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空气阀控制设计【带UG三维图】【2张CAD图纸+毕业论文】

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关键词：: 空气阀控制设计 UG三维图 cad图纸毕业论文空气阀控制

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空气阀制动控制设计

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摘要

铁路是我国最主要的交通运输方式之一，在我国的经济发展中起着不可替代的重要作用，它所担负的客货运输任务十分繁重。为了完成这个艰巨的任务，列车的牵引重量和运行速度都要不断提高，所以制动技术在铁路发展中越来越重要。

随着铁路向高速、重载方向发展，对制动系统的研究显得尤为重要，制动问题是随着铁路而伴生的古老问题，其研究一直沿用传统的实验方法，一方面是由于空气制动系统结构简单、易于实验；另一方面是由于早期的气体流动理论的局限，难于与空气制动系统相结合。由于现在铁路高速、重载的需要，空气制动系统日益复杂，单纯依靠实验手段难度不断增加，且耗资、费时，特别是实验中制动性能的离散性，促使人们开始转向模拟研究。计算机运算能力的提高，为数学模型的建立创造了条件，促进了制动系统模拟研究的迅速发展。

关键词：铁路货车 120型空气控制阀紧急阀总体控制电路 UG NX4.0建模

ABSTRACT

Railway is the one of most important transportations of our country, in the development of our country’s economy, it takes the important role of the freight and passenger transportationTo complete this difficulty task, the train’s pull weight and run speed always to rise, therefore, brake technology is being important in railway development.

As railway develops to high speed and heavy haul, the research on braking system is very importantBrake problem is an ancient problem along with railway, its studies always use the traditional method of experiment, on the one hand, it is because of air brake system’s structure simple, is easy to test; on the other hand, it is because of the limitation of air flow dynamics in early stage, is hard to combine with air brake systemBecause of the railway need develops to high speed and heavy haul for the present, and air braking system became more complex, only depend on using the method of experiment means more difficulty, more time and money consuming, especially due to the discrete of brake capability in experiment, make people begin to change research direction to simulationThe raising of computer operational ability, make the condition to work out mathematics model, and promote the brake system quickly development of simulated research.

Keywords：Railroad freight 120 type air control valves Emergency valve

General control circuit UG NX4.0 modeling

引言1

第一章铁路货车相关介绍2

1.1 铁路货车概述2

1.2 我国铁路货车转向架的主要类型3

1.3 我国铁路货车转向架的结构7

1.4 铁路货车转向架制造8

1.5 铁路货车制动技术的发展8

1.5.1 国外铁路车辆制动技术的发展8

1.5.2 我国铁路车辆制动技术的发展9

1.6 铁路货车制动系统的基本要求10

1.7 铁路货车空气制动系统的设计原则11

第二章铁路货车制动装置12

2.1 铁路货车制动系统的组成12

2.2 120阀制动系统组成12

2.3 120型控制阀特点13

2.4 120型控制阀构造14

2.4.1 主阀15

2.4.2 缓减阀15

2.4.3 中间体16

2.4.4 紧急阀16

第三章 120阀紧急阀设计介绍17

3.1 120阀紧急阀的结构17

3.1.1 放风阀导向杆结构及安装位置18

3.1.2 紧急活塞杆结构及安装位置19

3.2 紧急阀关键部件安装特点20

3.3 120阀紧急活塞受力分析21

3.4 120阀紧急阀的作用原理21

3.5 紧急阀常见故障分析23

3.5.1 紧急制动不灵敏或不起紧急制动作用23

3.5.2 紧急室充风时间不合格23

3.5.3 紧急室排风时间不合格23

3.5.4 常用制动时起紧急制动作用：24

3.5.5 紧急制动后紧急管充气时排风口大漏24

第四章总体控制电路部分.24

4.1总体控制过程.24

4.2 压力采集系统设计方案 ................................................26

4.3 元器件选择及其参数..................................................27

4.4 总结.29

第五章基于UG NX4.0的建模设计33

5.1 三维实体设计的内容33

5.2 三维实体设计的方法34

5.3 UG NX系列软件简介34

5.4 UG NX4.0参数化建模34

5.5 零部件的UG NX4.0建模过程35

5 .6 零部件的UG NX4.0装配过程..39

结论44

致谢45

参考文献46

铁路是国民经济的大动脉，对我国经济的发展起着十分重要的作用。特别是近年来，随着我国国民经济持续、快速、稳定的发展，铁路管理和研究部门通过一系列的体制改革、管理改革和技术革新，使我国的铁路事业取得了令人瞩目的成绩。

随着全国铁路第六次大提速，我国铁路旅客列车的速度在主要干线已经提高到了200km/h，现在正向300km/h的目标迈进。而货物列车的最高速度还停留在120km/h，因而严重降低了铁路线路的使用率，因此货运快捷化势在必行。我国根据铁路货运提速的要求，应尽快开发160km/h货车，以消除铁路全面提速的瓶颈，而160km/h快速货车需要解决的首要问题是列车制动问题。

制动技术包括制动控制技术和基础制动技术，是货车重载提速的关键技术。制动控制技术是与产生和输出制动动力，控制、调节和保持车辆制动力等有关的技术。基础制动技术是与传递和放大制动动力，实现和保持制动力，转换和消耗车辆动能等有关的技术。我国铁路货车以压缩空气作为制动动力源，控制系统采用空气制动机，包括制动控制阀、空重车调整装置、副风缸等辅助风缸等。基础制动系统则由机械传动装置、闸阀间隙调整器和闸瓦等组成。

而本文对制动技术中120型空气控制阀紧急阀进行了认真的研究和分析，从而使铁路货车能够达到高速、重载的运输要求，使我国铁路货车在客货共线运营、安全可靠的前提下，实现速度、密度、重量同步提升，走出一条具有中国特色的提速、重载并举发展之路，满足我国国民经济又好又快发展的要求。1.1 铁路货车概述

铁路货车按其用途不同，可分为通用货车和专用货车。

通用货车是装运普通货物的车辆，货物类型多不固定，也无特殊要求。铁路货车中这类货车占的比重较大，一般有敞车、平车、棚车、保温车和灌车等几种。

专用货车一般指只运送一种或很少几种货物的车辆。用途比较单一,同一种车辆要求装载的货物重量或外形尺寸比较统一。专用货车一般有集装箱车、长大货物车、毒品车、家畜车、水泥车、粮食车和特种车等。

1.2 我国铁路货车转向架的主要类型

我国货车转向架在建国前主要靠进口美、日30t级货车转向架，自20世纪50年代初开始自行设计，走过了仿制生产、改进设计、技术引进、再技术创新的道路。研制了多种货车转向架，如K1、K2、K3、K4、K5和K6等。下面简单介绍几种转向架。

