CN104163175A - 一种城市轨道交通系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种城市轨道交通系统，包括列车车体，在列车车体两侧设置牵引磨耗板；在地面车站布置列车牵引制动传动系统，所述列车牵引制动传动系统包括驱动电机、飞轮、调速机构、牵引轮，所述驱动电机和飞轮通过调速机构与牵引轮传动连接，所述牵引轮与列车车体的牵引磨耗板相对应。本发明尤其适用中、小城市或城镇，中、小城市或城镇中客流密度不大，且相邻两站台之间的距离也不是太远，如0.8千米至3千米这个范围内。本发明为自重轻、小编组、短发车间隔的小型车系统，以安全、快捷运送乘客，车辆自重越轻，载客量越大，利用率和节能效果越好。

Description

一种城市轨道交通系统

技术领域

本发明涉及轨道交通领域，特别涉及一种城市轨道交通系统。

背景技术

轨道交通是解决城市交通拥堵、空气污染以及实现可持续发展的必然方向。目前各大城市都在着力建设和发展城市轨道交通，如地铁、轻轨等。

城市轨道交通在实际应用过程中，还存在着一些问题，如车辆自重较大、牵引能耗较高、列车运营可靠性有待进一步提升等。对于现有城市轨道交通系统，还需要不断优化和解决运营中存在的能耗、振动、噪声等问题，使其更加绿色安全。

未来城市的发展方向是重点发展中、小城市或城镇，同时限制大城市的发展，以实现资源的合理配置。中小城市中客流密度不大，宜采用自重轻、小编组、短发车间隔的小型车系统，以安全、快捷运送乘客，车辆自重越轻，载客量越大，利用率和节能效果越好。

绿色城市轨道交通的发展方向是绿色节能、绿色环保、经济适用、安全可靠。因此，未来中小城市发展绿色轨道交通需要构建新的轨道交通系统体系，从系统上给出绿色解决方案。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种动力系统在车站地面上的新型轨道交通系统，具有节能环保、经济适用、安全可靠的特点，可在发展绿色、智能的城市轨道交通中进行应用。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种城市轨道交通系统，其特征在于，包括列车车体，在列车车体两侧设置牵引磨耗板；在地面车站布置列车牵引制动传动系统，所述列车牵引制动传动系统包括驱动电机、飞轮、调速机构、牵引轮，所述驱动电机和飞轮通过调速机构与牵引轮传动连接，所述牵引轮与列车车体的牵引磨耗板相对应。

在本发明中，所述列车牵引制动传动系统的驱动电机设置在一推送装置上，通过该推送装置控制驱动电机与飞轮之间连接或者脱离，正常情况下驱动电机和飞轮脱离。

在本发明中，所述列车牵引制动传动系统还包括一控制牵引轮贴合或者脱离所述牵引磨耗板的摆动装置。

在本发明中，所述牵引轮包括两组，分别布置在列车车体两侧；每组牵引轮组又包括沿列车长度方向排列布设的若干个牵引轮。

在本发明中，所述牵引轮为橡胶轮。

在本发明中，所述城市轨道交通系统还包括用以将列车牵引到最近车站的缆绳系统，所述缆绳系统包括设置在地面上的缆绳和设置在列车车体上的用以连接缆绳的固定件。

在本发明中，在轨道上设置有磁轨制动装置。

在本发明中，在地面车站布置用于称量列车重量以便于计算阻力的列车称重系统。

在本发明中，所述城市轨道交通系统还包括一控制系统，所述列车称重系统、电机均与该控制系统连接；所述列车牵引制动传动系统中设置有用以测量转速测速传感器，该转速测速传感器与控制系统连接。

