毕业设计地铁车辆制动系统原理分析.doc

2014届毕业设计说明书课题名称：地铁车辆制动系统原理分析专 业 系 轨 道 交 通 系 班 级 学生姓名 指导老师 完成日期 2013.11 2014届毕业设计任务书1 课题名称：城轨车辆制动系统的原理分析2 指导老师：左继红3 设计内容与要求1. 课题概要城市轨道交通运输是我国交通运输网络的重要组成部分，它的发展与城市经济的发展息息相关。目前，世界各地的主要政治、经济、文化等中心城市都兴建了不同形式的轨道交通运输网，有些还成为所在城市的重要景观和标志性建筑。我国北京、上海、广州、南京等城市的地下铁道已经开通，成为这些城市市内交通运输的支柱。 另外还有许多其他的城市交通网也在筹建和建设之中。城市轨道交通运输的发展必将为我国经济的发展插上腾飞的翅膀。地铁车辆制动系统用于保证地铁车辆的运行安全，具有多种操作模式，与传统列车制动系统相比，结构和工作原理更为复杂。通过对此课题的学习和设计，使学生能更好的理解地铁车辆制动和空气管路系统的工作原理，培养学生运用所学的基础知识和专业知识的能力，提高学生利用所学基本理论和自身具备的技能来分析解决本专业相应问题的能力，使学生树立正确的设计思想，掌握工程设计的一般程序和方法 ，完成工程技术人员必须具备的基本能力的培养和训练。2. 设计内容与要求1、熟悉地铁制动在铁路运输中的作用。2、简单介绍地铁车辆制动系统的组成。3、详细分析地铁车辆及列车制动系统的工作原理和工作过程。4分析现有制动系统存在的不足之处，利用自己所学的专业知识，提出改进设计意见和具体实施方案。4 设计参考书1. 城市轨道交通车辆制动技术 殳企平编著 水利水电出版社2列车制动 侥忠主编 中国铁道出版社3. 电力机车制动机 那利和主编 中国铁道出版社4. /ec/C356/kcms-2.htm5 .6. 7. 5 设计说明书内容1. 封面2. 目录3. 内容摘要（200400字左右，中英文）4. 引言5. 正文（设计课题，内容与要求，设计方案，原理分析，设计过程及特点）6. 设计图纸7. 结束语8. 附录（图表，材料清单，参考资料）6 设计进程安排第1周：资料准备与借阅，了解课题思路。第2周：熟悉地铁制动在铁路运输中的作用。第3-6周：介绍地铁车辆制动系统的组成，分析地铁车辆及列车制动系统的工作原理和工作过程。第7周：检查，完成说明书，打印，装订。第8周：毕业答辩准备及答辩。7 毕业设计答辩及论文要求1. 毕业设计答辩要求 答辩前三天，每个学生应按时将毕业设计说明书或毕业论文.专题报告等必要资料交给指导教师审阅，由指导教师写出审阅意见。 学生答辩时对自述部分应写出书面提纲，内容包括课题任务，目地和意义，所采用的原始资料或参考文献，设计的基本内容和主要方法，成果结论和评价。答辩小组质询课题的关键问题，质询与课题密切相关的基本理论，知识，设计与计算方法实验方法，测试方法，鉴别学生独立工作能力，创新能力。 摘要 近几年来，我国城市轨道交通发展迅速，为缓解城市交通压力做出重大贡献。城轨列车制动系统作为城市轨道交通车辆的重要组成部分，为保障列车运行提供了良好的前提条件。 本文主要介绍了制动系统的分类、工作过程以及在城轨列车的作用和工作原理主要以直通空气制动机、自动空气制动机、风原系统以及电指令制动控制系进行了详细的分析。关键词：直通空气制动机 自动空气制动机 风原系统 电指令制动控制系统 ABSTRACTIn recent years, the development of city rail transit in China rapidly, make a major contribution to ease the traffic pressure in the city.The train braking system as an important part of city rail traffic vehicle, provides good conditions for the protection of train operation.This paper mainly introduces the classification, working process of brake system in urban rail trains as well as the function and work principleMainly in the straight air brake, automatic air brake, the wind system and electrical braking control system commands are analyzed in detail.Keyword：Straight air brake Automatic air brake The wind system Electric braking control system command 前言世界上首条地下铁路系统是在1863年开通的“伦敦大都会铁路”，是为了解决当时伦敦的交通堵塞问题而建。