（1）K2型转向架

K2型转向架主要由轮对和轴承装置、侧架、摇枕、下交叉支撑装置、摇枕弹簧、减振装置、基础制动装置等组成。其主要性能参数和基本尺寸如下两表：

参考文献

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内容简介：: 长春理工大学光电信息学院毕业设计（论文）题目申报表院别机电工程分院教研室机械工程教研室指导教师吴翠红职称讲师职称 2011年11月1日题目名称空气阀控制设计题目类别设计类题目性质结合实际专业机械电子工程参加本题目学生人数1人论文类虚拟题目题目来源、教师准备情况、主要培养学生哪些能力1本题目来源于指导教师的命题。2指导教师对此课题有较深的理论基础及经验，在师生共同努力下定能顺利、按期完成该课题设计。3本课题主要培养学生对已有知识的运用能力、查找资料和阅读能力、英译汉的能力、工程机械的设计、制造能力。题目内容及要求题目内容：铁路是我国最主要的交通运输方式之一，在我国的经济发展中起着不可替代的重要作用，它所担负的客货运输任务十分繁重。为了完成这个艰巨的任务，列车的牵引重量和运行速度都要不断提高，所以制动技术在铁路发展中越来越重要。要求：1.写出11.5万字的论文，绘制总装图和重要的零件图。论文内容包括:（1）铁路货车相关介绍。（2）铁路货车制动装置。（3）120阀紧急阀设计介绍。（4）总体控制电路。（5）基于UG NX4.0的建模设计。2.将一篇与本课题有关的英文资料，翻译成中文（约5000字）。实践环节安排实习4周实验计算机应用计算机绘图4周中、外文参考资料：1 李福生，董茜.120阀紧急阀改造后有关问题的探讨.铁道机车车辆. 2000年，第 4 期：40-412 张卫斌，胡小英，闫海旭.120阀紧急阀夹布膜板结构优化.万方数据. /Conference_7308193.aspx .2011-5-253 郭全喜. 120阀在运用中的常见故障及原因分析.科技创新导报.2008年,第19期：704 冯捷.120型紧急阀故障分析.铁道机车车辆.2004年，第4期：41-435 魏占辉.120型控制阀常见故障分析.铁道机车车辆.2002年，第5期：55、636 刘晓霞，李俊发，冀宏.120型控制阀存在问题和建议.铁道机车车辆.2002年，第2期：51-52教研室主任审批签字分院院长审批签字注：题目类别和题目性质请用符号填在相应栏内。长春理工大学光电信息学院学生毕业设计（论文）分院机电工程分院专业机械电子工程班级08522学生姓名指导教师设计（论文）起止日期2012年 2月28日-6月17日教研室主任题目名称（包括主要技术参数）及要求1. 题目名称：空气阀控制设计货车空气制动系统是列车产生制动和缓解的主要控制部分，为实现货物列车安全制动和缓解，货车空气制动系统的设计应满足以下要求:采用自动空气制动机，即可在列车发生分离事故时，全列车可立即自动紧急停车。具有强大的制动力，以保证列车在规定的时间内停车。能保持制动力不衰减，以保证长大坡道制动过程中始终有足够的制动力，使列车能够安全通过坡道。具有较高的制动灵敏性和制动波速，同时满足稳定性和安全性的要求，使制动作用能够迅速准确地传递到列车尾部，确保全列车的制动作用。提高的制动灵敏性可降低列车制动时的纵向冲击，但灵敏性过高会造成列车缓解稳定性和常用制动安定性的降低。具有较大的制动功率和再充气能力，以适应长大坡道实施连续制动的要求。列车在长大坡道实施连续制动时，列车的再充气问题是一个非常严峻的句题，列车在制动后的缓解过程中，列车尾部的副风缸压力空气能否及时得到充分的补充，是列车能否安全通过长大坡道的关键。结构简单，操纵方便。便于维修，检修周期较长。各部件结构合理，便于制造，坚固耐用，机械效率高。尽可能采用标准件和通用件。论文开题报告（设计方案论证）应包括以下几方面的内容：1、本课题研究的意义；2、调研（社会调查）情况总结；3、查阅文献资料情况（列出主要文献清单）；4、拟采取的研究路线；5、进度安排。1. 本课题研究的意义：铁路是我国最主要的交通运输方式之一，在我国的经济发展中起着不可替代的重要作用，它所担负的客货运输任务十分繁重。为了完成这个艰巨的任务，列车的牵引重量和运行速度都要不断提高，所以制动技术在铁路发展中越来越重要。2. 调研情况总结：为了更好的完成本设计，我们参观了长春客车厂，并在网上查阅了大量有关资料，对铁路货车的制动系统的功能、原理及结构有了直观的了解，对顺利完成本设计起到了至关重要的作用。3. 参考文献：1 李福生，董茜.120阀紧急阀改造后有关问题的探讨.铁道机车车辆. 2000年，第 4 期：40-412 张卫斌，胡小英，闫海旭.120阀紧急阀夹布膜板结构优化.万方数据. /Conference_7308193.aspx .2011-5-253 郭全喜. 120阀在运用中的常见故障及原因分析.科技创新导报.2008年,第19期：704 冯捷.120型紧急阀故障分析.铁道机车车辆.2004年，第4期：41-435 魏占辉.120型控制阀常见故障分析.铁道机车车辆.2002年，第5期：55、636 刘晓霞，李俊发，冀宏.120型控制阀存在问题和建议.铁道机车车辆.2002年，第2期：51-527 康春玲，孙宪存，王富玲.120型控制阀缓解不良故障的分析与改进.见：孙立国.铁道机车车辆.2003年4月，第23卷第2期：47-488 孙宪存，康春玲，王富玲.120型控制阀缓解不良故障的快速判断与处理.铁道机车车辆工人.2003年1月.第1期：13-154.拟采取的研究路线：指导老师下达任务充分理解本课题要解决的问题查阅文件和素材（图书馆、上网）翻译英文资料（吉林省图书馆，长春市图书馆，达新校区图书馆）到长春精诚机械参观撰写论文（吉林省图书馆，长春市图书馆，达新校区图书馆）CAD绘图指导教师审查修改、完善、定稿准备答辩。5进度安排：2月 28日 3月 15日查阅文件，书籍材料。3月16日3月 29日翻译英文材料。3月30日4月 26日写课题论文，写初稿。4月 27日5月 17日完善论文，定稿。5月 18日6月7日绘制设计草图、打印。6月8日6月 17日整理，熟悉文件,准备答辩指导教师审阅意见：年月日记事：指导教师审阅意见：年月日长春理工大学光电信息学院毕业设计本科生毕业设计空气阀控制设计Air valve control design学生姓名专业机械电子工程学号指导教师分院机电工程分院摘要铁路是我国最主要的交通运输方式之一，在我国的经济发展中起着不可替代的重要作用，它所担负的客货运输任务十分繁重。为了完成这个艰巨的任务，列车的牵引重量和运行速度都要不断提高，所以制动技术在铁路发展中越来越重要。随着铁路向高速、重载方向发展，对制动系统的研究显得尤为重要，制动问题是随着铁路而伴生的古老问题，其研究一直沿用传统的实验方法，一方面是由于空气制动系统结构简单、易于实验；另一方面是由于早期的气体流动理论的局限，难于与空气制动系统相结合。由于现在铁路高速、重载的需要，空气制动系统日益复杂，单纯依靠实验手段难度不断增加，且耗资、费时，特别是实验中制动性能的离散性，促使人们开始转向模拟研究。计算机运算能力的提高，为数学模型的建立创造了条件，促进了制动系统模拟研究的迅速发展。关键词：铁路货车 120型空气控制阀紧急阀总体控制电路 UG NX4.0建模ABSTRACTRailway is the one of most important transportations of our country, in the development of our countrys economy, it takes the important role of the freight and passenger transportation. To complete this difficulty task, the trains pull weight and run speed always to rise, therefore, brake technology is being important in railway development.As railway develops to high speed and heavy haul, the research on braking system is very important. Brake problem is an ancient problem along with railway, its studies always use the traditional method of experiment, on the one hand, it is because of air brake systems structure simple, is easy to test; on the other hand, it is because of the limitation