在本发明中，相邻两个地面车站间采用大坡道线路，由下坡、平坡和上坡三个区段中的一个或者多个组合而成。

在本发明中，相邻两个地面车站的线路设置成凹形，地面车站设置在地面，线路设置在地下，地面车站位于线路的高点。

在本发明中，列车车体的节数为1-4节。

本发明的工作原理是：驱动电机和飞轮是系统牵引能量的来源，根据需要将能量通过调速机构传递给牵引轮。一般情况下，优先使用飞轮驱动。牵引时，根据列车车体所需牵引力的大小，控制系统控制一定数量的牵引轮和列车车体两侧的牵引磨耗板贴合，通过牵引轮和牵引磨耗板相互作用产生的摩擦力，将飞轮的能量和牵引力传递给列车，并驱动列车前进；列车进站时，根据列车制动所需制动力大小，控制一定数量的牵引轮和牵引磨耗板贴合，将列车的速度传递到牵引轮，并通过调速机构传递给飞轮，进行能量回收和储存。随着列车运行能量的消耗，每个飞轮储存的能量也会下降，通过控制系统对飞轮的转速进行监控，如飞轮储存能量小于设定的阀值，可通过驱动电机带动飞轮旋转，对飞轮储能进行补充，正常情况下驱动电机和飞轮脱离。列车在线路区间运行，通过线路实现辅助牵引(下坡)和辅助制动(上坡)。

本发明尤其适用中、小城市或城镇，中、小城市或城镇中客流密度不大，且相邻两站台之间的距离也不是太远，如0.8千米至3千米这个范围内。

本发明的列车牵引制动传动系统设置在车站地面上，列车的出站启动加速和到站制动停车通过设置在站台的列车牵引制动传动系统实现。与现有的轨道交通系统相比，列车车载牵引、制动、辅助系统等可以取消，列车仅保留蓄电池或超级电容等设备给照明、空调以及应急系统供电。列车结构设计大大简化，列车自重大幅度降低，列车故障点减少，列车可靠性有较大提升。

本发明设置有缆绳系统，当车辆出现故障时，可通过缆绳将列车牵引到最近车站实施乘客疏散和救援。

本发明为自重轻、小编组、短发车间隔的小型车系统，以安全、快捷运送乘客，车辆自重越轻，载客量越大，利用率和节能效果越好。

本发明的特点可参阅本案图式及以下较好实施方式的详细说明而获得清楚地了解。

附图说明

图1为本发明的示意图。

图2为本发明地面车站布置的列车牵引、制动和传动系统。

图3为本发明的节能坡线路图。

图4为本发明案例仿真的节能坡线路图。

图5为本发明案例仿真的列车运行距离-速度曲线。

图6为本发明案例仿真的列车运行时间-速度曲线。

图7为本发明案例仿真的列车运行距离-加/减速度曲线。

图8为本发明案例仿真的列车牵引时各飞轮能量消耗变化图。

图9为本发明案例仿真的列车再生制动时各飞轮能量补偿图。

图10为本发明案例仿真的电机给各飞轮补充能量图。

图11为本发明案例仿真的列车运行距离-牵引/制动功率曲线图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例进一步阐述本发明。

参见图1和2，一种城市轨道交通系统，包括列车车体100，在列车车体100两侧设置牵引磨耗板101。在地面车站布置列车牵引制动传动系统200，列车牵引制动传动系统200包括驱动电机203、调速机构201、牵引轮202、飞轮204，飞轮204起到储能作用，飞轮204与调速机构201连接；驱动电机203设置在一推送装置(图中未标示)上，通过该推送装置控制驱动电机与飞轮之间连接或者脱离，正常情况下驱动电机203和飞轮204脱离。调速机构201与牵引轮202传动连接，牵引轮与列车车体的牵引磨耗板相对应。

牵引轮202包括两组，分别布置在列车车体100两侧；每组牵引轮组又包括沿列车长度方向排列布设的若干个牵引轮。列车牵引制动传动系统还包括一控制牵引轮贴合或者脱离所述牵引磨耗板的摆动装置(图中未标示)，以便于控制所需要的牵引轮个数贴合或者脱离牵引磨耗板。

另外，在地面车站布置用于称量列车重量以便于计算阻力的列车称重系统。城市轨道交通系统还包括一控制系统，列车称重系统、电机均与该控制系统连接；列车牵引制动传动系统中设置有用以测量转速测速传感器，该转速测速传感器与控制系统连接。