当时电力尚未普及，所以即使是地下铁路也只能用蒸汽机车。而在我国，第一条地铁线路始建于1965年7月1日，1969年10月1日建成通车，这也使北京成为中国第一个拥有地铁的城市。在随后的几十年里，地铁的发展也如雨后春笋一般，在我国各地陆陆续续都建成或在建地下轨道交通系统，比如天津地铁，广州地铁，包括即将完工通车的长沙地铁等。如此之多的地铁在建或待建，地铁的用途是什么？绝大多数的城市轨道交通系统都是用来运载市内通勤的乘客，而在很多场合下城市轨道交通系统都会被当成城市交通的骨干。通常，城市轨道交通系统是许多都市用以解决交通堵塞问题的方法。另外，城市轨道交通系统亦被用作展示国家在经济、社会以及技术上高人一等的指标。例如前苏联的地下铁路系统便以车站装饰华丽出名，而朝鲜首都平壤的地下铁路系统亦有堂皇的装饰。我国地铁轨道的蓬勃发展，又从一个侧面很好的反映出我国经济建设正在进入高速发展的时期，也表示出我国正在向发展中强国迈进。对于我国而言，轨道交通建设的发展目前正处在关键时期，尤其是我国进入快速城市化阶段以后，正在迅速形成多个以特大城市为核心的大都市圈以及较为集中的城市群，结合我国人13众多和相对集中的国情，对于这类区域交通的规划，需要在更大的空间范围内考虑如何适应未来的发展趋势，建设结构合理的公共交通运输体系。地铁车辆制动系统对于地铁车辆安全运行的作用？随着我国经济建设的不断推进，近年来城市轨道交通快速发展，国内许多大型城市都已有了地铁或者轻轨，随着大量的轨道交通项目投入运营，人们的日常出行变得更加方便，可随之而来的对地铁车辆制动系统的担忧也困扰着人们。制动系统作为城轨车辆的重要系统，直接涉及到车辆的运行性能和安全，影响乘客的乘坐舒适度。因此，车辆制动系统类型的选择、性能尤为重要。为了适应城市快速轨道车辆运行速度高、 站间距离短、启动制动频繁等特点，现代城市轨道交通车辆制动系统一般均采用微机控制的电空混合制动系统。该系统包含有电制动和空气制动两种制动装置。常用制动过程中，由于电制动对设备没有磨损并且节能，所以在电制动有效的情况下列车优先使用动车的电制动，在电制动不能满足制动需求时，电制动与空气制动进行复合制动。以保证列车在各种情况中能良好的控制。 目 录摘要4前言5目 录6第一章 制动系统的概述71.1 制动基本概念71.2 制动系统在轨道交通运输重的作用71.3 制动方式的分类及其工作原理81.3.1 电制动81.3.2 空气制动101.4 车辆制动机的分类111.5 小结13第二章 风源系统142.1 概述142.2 空气压缩机142.2.1 螺杆式空气压缩机152.2.2 活塞式空气压缩机172.3 空气干燥器182.3.1 双塔式干燥器192.3.2 单塔式空气干燥器212.4 小结22第三章 地铁车辆空气制动系统233.1 地铁空气制动系统概述233.2 地铁车辆制动系统的特点233.3 空气制动系统的分类与工作原理及其特点243.3.1 直通空气制动机243.3.2 直通制动机特点253.2.3 三通阀263.3.4 自动空气制动机特点273.4 小结29第四章 电气指令式制动控制系统304.1 制动控制单元BCU304.2 模拟转换阀314.3 模拟转换阀的工作原理314.4 称重阀324.5 中继阀324.5.1 中继阀的工作过程334.7 小结35第五章 总 结36致 谢37参考文献38 第一章 制动系统的概述1.1 制动基本概念车辆制动装置是城轨车辆制动装置的基本单元。车辆制动技术和制动机性能决定着城轨车辆的制动性能。为适应车辆运行速度高、站间距离短、起动制动频繁等要求 。城轨车辆采用微机控制电空制动系统，该系统具有反应迅速、制动距离短、部件集成化程度高、可以实现平稳停车等特点。车辆在制动过程中电制动优先，然后施加空气摩擦制动。车辆正常状态下使用的空气制动是常用制动，紧急制动是在紧急情况下由司机触发或列车紧急制动环线失电而自动施加的，停放制动是制动系统自动施加的弹簧制动。