of air flow dynamics in early stage, is hard to combine with air brake system. Because of the railway need develops to high speed and heavy haul for the present, and air braking system became more complex, only depend on using the method of experiment means more difficulty, more time and money consuming, especially due to the discrete of brake capability in experiment, make people begin to change research direction to simulation. The raising of computer operational ability, make the condition to work out mathematics model, and promote the brake system quickly development of simulated research.Keywords：Railroad freight 120 type air control valves Emergency valve General control circuit UG NX4.0 modeling 目录引言1第一章铁路货车相关介绍21.1 铁路货车概述21.2 我国铁路货车转向架的主要类型31.3 我国铁路货车转向架的结构71.4 铁路货车转向架制造81.5 铁路货车制动技术的发展81.5.1 国外铁路车辆制动技术的发展81.5.2 我国铁路车辆制动技术的发展91.6 铁路货车制动系统的基本要求101.7 铁路货车空气制动系统的设计原则11第二章铁路货车制动装置122.1 铁路货车制动系统的组成122.2 120阀制动系统组成122.3 120型控制阀特点132.4 120型控制阀构造142.4.1 主阀152.4.2 缓减阀152.4.3 中间体162.4.4 紧急阀16第三章 120阀紧急阀设计介绍173.1 120阀紧急阀的结构173.1.1 放风阀导向杆结构及安装位置183.1.2 紧急活塞杆结构及安装位置193.2 紧急阀关键部件安装特点203.3 120阀紧急活塞受力分析213.4 120阀紧急阀的作用原理213.5 紧急阀常见故障分析233.5.1 紧急制动不灵敏或不起紧急制动作用233.5.2 紧急室充风时间不合格233.5.3 紧急室排风时间不合格233.5.4 常用制动时起紧急制动作用：243.5.5 紧急制动后紧急管充气时排风口大漏24第四章总体控制电路部分. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24 4.1总体控制过程. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24 4.2 压力采集系统设计方案 .26 4.3 元器件选择及其参数.27 4.4 总结. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29第五章基于UG NX4.0的建模设计335.1 三维实体设计的内容335.2 三维实体设计的方法345.3 UG NX系列软件简介345.4 UG NX4.0参数化建模345.5 零部件的UG NX4.0建模过程355 .6 零部件的UG NX4.0装配过程. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39结论44致谢45参考文献46引言铁路是国民经济的大动脉，对我国经济的发展起着十分重要的作用。特别是近年来，随着我国国民经济持续、快速、稳定的发展，铁路管理和研究部门通过一系列的体制改革、管理改革和技术革新，使我国的铁路事业取得了令人瞩目的成绩。随着全国铁路第六次大提速，我国铁路旅客列车的速度在主要干线已经提高到了200km/h，现在正向300km/h的目标迈进。而货物列车的最高速度还停留在120km/h，因而严重降低了铁路线路的使用率，因此货运快捷化势在必行。我国根据铁路货运提速的要求，应尽快开发160km/h货车，以消除铁路全面提速的瓶颈，而160km/h快速货车需要解决的首要问题是列车制动问题。制动技术包括制动控制技术和基础制动技术，是货车重载提速的关键技术。制动控制技术是与产生和输出制动动力，控制、调节和保持车辆制动力等有关的技术。基础制动技术是与传递和放大制动动力，实现和保持制动力，转换和消耗车辆动能等有关的技术。我国铁路货车以压缩空气作为制动动力源，控制系统采用空气制动机，包括制动控制阀、空重车调整装置、副风缸等辅助风缸等。基础制动系统则由机械传动装置、闸阀间隙调整器和闸瓦等组成。而本文对制动技术中120型空气控制阀紧急阀进行了认真的研究和分析，从而使铁路货车能够达到高速、重载的运输要求，使我国铁路货车在客货共线运营、安全可靠的前提下，实现速度、密度、重量同步提升，走出一条具有中国特色的提速、重载并举发展之路，满足我国国民经济又好又快发展的要求。 1第一章铁路货车相关介绍1.1 铁路货车概述铁路货车按其用途不同，可分为通用货车和专用货车。通用货车是装运普通货物的车辆，货物类型多不固定，也无特殊要求。铁路货车中这类货车占的比重较大，一般有敞车、平车、棚车、保温车和灌车等几种。专用货车一般指只运送一种或很少几种货物的车辆。用途比较单一,同一种车辆要求装载的货物重量或外形尺寸比较统一。专用货车一般有集装箱车、长大货物车、毒品车、家畜车、水泥车、粮食车和特种车等。1.2 我国铁路货车转向架的主要类型我国货车转向架在建国前主要靠进口美、日30t级货车转向架，自20世纪50年代初开始自行设计，走过了仿制生产、改进设计、技术引进、再技术创新的道路。研制了多种货车转向架，如K1、K2、K3、K4、K5和K6等。下面简单介绍几种转向架。（1）K2型转向架K2型转向架主要由轮对和轴承装置、侧架、摇枕、下交叉支撑装置、摇枕弹簧、减振装置、基础制动装置等组成。其主要性能参数和基本尺寸如下两表： 2图1.1 K2型转向架效果图表1.1 K2型转向架主要性能参数表轴重（t）21自重（t）4.2商业运行速度（km/h）120轨距(mm)1435轴型轮径(mm)840基础制动装置制动倍率4通过最小曲线半径（m）145表1.2 K2型转向架基本尺寸表固定轴距（mm）1750轴颈中心距（mm）1956旁承中心距（mm）1520下心盘直径(mm)355空车下心盘面距轨面高(mm)682 下心盘面至弹性旁承顶面距离(mm)93（2）K4型转向架K4型转向架主要由轮对和轴承装置、侧架、摇枕、弹簧托板、摇动座、摇动座支撑、弹性悬挂系统及减振装置、基础制动装置、常接触式弹性旁承及横跨梁组成。 3图1.2 K4型转向架效果图表1.3 K4型转向架主要性能参数表轴重（t）21自重（t）4.2商业运行速度（km/h）120轨距(mm)1435轮型HDS轮径(mm)840基础制动装置制动倍率6.48通过最小曲线半径（m）145表1.4 K4型转向架基本尺寸表固定轴距（mm）1750轴颈中心距（mm）1956旁承中心距（mm）1520下心盘直径(mm)308/355下心盘面距轨面自由高(mm)705 下心盘面至弹性旁承顶面距离(mm)71侧架上平面距轨面高(mm)743侧架下平面距轨面高(mm)165（3）K5型转向架K5型转向架主要由轮对和轴承装置、摇枕、侧架、弹性悬挂系统及减振装置、基础制动装置、弹性托板、摇动座、常接触式弹簧旁承及横跨梁等组成。 4图1.3 K5型转向架效果图表1.5 K5型转向架主要性能参数表轴重（t）25自重（t）4.7商业运行速度（km/h）120轨距(mm)1435轮型HEZB或HESA轴型轮径(mm)840基础制动装置制动倍率4通过最小曲线半径（m）145表1.6 K5型转向架基本尺寸表固定轴距（mm）1800轴颈中心距（mm）1981旁承中心距（mm）1520下心盘直径(mm)375下心盘面距轨面自由高(mm)703 下心盘面至弹性旁承顶面距离(mm)83侧架上平面距轨面高(mm)765侧架下平面距轨面高(mm)160（4）K6型转向架K6型转向架适用于标准轨距、轴重25t、最高商业运营速度120km/h的各型提速、重载铁路货车。其构造主要由轮对、轴承装置、轴箱橡胶垫、侧架、摇枕、下交叉支撑装置、摇枕弹簧、减振装置、基础制动装置等组成。