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摘要：随着社会的不断发展，城市化的进程也在不断的加快，导致城市人口越来越多，交通也日益拥堵，因此为了解决这一问题，城市轨道交通应运而生，目前世界上各大城市基本上都拥有了一套完善便利的城市轨道交通系统。 地铁列车牵引传动系统是车体和车辆的核心，是车辆国产化的重点和难点，其性能直接影响整个城市地铁的正常运营，本文首先分析了整个电力牵引系统的原理与结构，在详细介绍电力牵引系统的组成单元的基础上对各个单元进行设计。 地铁列车牵引系统主要由以下设备构成:受电弓、高速断路器HSCB、VVVF牵引逆变器、牵引控制单元DCU、牵引电机、制动电阻和司控器。其中最为关键的就是牵引电机,它采用电动驱动,以满足车辆牵引和制动特性的要求;且列车电机型式一般采用结构简单、可靠性好、寿命长、几乎免维护的异步电机。
关键字：地铁；牵引系统；设备；城市轨道交通系统
引言
城市的发展是社会进步的标志，城市也是人类活动的中心。随着经济和科技的高速发展，城市人口的数量呈几何式增加，道路的压力越来越大，有些发达城市在采取了限号限行限购车等措施来缓解道路压力，可是还是满足不了人们日益增长的需求。因此，城市轨道交通系统应运而生，并且日益演变成为城市公共交通运输系统的骨干。城市轨道交通包括城市快速列车、地铁列车、轻轨车辆和有轨电车，而列车牵引系统作为地铁的核心部件，起着极为重要的作用。
1.地铁建设的优越性
随着我国经济建设的成效日渐显著，城市规模也越来越庞大，大力发展城市轨道交通已经成为解决城市难题，促进城市健康发展的必要途径。城市轨道车辆是在城市中运行在地下、地面或高架铁路上的公共交通运输工具，它主要有城市快速列车、地铁列车、轻轨车辆和有轨电车等等，由于地铁具有专门的运行路线，不会发生抢道、等红绿灯等延误时间的情况，所以运行运行速度比公共汽车快的多；而且列车编组而行，因此载客能力更是超过一般的交通工具，因此受到广大上班族的喜爱。
表1-1 城市轨道交通最大运输能力
从表1-1可以看出城市轨道交通在减轻交通拥挤问题上的优越性。城市轨道交通具有以下优点：运输能力大、运输时间准、速达性高、舒适性强、安全性好、充分利用地下空间、运营费用低，尤其是在环保性能上远远超过其他交通工具，堪称城市绿色交通。
2.列车牵引理论概述
地铁车辆在运行过程中，会遇到各种各样的阻力，影响它的运行效果。把所有作用在车辆上外力的合理用G表示，根据动力学原理：
当G<0时，车辆减速运行；
当G=0时，车辆静止或匀速行驶；
当G>0时，车辆加速行驶。
作用在车辆上的众多外力按其性质分为三类：
牵引力Fk---使列车运动并可以控制的外力；
车辆阻力W---在运行中产生的与列车方向相反的不可控制的力；
制动力B---与列车运行方向相反的并使列车减速或停止的可控制的外力。
这三个力作用于列车，并影响列车运行。在一般情况下，不是同时存在的，在牵引工况，牵引力、阻力同时存在；在惰行工况，只有阻力存在；在制动工况，制动力、阻力同时存在。
2.1牵引力
牵引电机的转矩通过输出轴，传动装置（联轴节，齿轮箱）最后使车辆动轮获得扭矩M，如图一所示。假设把车辆吊起来离开车尾，则扭矩作为内力矩，只能使车轮发生旋转运动，而不能使车轮发生平衡运动。但当车辆置于钢轨上使钢轮和车轨成为有压力的接触时，就产生车轮作用于钢轨的可以控制的力F，而F所引起的钢轨反作用于车轮的反作用力Fk就是使列车发生平移运动的外力，如图二所示。这种由钢轨沿列车运行方向加于动轮轮周上的切向外力Fk就是列车的轮周牵引力，简称列车牵引力。
当牵引力增大超过粘着力的极限值时，轮轨间的平衡力被破坏，动轮因无足够的水平支撑力，就不能在钢轨上滚动，而开始在钢轨上滑动，造成动轮空转，这时，钢轨对车轮的反作用力（牵引力）也因由静摩擦力变为动摩擦力而直接下降。随着轮轨间相对滑动速度的增加，动摩擦系数越来越小，黏着力的下降更为严重。结果动轮以轴为中心加速空转，车轮空转易造成传动装置和走行部的损坏，并使轨与轮接触面擦伤，所以在运行中必须尽量避免。
2.2车辆阻力