参见图3，相邻车站间采用大坡道线路，分为下坡302、平坡303和上坡304三个区段，坡道两端和站台301、平坡区段303相连接，并使节能坡道尽量靠近车站，以发挥最大节能效果。相邻两个地面车站的线路设置成凹形，地面车站设置在地面，线路设置在地下，地面车站位于线路的高点。站台长度可根据运营列车的长度设定。

本发明的工作原理是：驱动电机203和飞轮204是系统牵引能量的来源，根据需要将能量通过调速机构传递给牵引轮202。一般情况下，优先使用飞轮204驱动。牵引时，根据列车车体100所需牵引力的大小，控制系统控制一定数量的牵引轮和列车车体两侧的牵引磨耗板101贴合，通过牵引轮202和牵引磨耗板101相互作用产生的摩擦力，将飞轮204的能量和牵引力传递给列车，并驱动列车前进；列车进站时，根据列车制动所需制动力大小，控制一定数量的牵引轮和牵引磨耗板贴合，将列车的速度传递到牵引轮，并通过调速机构传递给飞轮，进行能量回收和储存。随着列车运行能量的消耗，每个飞轮储存的能量也会下降，通过控制系统对飞轮的转速进行监控，如飞轮储存能量小于设定的阀值，可通过驱动电机203带动飞轮204旋转，对飞轮储能进行补充，正常情况下驱动电机203和飞轮204脱离。列车在线路区间运行，通过线路实现辅助牵引(下坡)和辅助制动(上坡)。与现有的轨道交通系统相比，列车车载牵引、制动、辅助系统等可以取消，列车仅保留蓄电池或超级电容等设备给照明、空调以及应急系统供电。列车结构设计大大简化，列车自重大幅度降低，列车故障点减少，列车可靠性有较大提升。

城市轨道交通系统还包括用以将列车牵引到最近车站的缆绳系统103，缆绳系统包括设置在地面上的缆绳和设置在列车车体上的用以连接缆绳的固定件。当车辆出现故障时，可通过缆绳将列车牵引到最近车站实施乘客疏散和救援。

在轨道上设置有磁轨制动装置102，用于紧急制动。

列车运行过程中的各项运动学参数可根据各时刻的牵引计算公式求得，如：

M(1+γ)a＝F-W-G-R

式中：a为列车加速度；F为列车牵引力，W为列车运行阻力，Wq为列车启动阻力，G为坡道阻力，R为曲线阻力，γ为列车回转质量系数，一般取为0.1。

根据车辆运行情况，有牵引、惰行、制动三种运行工况。工况不同，作用于列车上的合力也不同。

(1)牵引运行时，牵引力和列车运行阻力同时作用于列车上，列车运行的加速度为

$a=\left\{\begin{array}{cc}\frac{F-(W_q+G+R)}{M(1+\mathrm{\&gamma;})}& v<5\mathrm{km}/h\\ \frac{F-(W+G+R)}{M(1+\mathrm{\&gamma;})}& v\&GreaterEqual;5\mathrm{km}/h\end{array}\right.$

(2)惰行运行时，只有运行阻力作用于列车上，列车运行的加速度为

$a=\frac{-(W+G+R)}{M(1+\mathrm{\&gamma;})}$

(3)制动运行时，制动力F_b和阻力同时作用于列车上，列车运行的加速度为

$a=\frac{-(F_b+W+G+R)}{M(1+\mathrm{\&gamma;})}$

由表2可知，飞轮(32个)的初始状态能量为：E_1i＝1/2*I*ω_1i ²(其中i＝1,2，…32为飞轮/橡胶轮指针)。牵引时，通过传动调速机构将飞轮的能量传递给牵引橡胶轮驱动列车运行，橡胶轮和列车相互作用的摩擦力做功为Ef＝∑F_i*S_i；列车运行中，每个橡胶轮做功大小不同，因此飞轮的能量消耗大小也不同，飞轮剩余能量E_2i＝E_1i-E_fi。