其主要性能参数和基本尺寸如下两表： 5图1.4 K6型转向架效果图表1.7 K6型转向架主要性能参数表轴重（t）25自重（t）4.8商业运行速度（km/h）120轨距(mm)1435轮型HEZB或HESA轴型通过最小曲线半径（m）145表1.8 K6型转向架基本尺寸表固定轴距（mm）1830轴颈中心距（mm）1981旁承中心距（mm）1520下心盘直径(mm)375空车心盘面到轨面高(mm)680 下心盘面至下旁承顶面距离(mm)93侧架上平面距轨面高(mm)78755 侧架下平面距轨面高(mm)162 61.3 我国铁路货车转向架的结构铁路车辆转向架，它包括两个侧架和摇枕。摇枕具有横向相对的端部，每个端部延伸进侧架开口中并且在其内支撑在弹簧组上。每个侧架在两个端部处具有轴箱导框以容纳承载鞍组件。铁路车辆转向架还包括支撑在铁路车辆转向架摇枕和侧架上的两个制动梁组件。每个制动梁组件包括长条形主体部分、支撑部分以及在主体部分和支撑部分之间延伸的支柱。由腿部和底部构成的两个制动梁吊架支撑着制动梁组件的端部。制动梁吊架可以反转，从而闸瓦托支撑部分可以横向间隔开以适应不同的轨距。另外，在摇枕的上表面上还设有改进的心盘，其中心盘包括由奥贝球铁圆盘构成的心盘衬垫。下图是以K1型转向架的结构分解图为例，来说明我国铁路货车转向架的主要结构的。心盘组成两级刚度弹簧基础制动装置摇枕组成侧架组成弹性旁承轮对组成四连杆支撑组成承载鞍转K1型转向架结构图图1.5 K1型转向架结构图 71.4 铁路货车转向架制造为了适应铁路货车大批量生产的特点，转向架的组装工艺线都是按标准化、简单化、专业化的原则进行设计的，实现了产品标准化、零件标准化、工艺流程标准化、装配人员操作专业化，以提高组装质量。目前，有一部分工艺线还具备了在线检测功能，可对组装前的零部件或组装过程及成品性能进行检查，使制造质量在组装生产过程中得到有效控制。转向架制造技术主要包括摇枕、侧架的铸造及加工，轮轴加工及压装，摇枕、侧架组成及转向架组装，另外还包括制动梁、交叉架、弹性托板等部件的制造工艺。1.5 铁路货车制动技术的发展1.5.1 国外铁路车辆制动技术的发展车辆制动技术随着车辆的进步在不断发展。早在1848年，沙米尔黎司达发明了利用车轮回转力带动空气压缩机产生制动力，这种制动方式的原理与现今机车应用的液力制动近似。1853年，库雷玛发明了弹簧式制动机，列车运转时利用拉杆把螺旋弹簧压缩，当需要制动时，司机在司机室通过传动杠杆把弹簧松开，并压在闸瓦上产生制动作用。它与现今机车使用的弹簧储能制动原理相近。1855年，洛立吉发明了索链制动机，通过索链控制闸瓦，产生制动力，它相当于当今车辆上的手制动机。1869年，美国的乔治韦斯汀豪斯从空气钻岩机得到启发，研究出了适合铁道车辆使用的空气制动机。首次使用压力空气来操纵列车制动机，从此，列车制动开始摆脱“人力”制动，转入了“机力”制动的初始阶段。机力制动为发展长大列车的安全运行提供了可能性。早期的空气制动机是直通的，当列车分离时失去了作用，不能自动停车。因此，韦斯汀豪斯于1872年又发明了自动空气制动机。美国最早采用的货车空气控制阀为H型和K型阀。在1933年开发了AB型制动机，1968年改进为ABD型。1975年，为了适应长大列车进一步发展的需要，在ABD阀的基础上增添了常用制动加速阀(简称“W阀”，也称连续局减阀)而改称为ABDW型货车空气控制阀，以改善常用制动性能， 8 缩短常用制动距离，并于1977年正式定型，代替ABD阀装于新造货车上。此后ABDW阀的运用中发现间歇式排气效果较差，又研制了连续排气的ABDX阀，可以改善其加速制动作用。20世纪90年代，北美在矿山的重载单元列车上开始采用ECP电控制动系统，可以使列车前后车辆同时制动，并且各个车辆的制动率基本一致，大大的降低了列车制动时的纵向冲击，制动距离也有较大的缩短。1.5.2 我国铁路车辆制动技术的发展我国50年代的车辆大多数是载重30t及40t货车，轴重为12-15t。车辆使用K1和K2型三通阀，没有空重车调整装置，重车制动率仅为35%，而空车制动率则高达80%。因此列车速度较低。为了发展载重50t及60t货车，必须提高重车制动率，大型货车必须用直径356mm制动缸来满足提高制动率的要求。1957年铁道部四方车辆研究所在原K2型三通阀的基础上研究出了GK型制动机，基本上满足了货车运用的需要。50年代初，为适应车辆发展的要求，曾引进前苏联的M-135型空气分配阀。这种空气分配阀具有空重车调整位和制动波速高等特点，但在试验过程中发现产生自然缓解现象，不能与我国制动机混编使用。随后又从捷克引进了DAKO型空气分配阀，安装在现车上进行试验。列车编组为60辆时，发现尾部车辆制动机缓解时间太长，需要200s，要想使列车完全缓解，必须将列车管压力充到制动之前的压力值。当时，还从德国引进了装有克诺尔制动机的车辆，发现其制动机与DAKO型空气分配阀性能没有区别，它们均系欧洲三压力空气分配阀。由于三压力空气分配阀的车辆不能与我国车辆混编，一些进口车辆都改装了我国的GK型三通阀。1958-1960年，在货车上曾试验过单线电空制动机，由齐齐哈尔车辆厂生产产了100辆，并且在线路上做了静置试验和运行试验，试验表明这种电空制动机性能优越，可以满足长大货物列车的使用要求。由于在货车上全面实现电空制动有许多困难，不易推广，因而停止了试验。1960-1970年的10年间，着重从事货车空气分配阀的研究，从101到102型空气分配阀的样机实验，最后发展为103型货车用空气分配阀。103型货车用空气分配阀是间接作用方式，副风缸必须有足够的容量，因此列车的初充气时间较长，又由于采用了紧急部加速放风阀，当列车编组作业中打开折角塞门时，稍不小心便会引起意外紧急制动，浪费了压缩空气，延长了列车再充气时间，造成列9 车开车晚点。1989-1993年，为了适应重载列车的需要，着手进行了120型控制阀的研究与试验。120型控制阀采用直接作用方式，先后完成了试验室试验和线路上列车试验，并于1993年通过部级鉴定，现在新造货车已装用120型控制阀，一部分段修货车也改装120型控制阀。在基础制动方面，我国通过对空重车调整装置、闸瓦间隙自动调整器、合成闸瓦等的研究、试制、运用，也有了很大发展。但是与世界先进工业国家相比，还有一定差距。如德国和法国已经在货车制动系统中采用了盘形制动，并装有无级空重车自动调整装置及防滑器等，能使制动缸压力随载重按比例变化，以防止制动力过大产生滑行或造成车轮擦伤。另外还安装了电空控制系统，能使列车前后制动、缓解作用同步，以缩短制动距离、降低纵向冲动。1.6 铁路货车制动系统的基本要求货车空气制动系统是列车产生制动和缓解的主要控制部分，为实现货物列车安全制动和缓解，货车空气制动系统的设计应满足以下要求:采用自动空气制动机，即可在列车发生分离事故时，全列车可立即自动紧急停车。具有强大的制动力，以保证列车在规定的时间内停车。能保持制动力不衰减，以保证长大坡道制动过程中始终有足够的制动力，使列车能够安全通过坡道。具有较高的制动灵敏性和制动波速，同时满足稳定性和安全性的要求，使制动作用能够迅速准确地传递到列车尾部，确保全列车的制动作用。提高的制动灵敏性可降低列车制动时的纵向冲击，但灵敏性过高会造成列车缓解稳定性和常用制动安定性的降低。具有较大的制动功率和再充气能力，以适应长大坡道实施连续制动的要求。列车在长大坡道实施连续制动时，列车的再充气问题是一个非常严峻的句题，列车在制动后的缓解过程中，列车尾部的副风缸压力空气能否及时得到充分的补充，是列车能否安全通过长大坡道的关键。结构简单，操纵方便。便于维修，检修周期较长。 10各部件结构合理，便于制造，坚固耐用，机械效率高。尽可能采用标准件和通用件。1.7 铁路货车空气制动系统的设计原则重载货车空气制动系统在设计时除符合上述要求外，还应遵循以下设计原则:首先，重载货车空气制动系统应能同时满足列车管定压500KPa和600kPa的制动要求。其次，重载货车空气制动系统应满足我国铁路对重载货物列车的制动距离的规定，制动距离是综合反映列车制动系统性能和实际制动效果的主要技术指标。铁道部最近颁布的铁路技术管理规程中规定的我国铁路货车的紧急制动距离为:在初速12Okm/h实施紧急制动，制动距离不超过1400m。第三，在任何条件下，车辆制动时轮轨之间均不得发生滑行，以免造成车轮擦伤。即车辆制动时的制动力不能大于车辆轮轨之间的粘着力。车辆轮轨之间的粘着力的大小由粘着系数决定，粘着系数是指车辆轮轨粘着力与车轮钢轨间垂直载荷的比值。粘着系数的大小由车轮和钢轨的表面状况和车辆的运行速度决定，车轮和钢轨的表面状况越差，车辆的运行速度越高，粘着系数越小。重载货车空气制动系统应能保证车辆制动时最大的制动力小于粘着力的最小值。第四，尽可能减小闸瓦压力，减小车轮热负荷，以提高车轮的使用寿命。在满足车辆制动距离需要的前提下应尽可能的使闸瓦压力最小，增大闸瓦压力会增大基础制动装置中零部件的载荷，对杠杆、拉杆等零部件的受力不利，而且增大闸瓦压力会增大车轮和闸瓦的热负荷，热负荷过大时会产生车轮热裂纹、车轮擦伤等现象。因此重载货车制动系统应尽可能使闸瓦压力最小。