运动可以无机械接触，大大减少

了机械损耗。

4） 旋转电机通过钢绳、齿条、传动带等转换机构转换成直线运动，噪声是不可避免的，而直线电机是靠电磁力驱动装置运行的，噪声很小或无噪声。

5） 直线电机结构简单，初级铁芯在嵌线后可用环氧树脂等密封成整体，可在潮湿、腐蚀或有害和高、低温环境中使用。

6） 直线电机散热效果好，特别是常用的扁平形短初级直线电机，初级的铁芯和绕组端部直接暴露在空气中，同时次级很长，热量容易发散，热负荷可取最高值，不需要附加冷却装置。

当然，直线电机也有不足之处：

1） 与同容量旋转电机相比，直线电机的效率和功率因素要低，尤其是在低速时比较明显。

直线电机特别是直线感应电动机的启动推力，受电源电压的影响较大，故需采取有关措施保证电源的稳定或改变电机的有关特性来减少或消除这种影响。 8．试说明改善机车车辆动力曲线通过的目的，并列举一些改善机车车辆动力曲线通过的措施（至少6条措施）

1）目的

在行车速度较高的多弯道线路上，尽量提高曲线通过速度，但同时避免导向力的显著增加和舒适度的恶化；在小半径曲线上，降低磨耗因素，减小轮缘磨耗。

2）措施

（1）线路方面

设置合适的超高，采用轨侧面润滑。

（2）在机车车辆方面

a) 减小摩擦力矩，取消复原力矩，横向稳定性采用恒量阻尼液压减振器（即抗蛇行液

压减震器），可使导向轮对的轮缘力。

b) 采用磨耗型踏面（在曲线上，轮轨接触点为单点接触，摩擦速度较小），较用标准

锥形踏面可减少轮缘磨耗30%以上。

c) 尽量缩短轴距（可用2轴转向架取代3轴转向架），使1X ↓（即冲角1α↓）。 d) 在车体与转向架之间设置弹性横动装置（即使车体相对于转向架能够弹性横动），

可减小1F 的动态值。

e) 导向轴的轴端设弹性装置或采用轴箱弹性定位，有助于使转向架转心后移，使

1F ↓，并可减小1F 的动态值。

f) 前后转向架弹性横向连接起来，使1F ↓和1X ↓（1α↓）

。 g) 采用轮缘润滑，使轮轨间的摩擦系数减小（即μ↓）。

h) 采用径向转向架，此时车轮纯滚动地通过曲线，且轮缘与轨侧面不接触，无摩擦。 给3轴转向架中间轴以适当的横动量，这时中间轮对轮轨间的摩擦力的横向分力22μ可直接由外轨反力2F 所平衡，因此在转向架平衡方程式中2μ不出现，使1F ↓（但该横动量要适当，不能太大，否则会使中间轴在车辆双向运行时始终贴靠钢轨，总磨耗会相对较大）。

五、综合题

结合城市轨道交通系统的主要特点并论述城市轨道交通系统的发展趋势（本题为开放性试题）

1轨道交通在20世纪所以备受各国青睐，最重要的是与道路交通相比，轨道交能具有运量大、速度快、时间准、污染少和安全舒适，且与城市道路无平面交叉等无可比拟的优势。

中国现有13亿人口，是世界人口最多的国家，而人均土地、能源资源极为短缺，环境严重恶化。1998年中国人口在百万以上的特大城市已达到34个，50－100万人口的大城市已达47个。大城市的聚集和辐射效应越来越强，外来旅游、观光、出差和就业的流动人口急剧增加，致使城市交通运量大幅度上升，交通拥堵、道路不畅等问题十分严重。

2中国发展城市轨道交通的设想公共交通是城市的命脉，一个现代化的大城市，必须具备四通八达、畅通无阻的交通网络。中国城市轨道交通建设虽已起步，但发展缓慢，距城市客运需求相差较远。与国外相比，东京、巴黎和莫斯科每平方公里的人口密度分别为l．3、2．0和0．9万人，轨道交通已分别达到2220、1595和2484km；而中国北京、上海和广州的人口密度已分别达到2．8、4．7和1．9万人，地下铁道相应只有55.5、?37．0和18．4km，另加天津7．4km，全国总计120km左右。至于轻轨更是微乎其微，2000年8月，中国第一条城市轻轨明珠线在上海建成，填补了历史空白。总之，交通阻塞、事故频繁、污染严重、效率低下，已成为中国大城市客运交通普遍存在的问题，主要是交通运输结构不合理。对于中国这样一个人口众多、土地匮乏的国家来说，加快城市轨道交通建设已成为中国城市经济发展的当务之急。

随着中国经济的发展，城市化进程今后将进一步加快，据预测，2005年，中国城市化水平将由目前的30％提高到35％，2015年提高到45%一50％；2005年200万人口以上的超大城市将由目前的12个增加到15个，2015年增加到20个；2005年100－200万人口的特大城市将由目前的22个增加到26个，2015年增加到35个左右。

为有效缓解中国大城市交通拥堵，必须制定城市居民可承受的出行时间标准。一般情况下，城市半径为5－10km，一次出行时间应压缩在0．5h以内；城市半径为10－20km，应争取压缩在0．75h以内；城市半径为20－30km，应压缩在lh以内。

随着大城市向市郊化和卫星城的发展，百万人以上的超大城市和特大城市，更需要建设长距离、大容量、快速化的轨道交通。依据未来中国大城市社会经济及城市交通发展的需要，建议用30年左右的时间，基本建成中国主要大城市的现代化轨道交通网络。如果每年建设50－60km，到2030年，轨道交通有望达到1500－2000km左右。争取人口超过500万以上

超大城市的轨道交通承担的客运量占城市总客运量的50％及以上，使轨道交通成为大城市交通的骨干。

3轨道交通发展的政策建议城市轨道交通系统的建设可大幅度减少社会成本，创造可观的社会效益，但一次性建设投资巨大，资金筹措困难，因此，政府必须制定良好的城市交通发展政策，即在大城市中推行“公交优先”的发展战略。用政府法令、法律和法规的形式，明确规定100万人口以上大城市的城市交通规划，应以轨道交通作为城市骨干运输方式，其他方式定位为向城市轨道系统起集散作用的辅助交通方式。