列车牵引出站后，中间区段惰行，列车阻力(包括列车运行阻力W，坡道阻力G，曲线阻力R)做功，其中下坡时坡道阻力做正功使列车加速，上坡时坡道阻力做负功使列车减速。阻力做功E_R＝∑R_j*S_j(其中j＝1～4为车辆数)；

列车制动进站时，橡胶轮和列车相互作用的摩擦力做功为Efb＝∑Fbi*Sbi，这些能量通过传动调速机构向飞轮传递，由飞轮进行能量回收。假设飞轮剩余能量和前一站能量相同，则能量回收后各飞轮的剩余能量为E3i＝E2i+Efbi。

经过此过程，根据能量守恒定理，每个飞轮储存的能量会下降，即E3i≤E1i，此时需要通过电机带动飞轮旋转，对飞轮系统储能进行补充，补充的能量为Esi＝Eli-E3i。

其中：E1i为各飞轮的初始能量；I为飞轮的转动惯量；ω1i为各飞轮的初始转速；Ef为牵引橡胶轮摩擦力做功；Fi为每个橡胶轮摩擦牵引力；Si为每个橡胶轮和列车接触移动的距离；E2i为各飞轮剩余的能量；Rj为每个车辆阻力；Sj为每个车辆移动的距离；Efb为制动橡胶轮摩擦力做功；Fbi为每个橡胶轮摩擦制动力；Sbi为每个橡胶轮和列车接触移动的距离；E3i为能量回收后各飞轮剩余的能量；Esi为各飞轮需要补充的能量；

设定列车运行完区间所要达到的旅行速度，如35公里/小时(停站时间设为25秒)，当乘客人数发生变化时，系统会根据车辆载重和线路情况，计算出列车到达坡底时所需速度，从而通过调整橡胶轮摩擦牵引力大小或配置相应数量的橡胶轮来实现所需的牵引和制动。

在本发明中，列车车体的节数为1-4节。本发明尤其适用中、小城市或城镇，中、小城市或城镇中客流密度不大，且相邻两站台之间的距离也不是太远，如0.8千米至3千米这个范围内。

案例仿真分析

结合上述本发明工作原理说明，为了使本发明的效果易于明白了解，下面结合具体案例仿真分析进一步阐述本发明。

假设一段区间线路，两车站间距为1200m，区间线路(含站台)全长为1300m，线路主要数据见图4和下表1。

表1 线路区间数据

仿真列车由四节车辆编组而成，每节车辆自重约24.8吨(比常规C型地铁车辆减重7～9吨)，AW2工况载客重13.1吨，AW3工况载客重18.4吨。

地面车站区域每隔5米在列车两侧布置新型列车牵引、制动传动系统，沿车长区域每边设置16套，共32套。仿真计算采用的传动系统及车辆参数如表2所示。

表2 新型传动系统数据

项目	数值	项目	数值
				飞轮数量	32	牵引橡胶轮数量	32

飞轮转动惯量	1160kg·m2	牵引橡胶轮直径	0.5m
				飞轮初始转速	360转/分	牵引橡胶轮间隔	5m
飞轮/橡胶轮传动比	可变	单个牵引橡胶轮牵引力	7KN

设定列车运行完区间所要达到的旅行速度，如35公里/小时(停站时间设为25秒)，系统会根据车辆载重和线路情况计算出列车到达坡底时所需速度，从而配置相应数量的橡胶轮参与牵引或制动。

4节AW2负载编组列车在图4设计区间运行的计算结果如图5～8所示。图5和图6为列车运行完全程的速度-距离、速度-时间特性曲线，由图可知，列车出站后，在飞轮/橡胶轮牵引力和节能坡作用下，速度不断增加，最高速度约为80公里/小时，之后在惰行段和上坡段速度逐渐下降，最后制动停车，列车运行完全程的时间100秒。图7为列车运行的加/减速度-距离曲线，可见，列车在启动牵引阶段的加速度最大，在制动停车时的减速度最大。