另外，重载货车制动系统设计时还尽可能减小列车制动和缓解时的纵向冲击。 11第二章铁路货车制动装置2.1 铁路货车制动系统的组成制动系统是为使列车能实施制动和缓解而安装在车辆上的一套设备系统。货车制动系统主要由制动机(空气制动部分)和基础制动部分组成，制动机是制动系统中可直接受司机的操纵控制并产生制动力的来源部分，基础制动装置则是将制动缸产生的推力放大后均匀的传递到各个闸瓦(或制动盘等)并产生制动作用的部分。2.2 120阀制动系统组成120阀制动系统由120阀、旋压密封式制动缸、ST2-250型闸调器、副风缸、17升降压气室、11升加速缓解风缸、组合式集尘器、手动二级空重车调整装置等组成。下图是以涟钢C64型自备敞车制动系统配置为例说明的。 121旋压密封式制动缸；217升降压气室；3空车安全阀；4空重转换塞门；5120阀；6组合式集尘器；711升加速缓解风缸；8列车主风管；9副风缸；10空重车调整装置；11ST2-250型双向闸瓦间隙调整器图2.1 120阀制动系统组成图2.3 120型控制阀特点120型控制阀的设计制造，结合了103型分配阀结构和性能方面的优点，吸取了国外铁路货车空气控制阀结构和性能的优点。主要具有如下特点：120型控制阀具有充气、减速充气、缓减、加速缓减、常有制动、保压、紧急制动等功能，适用于列车管500KPa和600KPa不同的压力标准，在两种定压下，它的各种性能没有差异。按AAR标准方法计算时，其紧急制动波速达到250m/s以上；常用制动波速达到225-255m/s；缓减波速应达到190m/s。紧急制动时，制动缸压力二阶段上升，跃升压力为120-160KPa；制动缸总升压时间为（101）s；制动缸排气时间自350KPa降到40KPa为（151）s。120型空气控制阀仍采用二压力机构，可与现有的铁路货车控制阀很好地混编，获得较好的混编性能。120 型空气控制阀采用直接作用方式。而原来认为的直接作用方式存在的一些问题，却由于这些年来采用了制动新技术以及使用条件的变化，已部分地得到解决。如：通过加装适当的缩孔堵，解决了对不同直径制动缸适应性的问题；配套采用闸瓦间隙自动调整器和密封式制动缸，解决了制动力衰减的问题；在控制阀以外设空重车自动调制装置，解决了空重车对制动缸压力需求不同的问题。120型空气控制阀主控机构仍采用密封性好、结构简单的橡胶膜板和使用寿命较长的金属滑阀结构。在120型空气控制阀的主阀中增设加速缓减阀，达到加快制动管充气和提高缓减波速的目的。120型空气控制阀设有紧急阀及局减室，采用常用制动与紧急制动分部作用的方式以及完善的两阶段局减作用；设有紧急二段阀，以缓和列车的纵向动力作用。在紧急放风阀中设有先导阀结构，提高了紧急制动波速。适应压力保持操纵。120型空气控制阀在主阀作用部的滑阀上设了一个呼吸13 孔，可在长大下坡道上配合机车采用一把闸操纵以及在制动保压时机车对制动管泄漏有自动补风（压力保持）功能。在120型空气控制阀中增设了半自动缓减阀，作用可靠，操作方便。在缓减操作时，节省了人力并减少了耗风量。零件的通用性和互换性较强，并能与多种制动新技术配套使用。120型空气控制阀能与JZ-7、26-L、ET6、DK-1等型机车制动机匹配，并能适应机车制动机压力，保持操纵要求；能与空气车调制装置、球芯折角塞门、密封式制动缸、双向闸瓦自动调整器、高摩擦系数合成闸瓦等新制动配件配套使用。2.4 120型控制阀构造120型控制阀由中间体、主阀、半自动缓减阀（下简称缓减阀）和紧急阀等四部分组成。主阀和紧急阀分别用四套和两套螺柱和螺母安装在中间体的两个相邻垂直面上。缓减阀用两套螺柱和螺母安装在主阀体的侧面安装座上，它们相贴合的安装面也有橡胶座垫。如下图所示。紧急阀主阀中间体缓解阀 14 图2.2 120型控制阀构造图2.4.1 主阀主阀是控制阀的心脏部分，它根据制动管不同的压力变化，控制制动机实现充气、缓减、制动、保压等作用。主阀（包括缓减阀）由作用部（主控部）、减速部、局减阀、加速缓减阀和紧急二段阀等五个部分组成。作用部仍采用与103阀相同的S形橡胶膜板及滑阀结构。它由主活塞压板、节制阀弹簧、节制阀、滑阀弹簧、滑阀、滑阀销、滑阀座、稳定装置等零件组成。减速部在作用部下面，位于主阀下盖内，由减速弹簧、减速弹簧座组成。局减阀由局减阀套、局减阀杆、局减膜板、局减活塞压板、局减活塞体、局减阀弹簧、毛毡、压垫等零件组成。加速缓减阀由加速缓减阀套、加速缓减弹簧、夹心阀、加速缓减弹簧座、挡圈、加速缓减膜板、加速活塞压板、加速活塞体、活塞紧固螺钉、顶杆等组成。紧急二段阀位于主阀安装面旁，由紧急二段阀杆、紧急二段阀弹簧、紧急二段阀套等零件组成。主阀体设置有用来安装作用部（包括减速部）、局减阀、加速缓减阀、紧急二段阀等零部件的空腔。空腔内装有与各部件相配的铜套，内部铸造或加工各部相应的通路。2.4.2 缓减阀缓减阀的用途是利用人工拉动缓减阀手柄，主阀排气口开始排气或缓减阀排气口开始排气，只要制动缸压力空气一开始排气，就可松开拉手，制动缸压力空气会自动地排完，使制动机缓解。也可一直拉着缓减阀拉手，将整个制动系统（包括制动缸、副风缸、加速缓减风缸、制动管等）的压力空气全部排出。 15 缓减阀由手柄部和活塞部两部分组成。手柄部由手柄、手柄座、手柄座套、顶杆、阀座、止回阀（16夹心阀）、止回阀弹簧等组成，活塞部由缓减阀膜板、压板、活塞体、活塞杆、缓减阀弹簧、O型密封圈（D162.4和D142.25）、缓减阀套、排风阀、上阀座、下阀座等组成。2.4.3 中间体中间体用铸铁铸成，外形呈长方体形，用来安装主阀和紧急阀，并通过4个突耳上的22孔，用螺栓和螺母将整个阀直接吊装在车体底架上，在厂修时和必须更换时才卸下。中间体外部四个立面分别作为主阀、紧急阀安装座和制动管、加速缓解风缸管、副风缸管和制动缸管的安装座。内部设有两个独立的空腔经通道与主阀安装座或紧急阀安装座相关孔连通。中间体靠车体外侧的立面为紧急阀安装座，与紧急阀安装座相邻的左侧立面为主阀安装座，分别用两套和四套螺柱和螺母加装紧急阀垫和主阀垫来紧固。中间体内靠紧急阀安装座侧的上部为容积1.5L的紧急室，下部为容积0.6L的局减室。2.4.4 紧急阀紧急阀，其功用是在施行列车管紧急减压时，产生动作使制动管紧急排气，进一步加快制动管减压速度，提高紧急制动作用的灵敏度，确保后部车辆产生紧急制动作用，提高紧急制动波速。本设计说明书主要是针对铁路货车空气紧急阀的设计，故在下章将对该阀做详细介绍。 16第三章 120阀紧急阀设计介绍3.1 120阀紧急阀的结构紧急阀主要由活塞部，先导阀部和放风阀部等组成。活塞部由活塞（包括紧急阀上、下活塞，S形橡胶膜板）、活塞杆、安定弹簧，还有螺母和滤尘套等部件组成。先导阀部由先导阀、先导阀弹簧、先导阀顶杆等组成。放风阀部由放风阀组件、放风阀阀座、放风阀导向杆、放风阀弹簧等组成。 17 1.紧急阀上盖；2.滤尘套；3.紧急活塞杆；4.紧急阀上活塞；5.紧急阀下活塞；6.紧急活塞膜板；7.紧急阀体；8.滤尘网；9.先导阀顶杆；10.缩孔堵；11.先导阀弹簧座；12.紧急阀下盖；13.放风阀弹簧；14.先导阀弹簧；15.先导阀；16.放风阀导向杆；17.放风阀组件；18.安定弹簧；19.螺母（M161.5）；20.螺柱（M1040）； 21.螺母M10； .限孔（2.3）；.限孔（0.5）；.限孔（1.1）；.缩孔（1.0）图3.1 紧急阀主视图全剖视图3.1.1 放风阀导向杆结构及安装位置放风阀导向杆是一个中空的铜质套管，下部外圆柱杆作为上下移动的导向杆，内部中空部分形成上、下两个空腔，两个空腔之面成为先导阀的阀座，上腔内装入先导阀、先导阀弹簧。先导阀顶杆放风阀阀座放风阀组件先导阀放风阀导向杆放风阀套放风阀弹簧紧急阀下盖缩孔堵放风阀导向杆安装位置：图3.2 放风阀导向杆安装位置图 183.1.2 紧急活塞杆结构及安装位置120型紧急阀紧急活塞杆为中空结构，其作用是充气时将制动管压缩空气导入紧急室内，在紧急制动时紧急室内压缩空气在紧急活塞上部形成背压，推动紧急活塞下移，打开放风阀，确保紧急制动作用；活塞杆上部有一开口为13 mm 的凹形槽，深1.4mm，边缘有的倾角，为14mm异型橡胶密封圈的安装位置；其下部有一的空腔，为滤尘套的安装位置。空心的紧急活塞杆上部设一径向限孔，中部轴向设一限孔，下部设一径向限孔。各限孔的功用：限孔：紧急活塞杆中部轴向限孔，常用减压，保证制动机的安定性；紧急减压，限制了紧急室的压缩空气向制动管的逆流速度，确保紧急制动作用的产生，提高紧急制动灵敏度。限孔：紧急活塞杆上部径向限孔，限制制动管压缩空气向紧急室的充气速度，防止过快充气而引起意外紧急制动。限孔：紧急活塞杆下部径向孔，提高紧急制动灵敏度，并限制紧急制动后，紧急室的排气速度。缩孔：紧急阀活塞部下腔通放风阀弹簧室限孔，当紧急减压时，紧急活塞杆推先导阀顶杆，开启先导阀，消除放风阀背压时，从而使紧急活塞较容易地下移推开放风阀，产生紧急局减。限孔限孔限孔图3.3 紧急活塞杆结构图 19紧急活塞杆的安装位置：1.