车辆阻力是列车在运行过程中必然存在的一种外力，是无法避免的，与列车运行方向相反，根据车辆阻力引起的原因可以把列车阻力分为基本阻力和附加阻力。
基本阻力：列车在行驶过程中总是存在，列车在平行道上运行时一般只有基本阻力。
附加阻力：发生在列车上坡、曲线、启动时。
列车阻力的影响因素众多，情况多变，因此无法进行理论推算。
3.牵引系统设备组成
地铁列车牵引系统主要由以下设备构成:受电弓、高速断路器HSCB、VVVF牵引逆变器、牵引控制单元DCU、牵引电机、制动电阻和司控器等。图三为受电弓结构示意图。
4.地铁列车牵引控制
车辆牵引系统中有对车辆各种情况的监控，一旦系统发生问题，牵引指令线就会断开，从而列车将无法继续牵引。这其中包括车门状态监控、主风缸压力大小监控、停车制动状态监控、紧急制动状态监控，具体由以下几个主要部件进行控制：
DCR(车门全关闭继电器）：当车门全部关闭后，DCR得电，其串在牵引回路中的常开触点闭合，一旦车门中有一个未能关闭，继电器失电，触点断开，牵引指令就无法发送出去，列车便无法启动。
MRPR2（主风缸压力继电器）：是由列车管理系统控制，当主风缸的压力高于设定压力值时得电，其辅助触点闭合，一旦主风缸压力低于设定压力值，继电器就会失点，触点断开，列车便无法启动。
EBR（紧急制动继电器）：若列车处于紧急制动状态，触点就会断开，列车无法启动。
如图四所示，列车主电路通过受电弓连至接触网，从电网获得电能。逆变器将1500V直流电压转换为三向交流电压，从而驱动三相感应电机。逆变器由IPM模块组成，该变压器能够实现变压变频控制，它能够控制感应电机的转速，使列车速度能在很宽的一个范围内调节。它还能够实现牵引、再生制动和向前、向后操作，不需切换主电路，而是通过对滑差频率及输出相序的控制来实现。
5.仿真：在传统的电路设计中，一般是根据功能相似的成熟的电路数据并通过经验判断来预定电路的相关参数，对所设计的电路进行简单计算后估计电路的性能，然后在实际中需要搭建系统测试系统，但是这种方法费时费力，效率比较低下。随着计算机技术的迅速发展，如今可以在计算机上搭建仿真电路模型，通过模拟计算来分析所涉及的电路性能是否符合实际要求，这样就大大的减少了人力、物力、财力的损失。
5.1仿真软件
Multisim软件：工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。
Simulink软件：Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用Simulink。
Simulink的启动：1、在MATLAB命令窗口中输入simulink
结果是在桌面上出现一个称为Simulink Library Browser的窗口，在这个窗口中列出了按功能分类的各种模块的名称。当然用户也可以通过MATLAB主窗口的快捷按钮来打开Simulink Library Browser窗口。
2、在MATLAB命令窗口中输入simulink3
结果是在桌面上出现一个用图标形式显示的Library :simulink3的Simulink模块库窗口。
两种模块库窗口界面只是不同的显示形式，用户可以根据各人喜好进行选用，一般说来第二种窗口直观、形象，易于初学者，但使用时会打开太多的子窗口。
6.结束语
随着社会的不断进步，城市化进程加快，导致城市人口激增，交通拥堵，因此我国越来越重视城市交通轨道的建设，并且在这方面也取得了重大的突破，不断的掌握地铁列车动力牵引系统的核心技术，我相信在不久的将来，我国的技术可以突飞猛进，更上一层楼！
参考文献
[1] 尹航,蒋涛,张言伟,郑财晖. 列车牵引计算分析及仿真[J]. 大连交通大学学报. 2013(01)
[2] 张琼燕,邓瀚,赵霞.城市轨道交通列车运行控制系统仿真分析与研究[J]. 城市轨道交通研究. 2012(08)
[3]林青. 地铁列车牵引计算的研究[J]. 铁路计算机应用. 2012(02)
论文作者:叶正
论文发表刊物:《基层建设》2016年27期
论文发表时间:2017/1/6
标签：列车论文; 车辆论文; 城市论文; 阻力论文; 系统论文; 地铁论文; 钢轨论文; 《基层建设》2016年27期论文;