图8为列车牵引时各飞轮的特性曲线。由图8可知，列车牵引时，飞轮的能量通过橡胶轮和列车接触向外输出牵引力做功，飞轮的能量逐渐衰减，1号飞轮作用的时间最长，能量消耗最大，消耗后的剩余能量最小；16号飞轮作用的时间最短，能量消耗最小，消耗后的剩余能量最大，其他飞轮介于二者之间。

图9为列车制动时各飞轮的特性曲线。如图9可知，列车制动时，列车的动能通过橡胶轮传递给飞轮，飞轮的能量得到补偿。8号飞轮制动距离最长，能量提升最大，2号飞轮最小，1号飞轮所处位置为终点，未参与制动。

图10为列车运行完全程后，电机根据飞轮损失能量大小对飞轮进行能量补充图。由图可见，飞轮1消耗的能量最大，需要补充的能量也最大。飞轮2～8在制动时，再生制动反馈的能量已经对其进行了补偿，因此补充的能量已经进行了折减。9-16号飞轮未吸收制动反馈的能量，需要补充的能量略高于前面的8号飞轮。

图11为列车运行完全程后，列车的牵引功率和制动功率图。由图可见，牵引功率要大于制动功率。牵引做功耗电为3.17度电，制动补偿为0.64度电，如考虑到制动耗电可以充分得到回收，实际耗电为2.53度，大约是现有系统能耗的1/4～1/5，节能效果非常显著。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (12)

1.一种城市轨道交通系统，其特征在于，包括列车车体，在列车车体两侧设置牵引磨耗板；在地面车站布置列车牵引制动传动系统，所述列车牵引制动传动系统包括驱动电机、飞轮、调速机构、牵引轮，所述驱动电机和飞轮通过调速机构与牵引轮传动连接，所述牵引轮与列车车体的牵引磨耗板相对应。

2.根据权利要求1所述的城市轨道交通系统，其特征在于，所述列车牵引制动传动系统的驱动电机设置在一推送装置上，通过该推送装置控制驱动电机与飞轮之间连接或者脱离，正常情况下驱动电机和飞轮脱离。

3.根据权利要求1所述的城市轨道交通系统，其特征在于，所述列车牵引制动传动系统还包括一控制牵引轮贴合或者脱离所述牵引磨耗板的摆动装置。

4.根据权利要求3所述的城市轨道交通系统，其特征在于，所述牵引轮包括两组，分别布置在列车车体两侧；每组牵引轮组又包括沿列车长度方向排列布设的若干个牵引轮。

5.根据权利要求1所述的城市轨道交通系统，其特征在于，所述牵引轮为橡胶轮。

6.根据权利要求1所述的城市轨道交通系统，其特征在于，所述城市轨道交通系统还包括用以将列车牵引到最近车站的缆绳系统，所述缆绳系统包括设置在地面上的缆绳和设置在列车车体上的用以连接缆绳的固定件。

7.根据权利要求1所述的城市轨道交通系统，其特征在于，在轨道上设置有磁轨制动装置。

8.根据权利要求1所述的城市轨道交通系统，其特征在于，在地面车站布置用于称量列车重量以便于计算阻力的列车称重系统。

9.根据权利要求8所述的城市轨道交通系统，其特征在于，所述城市轨道交通系统还包括一套控制系统，所述列车称重系统、电机均与该控制系统连接；所述列车牵引制动传动系统中设置有用以测量转速测速传感器，该转速测速传感器与控制系统连接。

10.根据权利要求1所述的城市轨道交通系统，其特征在于，相邻两个地面车站间采用大坡道线路，由下坡、平坡和上坡三个区段中的一个或者多个组合而成。

11.根据权利要求1所述的城市轨道交通系统，其特征在于，相邻两个地面车站的线路设置成凹形，地面车站设置在地面，线路设置在地下，地面车站位于线路的高点。

12.根据权利要求1所述的城市轨道交通系统，其特征在于，列车车体的节数为1-4节。