安定弹簧；2.紧急阀下活塞；3.紧急阀上活塞；4.紧急活塞杆；5.紧急阀上盖；6.紧急活塞膜板；7.紧急阀体；8.紧急阀上盖定位点图3.4 紧急活塞杆安装位置图3.2 紧急阀关键部件安装特点（1）紧急活塞杆顶面圆槽中嵌密封圈稍突出顶面。在充气缓解时，紧急活塞下方制动管压力高于上侧紧急室压力，加之安定弹簧弹力的作用，紧急活塞处于上部极端位置。（2）放风阀套嵌于紧急阀下盖内，下盖与阀体用两套螺栓紧固，放风阀导向杆上密封圈是为防止制动管压缩空气向大气漏泄而设的，导向杆下方通制动管是为了克服放风阀关闭状态下制动管压缩空气作用在放风阀面上的压力的，也即不论制动管压力如何变化，只要末发生紧急排气作用，放风阀上下受的制动管压力总是相互抵消的，放风阀的开闭状态只受放风阀弹簧的弹力作用。（3）紧急活塞处于上方极端位时，活塞杆下端距离关闭的放风阀面有4mm间隙，防止制动管常用制动减压时，紧急活塞稍下移即推开放风阀产生意外紧急制动作用。（4）放风阀导向杆中空部分为两个空腔，中部为先导阀弹簧座。平时在先导阀弹簧作用下，先导阀与放风阀导向杆密贴。当先导阀被其顶杆顶开时，放风阀导向杆下腔内的制动管压缩空气经导向杆上径向孔紧急阀排气口排向大气，紧急活塞更迅速地下移推开放风阀，产生制动管紧急排气，即制动管紧急局部减压作用。 203.3 120阀紧急活塞受力分析由图可列出平衡方程为：式中为膜板阻力；为安定弹簧弹力，4.29N；G为紧急活塞杆组成质量,0.22kg；为紧急活塞有效面积，约45；为列车管压力；为紧急室压力。图3.5 紧急活塞受力分析图当列车管压力和紧急室压力发生变化后，活塞杆在合外力作用下产生位移。随着合外力的变化，紧急活塞杆分别处于3个作用位置（初充气时位置、常用制动时位置、紧急制动时位置），下面将分别介绍。3.4 120阀紧急阀的作用原理紧急阀由紧急活塞膜板隔离为上、下两个腔。紧急活塞的上腔经紧急阀上盖和紧急阀体内的通道与中间体内的紧急室相通，紧急活塞的下腔经安装面上大的通孔及中间体内的通路与列车管（制动管）相通。放风阀导向杆的下腔经紧急阀下盖和紧急阀体内的暗道与列车管相通。（1）初充气时，紧急阀活塞处于上位，列车制动管压力空气经紧急活塞下方紧急活塞杆下端面孔口中心限制孔紧急活塞杆上部径向孔紧急活塞上方紧急阀上盖与阀体内通路中间体内紧急室。（2）常用制动时，紧急活塞下方的列车制动管压力下降，紧急阀活塞在充气位基础上略向下移动，处于中位。紧急活塞上方的紧急室压力空气经紧急活塞上部限孔21、中部限孔和紧急活塞杆下端面孔口向列车制动管逆流，紧急活塞两侧不会形成很大的足以压缩安定弹簧很大压缩量的压力差，加之紧急活塞杆的下端面与先导阀顶杆之间有3mm 的距离，故先导阀及放风阀均处于关闭状态。（3）紧急制动时，紧急阀活塞继续下移，处于中下位(先导阀开放)或下位(放风阀开放)。紧急活塞上方的紧急室压力空气先经紧急活塞杆的限制孔、向列车制动管逆流，继而紧急活塞两侧形成足以压缩安定弹簧的更大的压力差，紧急活塞下移。下移量超过3mm 时，紧急活塞杆的下端面与先导阀顶杆接触并克服先导阀弹簧的阻力，先导阀顶杆向下顶开先导阀，于是，放风阀导向杆下方的压力空气经开启的先导阀口与放风阀导向杆的径向孔排入大气。与此同时，放风阀上方的列车制动管压力空气因缩孔堵的限制，不能更多地流向放风阀导向杆的下方。因为经先导阀口排出很多，经缩孔堵流入很少，因此，放风阀的背压急剧降低。当紧急活塞再下移超过1mm，即总下移量超过4mm时，紧急活塞杆的下端面顶开放风阀面，列车制动管压力空气迅速排入大气，形成紧急制动放风(局减)作用。放风阀被压开后，紧急活塞杆限孔（孔径1.1mm）的径向外孔口开启，紧急室压力空气只能通过这个限制孔限制性地流到紧急活塞下方排入大气，所以紧急活塞被压下的状况总要保持15秒左右，从而保证了紧急制动作用的可靠性。紧急制动排气紧急阀保压位紧急阀初充气图3.6 紧急阀作用原理图紧急阀的性能如何主要表现为安定性和灵敏度，对于紧急活塞动作的影响有两类：一是紧急活塞两侧的空气压力差；二是紧急活塞的动作阻力。只有在紧急活塞两侧形成足以克服紧急活塞动作阻力的压力空气差时，才能推动紧急活塞动作,继而带 22动各部动作，产生紧急制动和缓解作用。3.5 紧急阀常见故障分析3.5.1 紧急制动不灵敏或不起紧急制动作用原因分析：1.紧急模板穿孔，当列车管急剧减压时，紧急室压力空气通过穿孔处流向紧急活塞下侧，因而形不成使紧急活塞下移的压力差，或形成压差较晚；2.紧急活塞中心限孔过大，使紧急活塞两测形成的压力差较小，难以推动先导阀顶杆；3.安定弹簧过强，紧急活塞两侧压力差，虽然形成，但紧急活塞因安定弹簧过强而难以下移；4.先导阀杆别劲，放风阀弹簧过强或导向杆卡位，虽然紧急活塞两侧的压力差大且紧急活塞也下移，但紧急活塞杆压不开或不易压开先导阀和放风阀，所以造成不起紧急制动作用或紧急制动灵敏度差。3.5.2 紧急室充风时间不合格原因分析：1.紧急室充气时间过长：紧急活塞杆上的径向限孔（0.5）或轴向限孔（2.3）或滤尘套被杂质堵塞或接触部有漏风。2.紧急室充气时间过短：充气限孔过大；紧急活塞杆顶部凹穴密封圈漏泄；紧急膜板穿孔，不入槽，上下活塞漏泄，制动管压力空气除经限孔向紧急室充气外，还通过漏泄部位向紧急室充气。3.5.3 紧急室排风时间不合格原因分析： 231. 紧急室排气时间过长：紧急活塞杆上的横孔过小或被脏物堵塞。2. 紧急室排气时间过短：紧急活塞杆上的横孔过大或活塞杆端面与先导阀顶杆上端面接触不平，严重漏风造成的；还有就是紧急膜板穿孔。3.5.4 常用制动时起紧急制动作用：原因分析：1.安定弹簧弱，紧急活塞两侧形成的压力差极易压缩安定弹簧；2.紧急活塞轴向限孔过小或被异物堵塞，当制动管减压时，紧急室的压力空气要经活塞杆轴向孔向制动管逆流，但由于限孔堵塞，很快就在紧急活塞两侧形成较大的压力差，使紧急活塞下移，产生紧急制动。3.5.5 紧急制动后紧急管充气时排风口大漏原因分析：1.放风阀与阀座间有夹杂物，造成制动管压力空气向排风口大漏；2.放风阀套内粗糙度差，使放风阀别劲，放风阀弹簧过弱或折损，因此即使紧急室压力空气己经全部排尽，但放风阀仍不能恢复到原来的关闭位置； 3.先导阀顶杆配合太紧，阻力大，而先导阀弹簧和放风阀弹簧又弱，当紧急制动以后，制动管再充气，由于放风阀导向杆上的先导阀口不能关闭或关闭不严，所以放风阀口将大量排放列车管的风，影响列车正常运行。第四章总体控制电路部分4.1总体控制过程铁路列车的制动系统由机车制动装置和车辆制动装置组成，它是保证列车安全运行的关键设备。其基本原理是将列车运行的动能转化为热能或其他能力，是列车能按运行要求减速或停车，并在紧急情况下保证列车停车的安全性。按其作用原理，制动过程可分为制动、保压和缓解三个过程，各种过程作用基本原理如下： 24（1）制动过程列车管减压，车辆制动机使副风缸内的压力空气进入制动缸，再通过基础制动装置，使闸瓦压在车轮踏面上或闸片压在制动盘上，使车轮减速，再利用车轮和钢轨间的摩擦力，产生组织列车向前运动的制动力。列车管减压可以分步减压，以产生阶段制动作用。（2）保压过程列车管减压后停止继续减压，保持列车管、副风缸和制动缸的压力不变，但摩擦系数随速度变化而有变化，因此制动力也有所变化。（3）缓解过程在制动或保压作用以后，司机操纵制动控制装置使列车管增压，此时车辆制动机动作使列车管压力空气充入副风缸，制动缸压力空气排入大气，从而松开闸瓦或闸片，消除轮轨间的制动力。自动空气制动机只有一次缓解作用，而使用电空制动控制可实施分步增压的阶段缓解作用。当制动阀手柄置于缓解位时，总风缸的风经制动阀进到列车管（充风增压），并进入三通阀，将其中的（主）活塞推至右极端（缓解位）并经三通阀活塞套上部的“充气沟”进入副风缸。此时，制动缸经三通阀（缓解槽和排气孔）通大气。如制动缸原来在制动状态则可得到缓解。当制动阀手柄置于制动位时，列车管经制动阀通大气（排风减压），副风缸的风压将三通阀（主）活塞推向左极端（制动位），从而打 25开了三通阀上通往制缸的孔路，使副风缸的风可通往制动缸，产生制动作用。当制动阀手柄置于保压位时，列车管既不通总风缸也不通大气，列车管空气强保持不变。此时，副风缸仍继续向制动缸供风，副风缸空气压强仍在下降。当副风缸的空气压强降至列车管空气压强略低时，列车管风压会将三通阀（主）活塞向右反推至中间位置（中立位或保压位），刚好使三通阀通制动缸的孔被关闭（遮断），副风缸停止向制动缸供风，副风缸空气压强不再下降，处于保压状态，制动缸空气压强不再上升，也处于保压状态。如在制动缸升压过程中将手柄反复置于制动位和保压位，则制动缸空气压强变可分阶段上升，即实现阶段制动。气动控制空气制动执行轮轨关系4.2压力采集系统设计方案整个压力采集系统分别由数据采集、数据处理、数据传输、数据接收单元4部分组成。数据采集单元负责采集制动缸、列车管和副风缸的压力信号，数据处理单元负责将检测到的压力信号经过信号调理电路放大并通过A/D转换器进行数模转换然后接入单片机进行编码并转存到外扩存储器中。信号传输单元负责将外扩存储器收集的压力数据经过无线发射装置传送到中央PC进行数据分析与处理。数据采集单元数据处理单元数据传输单元数据接收单元压力传感器A/D转换器信号调理电路单片机PC主机无线数据传输数据分析处理 264.3元器件选择及其参数4.3.1 传感器传感器选择北京华美恒强科技有限公司生产的GPM600型风差压传感器。GPM600风差压变送器采用了高性能SMI硅压式压力芯片敏感核心，外壳为合金铝，内部的专用集成电路将传感器毫伏信号转换成标准电压、电流或频率信号，可以直接与计算机接口卡、控制仪表、智能仪表或PLC等方便相连。运距离传输可以采用电流输出方式。GPM600广泛应用于锅炉送风、井下通风等电力、煤炭行业过程控制领域。（1）技术指标电源：24VDC；输出：420mA；精度：0.5%；（2）外形尺寸及安装外形结构见图（1）长倒刺嘴为正压端。（3）电气连接红线：电源正；绿线：电流输出。（4）安装方法选择易于操作、维护的地方进行安装；技术性能供电电源：12VDC36VDC（标准24VDC）输出信号：420mA、15V、010mA、020mA、05V量程范围：01kPa600kPa补偿温度：050 27介质温度：-2085环境温度：-2085工作方式：差压综合精度：0.1、0.3、0.5级可选零点温度漂移：0.03FS/灵敏度温度漂移：0.03FS/过载压力：300%FS4.3.2 A/D转换器传感器采用的是美国国家半导体公司生产的ADC0809低功耗A/D转化器。ADC0809是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。（1）.主要特性1）8路输入通道，8位AD转换器，即分辨率为8位。 2）具有转换起停控制端。 3）转换时间为100s(时钟为640kHz时)，130s（时钟为500kHz时） 4）单个5V电源供电 5）模拟输入电压范围05V，不需零点和满刻度校准。 6）工作温度范围为-4085摄氏度 7）低功耗，约15mW。（2）内部结构ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式AD转换器，内部结构如图1322所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近 28（3）外部特性（引脚功能）ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装（4）. 工作过程首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 AD转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到AD转换完成，EOC变为高电平，指示AD转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。转换数据的传送 A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。为此可采用下述三种方式。（1）定时传送方式对于一种A/D转换其来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如ADC0809转换时间为128s，相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。（2）查询方式 A/D转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可却只转换是否完成，并接着进行数据传送。（3）中断方式把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。不管使用上述那种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。首先送出口地址并以信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。 294.3.3 单片机单片机采用美国ATMEI。公司生产的AT89C51单片机。AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图所示。单片机AT89C51与ADC0809的接口电路，压力信号接至单片机的13号引脚，单片机的Po与 ADC0809的高8位数据线直接相接，ADC0809的低4位数据线与单片机的高4位Po4Po7直接相接，数据的读取是依靠单片机的控制线分时选通进行。单片机的P00、P01、P07经三态锁存器74LS373接至ADC0809的逻辑控制信号Re、A0和CS，用于控制AD574的工作过程。其中，P00接读转换数据控制脚RC,，P01接ADC0809的字节短周期控制线(A0)，Po7接AD574的片选信号CS，128数据模式选择端直接接地，读、写控制线WR和RD通过与非门74LS00与AD574的使能端CE相连。INTl引脚直接与工作状态指示端(STS)相连，STS在AD转换开始时及转换过程中为高电平，转换结束时返回低电平，这样CPU在其下降沿得到中断申请，响应中断则可读取转换结果。 30单片机与AD转换器接口电路图4.3.4 无线数据传输本系统采用Freescale公司的ZigBee无线收发射频芯片MC13192和Philips公司的32位ARM芯片LPC2138，完成了无线传感器网络节点的设计ZigBee技术适合于承载数据流量较小的业务，特别是无线传感器网络，因为它具有以下优点：（1）功耗低。由于其传输速率低，发射功率仅为1 mW，所以功耗很低；而且采用了休眠模式，因此ZigBee设备非常省电。据估算，ZigBee设备仅靠两节五号电池就可以维持长达6个月2年左右的使用时间。（2）时延短。通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备的时延为30 ms，休眠激活的时延为15 ms，活动设备信道接入的时延为15 ms。因此，ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制等应用。（4）网络容量大。一个星型结构的ZigBee网络最多可以容纳254个从设备和1个主设备，一个区域内最多可以同时存在100个独立而且互相重叠覆盖的ZigBee网络。 31（4）安全可靠。采取了碰撞避免策略，避开了发送数据的竞争和冲突；采用完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息；还提供了基于循环冗余校验的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证。MC13192是Freescale公司推出的符合ZigBee标准的射频芯片。其工作频率是2.4052.480 GHz，该频带划分为16个信道，每个信道占用5 MHz的带宽；采用直接序列扩频的通信技术，数据传输速率为250 kbps。MC13192具有一个优化的数字核心，有助于降低MCU处理功率，缩短执行周期。为了适应低功耗的要求，芯片除了接收、发送和空闲3种工作状态外，还有3种低功耗运行模式：掉电模式，这种模式下芯片电流小于1 A；睡眠模式，这种模式下电流在3 A左右；休眠模式，这种模式下下电流约为35 A。芯片采用可编程功率输出模式，发送功率为04 dBm，接收灵敏度可以达到-92 dBm，传输距离3070 m。LPC2138芯片是Philips公司推出的一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的32位ARM7微控制器。它具有丰富的片上存储功能，带有512 KB嵌入的高速Flash存储器和32 KB片内静态RAM；还带有多个串行接口，2个8路10位A/D转换器，1个D/A转换器和47个GPIO，以及多达9个边沿或电平触发的外部中断。LPC2138有两种低功耗模式：空闲模式和掉电模式。较小的封装和极低的功耗使其可以理想地与MC13192结合，作为基于ZigBee技术的无线传感器网络节点。4.4总结根据专题要求我们组所选择的传感器、转换器、芯片全都满足采集频率为100HZ32的要求，且为常用芯片。在最初的方案中我们曾试想过直接将转换完的数据通过单片机存入存储器，但因数据量达到了400MB以上，对于单片机寻址来说非常困难而且在实际应用中过连线过于复杂，所以我们改用无线传输技术将数据传入中央PC进行集中处理。通过这次过对铁路列车制动压力采集系统专题的研究使我们对检测系统有了一个初步了解，虽然设计的系统非常简单粗糙但在这过程中我们在讨论和研究中逐步掌握了检测系统的设计过程，对数据采集、处理、传输、接收有了较为完整的认识。第五章基于UG NX4.0的建模设计5.1 三维实体设计的内容三维实体设计是指工程设计人员利用计算机三维CAD软件系统进行产品设计。三维实体设计软件作为产品设计的重要工具，在世界范围内得到越来越广泛的应用，为企业增强产品创新开发能力起到了巨大的推动作用。我国也将三维实体设计作为货车制造业信息化工程重点支持开发和重点推广应用的关键技术之一，并在货车企业应用中取得了重大成功，特别是通过三维的动态仿真技术，及时发现设计问题，减少设计反复的次数，从而提高了产品设计质量，缩短了产品研制周期，使企业取得了明显的经济效益。5.2 三维实体设计的方法目前常用的两种设计过程是：自底向上和自顶向下。自底向上的主要思路是先设计好各个零件，然后将这些零件装配成部件或整机，如果在装配过程中发生零件干涉或不符合设计意图时就要对零件进行修改，不断重复这个修改过程，直到设计满意为止。自顶向下是一种先进的设计方法，是在产品研发的初期就按照产品的功能要求先定义产品结构并考虑组件与零件、零件与零件之间的约束和定位关系，在完成产品的方案设计和结构设计之后，再进行单个零件的详细设计。这种设计过程最大限度地减少设计阶段不必要的重复工作，有利于提高工作效率。在方案设计过程中可以对产品33的结构、关键零件进行仿真优化和强度、刚度校核，从而使设计的产品更可靠。目前，世界上流行的工业设计软件都提供了完整的自上而下的设计方案，通过定义顶层的设计意图并从产品结构的顶层向下传递信息到有效的子装配或零件中。本说明书所涉及的120型空气控制阀紧急阀模型也是采用自顶向下的方法设计而成的。5.3 UG NX系列软件简介 UG NX 系列软件可实现从产品设计到产品分析，最后进行产品加工的整个的产品开发过程。NX产品开发解决方案完全支持制造商所需的各种工具，可用于管理过程并与扩展的企业共享产品信息。这些对于CAD、CAM和CAE在可控环境下的协同、产品数据管理、数据转换、数字化实体模型和可视化都是一个补充。UG NX4.0主要功能包括：（1）工业设计和造型（CAID）功能；（2）产品设计（CAD）功能；（3）产品工程分析（CAE）功能；（4）产品制造（CAM）功能；（5）二次开发和Internet发布等功能。5.4 UG NX4.0参数化建模UG NX 4.0主要提供了以下几种建模功能：实体建模，曲面建模，特征建模和装配建模。运用UG的三维实体造型模块功能可以方便地创建圆柱体、长方体、球体、管道和圆锥体等实体模型，也可以实现扫描、回转等功能，并且可以进行参数化公式编辑和布尔运算等。UG三维实体造型技术是一种基于特征和约束的建模技术，可以使用草图建立三维实体模型的截面图，极大地方便了建立实体的截面模型。三维造型功能主要包括特征创建、特征操作和特征编辑。各功能都可以通过创建特征、特征操作和编辑特征工具栏中的图标来实现。装配建模是指将创建的产品零件组合为产品，并且可以对形成的产品进行总体结构分析、装配图绘制、干涉分析等，装配功能是通过系统提供的“装配”模块来实现的。在进行建模时，UG软件可以有最主要的两种途径： 34特征建模：特征是指有特定的几何形状，特征建模可以分为体素特征建模、成形特征建模、加工特征建模或结构特征建模等方式。体素特征包括块、锥、柱和球等；成形特征包括槽、孔、凸台等；加工特征包括倒圆、倒角和螺纹等；结构特征是由部件抽象出结构相似性，也可以成为自定义特征。草图设计：这种方法首先创建带有约束的二维草图，然后通过拉伸、回转、扫描等方式生成形体。通过几何约束和尺寸约束可以控制形体的截面形态，从而实现参数化设计。以上两种设计方法是参数化设计的基本方法，也是重点。综合利用这两种方法可以完成绝大部分零件的参数化设计。5.5 零部件的UG NX4.0建模过程尺寸约束几何约束基准线阀体的外观结构和内部管路通道都比较复杂，所以要综合运用特征建模和草图设计，不规则体但截面规则的部分可运用草图拉伸的命令完成；规则体则可直接进行模型调用命令。图5.1 阀体建模过程草绘图 35下面以阀体为例简要说明其建模的主要步骤：（1）与紧急阀上盖贴合的接触面是不规则体，但其截面简单，故用草图设计方法，先建立基准线，再进行草图的绘制。图中既有尺寸约束(圆弧半径、总体长度)，也有几何约束（直线与圆弧相切）。（2）执行拉伸命令，拉伸量为20（单位默认为mm），然后生成一个片体，下面再加一个半径为46.5，高度为5的突台。（3）紧急活塞处是一个圆柱体，故可直接调用形体，参数为半径32，高度60。图5.2 建模中间过程图1 （4）利用打孔命令创建阀体上的圆柱形腔体。并将步骤（3）中的凸台倒圆角。图5.3 建模中间过程图2 36（5）制作与中间体相连接的结合体。规则部分采用调用体命令，不规则部分依然采用草图拉伸方法获得。（6）与紧急阀下阀盖接触处的形体也比较简单，故也采用草图绘制，然后拉伸的方法，拉伸量为15。至此，阀体的总高度已确定，为100。（7）再建立放风阀的排风腔外壳。绘制草图、拉伸并且拔模，拔模角为17，然后建立排风腔上的凸垫。图5.4 建模中间过程图3至此，整个阀体的实体模型已完成，接下来就是进行阀体内腔和内部管路的创建。（8）因为腔体内部大多都是圆柱形状，所以采用打孔命令就可实现，关键是要确定好孔的直径和深度以及顶锥角，并且确定所打的各孔要同心；排风腔同样也是利用草图偏执后拉伸、设置拔模角17，布尔求差取得的。（9）在需要攻螺纹的孔洞处执行螺纹命令。确定好各螺纹的主直径、长度、螺距以及螺纹升角，还有螺纹的左右旋。（10）在实用工具栏中点击“移动至图层”，运用类选择器将“草图”移动至61层，将基准移动至21层。 37 图5.5 建模中间过程图4（11）对阀体进行颜色和透明度的修改。在工具栏点击“编辑”“对象显示” 选中所要修改的体点击左上角绿色对勾打开“编辑对象显示”对话框，然后就可以进行颜色的选择和透明度的设置。颜色选择为灰色，透明度设置为70%。图5.6 建模中间过程图5至此，建模完成，最终的效果如图所示：图5.7 阀体建模最终效果图 385.6 零部件的UG NX4.0装配过程UG的装配模块用于将已用UG建好的零部件模型装配成为完整的机器、机械或者机构。在装配过程中可以先将一部分零部件装配成为一个子装配件，再将装配好的几个不同子装配件，装配成一个完整的机器。现在就以120阀紧急阀为例来简单介绍基于UG NX4.0的装配过程。具体的装配顺序步骤如下：（1）启动UG NX4.0，在“起始”命令中点击“装配”，打开装配模块。先将紧急活塞杆、紧急阀上活塞、紧急阀下活塞、紧急活塞膜板、螺母、O型密封圈、滤尘套、密封圈八个零部件装配成为一个子装配件，在此命名为装配件2。因为这八个零部件都是回转体，都有轴线，所以在整个过程中只运用“中心”和“距离”两个命令就可以完成全部装配。（2）点击装配菜单栏中的“添加现有组件”“选择部件文件”选择“jinjihuosaigan”点击“确定” 在“定位”中选择“绝对”，在弹出的点构造器中选择绝对，先添加好绝对装配的零部件。（3）再点击装配菜单栏中的“添加现有组件”“选择部件文件”选择“jinjifashanghuosai” 点击“确定” 本次及以后都在“定位”中选择“配对”。图5.8 装配中间过程图139（4）然后在“配对条件”中选择“距离”装配命令在紧急阀上活塞的上表面上点击，确定好装配表面再在紧急活塞杆上点击螺纹面上端的环形平面，确定好装配表面，在“距离表达式”中填入“0”。（5）再选择“中心”装配命令点击紧急阀上活塞的中心孔内表面，确定好装配表面再点击紧急活塞杆的螺纹面上端圆柱面，确定好装配表面。“中心”装配命令图5.9 装配中间过程图2（6）然后装配完毕点击“预览”，若装配满足要求，则点击确定（若装配方向与正确方向相反，则点击“反向”按钮）。图5.10 装配中间过程图3 40（7）装配件2的其他零部件采用同样的命令步骤顺序，则可装配完成。图5.11 装配件2效果图（8）再将放风阀组件、放风阀导向杆、先导阀顶杆、先导阀、先导阀弹簧、先导阀弹簧座、放风阀套、放风阀弹簧八个零部件装配成为另一个子装配件，在此命名为装配件3。因为这八个零部件也同样都是回转体，都有轴线，所以在整个过程中同样只运用“中心”和“距离”两个命令就可以完成全部装配过程。(装配顺序和步骤同装配件2,在此装配过程从略) 图5.12 装配件3效果图（9）接下来，以阀体为绝对装配件，将装配件2、装配件3以及紧急阀上、下盖和螺柱、螺母、排气保护罩垫、排气垫铆钉、滤尘网等其余的零部件为配对件进行装配。 41由于阀体的内腔以及管路等都是圆柱或平面，则装配过程也是只运用“中心”和“距离”两个命令就可完成。在装配过程中要注意的两点就是装配距离的把握和装配方向的控制。至此，整个装配过程结束。装配效果图如下（为了便于观察辨认不同零部件的装配位置，特将不同的零部件用不同颜色显示，紧急阀上、下盖和阀体设置为70%的透明度）:图5.13 紧急阀装配效果图此外，利用UG NX4.0

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