列车在运行过程中，当速度在电制动零速点（v=3 km/h）与淡出点之间时，通过编码器输出“电制动力达到多大值”信号，使得电制动和空气摩擦制动混合施加。当列车运行在恒电制动力最高速度和电制动淡出点之间时，仅使用电制动，当列车运行速度超过恒电制动力最高速度时，电制动和空气摩擦制动又混合施加。1.2 制动系统在轨道交通运输重的作用首先，城市是相对于乡村的社会、经济大系统，从某种意义讲，其本质是时间和空间上的高效率与高效益，城市必须保持充分的活力和相当的发展空间。实践证明，一个城市要做到这一点必须有一个高效率的城市综合交通系统作支撑。这是因为城市交通系统是城市社会、经济大系统中的一个重要子系统。一方面城市土地利用与开发提出相应的交通需求，需要一个高效的城市交通系统来支持；另一方面，城市交通系统的发展，交通可达性的提高，又会反过来影响城市土地的利用与开发，引导城市形态向一定方向演化。因此，城市要科学合理的发展、演化，除了要做好城市总体综合规划之外，还应该规划好城市交通子系统。其次，城市是一个人口密集，各种交流活动频繁的特定空间区域。在这个区域中交通需求集中、定时、密度大，同时还要求快速、高效、安全、方便、舒适等。城市轨道交通系统以其高效、优质的服务和节省资源、轻度污染的特性恰好满足上述技术、经济方面的要求。因而成为城市交通系统的骨干。相应地，其它交通方式(如常规公交汽、电车，出租车，小汽车，自行车等)则起到补充、配合的辅助作用。因此，一个好的城市交通系统首先要规划好、建设好和管理好其核心部分城市轨道交通子系统。综上所述，城市轨道交通系统在城市综合交通系统与城市发展、演化中的地位和作用主要表现在以下几个方面：（1） 它是城市综合交通系统的核心，起到客流组织的骨干作用。城市综合交通系统具有多层次结构。第一层次(高架或地下全隔离系统)轨道交通、快速干道(汽车交通)；第二层次(地面部分隔离)轨道交通或公交干线、城市干道(汽车交通)；第三层次(延伸至居民区及其它功能区)公交线路、城市道路(汽车交通)。显然，第一层次是骨架与主干(大动脉)，第二层次是辅助与补充(一般血管)，第三层次是集疏与延伸(毛细血管)（2） 它是城市发展与演化的必要条件。城市轨道交通系统能够满足大运量、长距离的快速客运要求，因而可解决城市面积拓展与空间合理开发运用的客运通道问题。（3）它是城市可持续发展的基础与保障。在土地占用、能源消耗、空气质量、景观质量、客运质量等主要交通、环境指标方面，轨道交通可达到最优水平。 1.3 制动方式的分类及其工作原理考虑到地铁车辆本身要求的特点及其装备：站间距离短，启动快，制动距离短，停车精度高等，同时考虑到电制动本身的特点（低速时电制动发挥不出来）以及安全要求，将制动系统设计为两大类：电制动和空气（摩擦）制动。1.3.1 电制动电制动是车辆在常用制动模式下的优先选择，仅带驱动系统的动车具有电制动，电制动又有再生制动和电阻制动两种形式。电制动具有独立的滑行保护和载荷校正功能。（1）再生制动 在各种形式的制动中，电气制动是一种较理想的动力制动方式，它是建立在电动机工作的可逆性基础上的。在牵引工况时，电动机从接触网中吸收电能，将电能转化为机械能，产生了牵引力，使列车加速或在线路上以一定的速度运行。在制动工况时，列车停止从接触网接收电流，电动机改为发电机运行，将列车运行的机械能转化成电能，产生制动力，使列车减速停车或者在线路上以一定的限速运行。再生制动的三种不同的制动控制策略： 1) 能量消耗型这种方法是在变频器直流回路中并联一个制动电阻，通过检测直流母线电压来控制一个功率管的通断。在直流母线电压上升至700V左右时，功率管导通，将再生能量通入电阻，以热能的形式消耗掉，从而防止直流电压的上升。由于再生能量没能得到利用，因此属于能量消耗型。同为能量消耗型，它与直流制动的不同点是将能量消耗于电机之外的制动电阻上，电机不会过热，因而可以较频繁的工作。2） 并联直流母线吸收型适用于多电机传动系统（如牵伸机），在这个系统中，每台电机均需一台变频器，多台变频器共用一个网侧变流器，所有的逆变部并接在一条共用直流母线上。这种系统中往往有一台或数台电机正常工作于制动状态，处于制动状态的电机被其它电动机拖动，产生再生能量，这些能量再通过并联直流母线被处于电动状态的电机所吸收。在不能完全吸收的情况下，则通过共用的制动电阻消耗掉。这里的再生能量部分被吸收利用，但没有回馈到电网中。3） 能量回馈型能量回馈型的变频器网侧变流器是可逆的，当有再生能量产生时，可逆变流器将再生能量回馈给电网，使再生能量得到完全利用。但这种方法对电源的稳定性要求较高，一旦突然停电，将发生逆变颠覆。4） 工作原理电动机械是一个电能转化为机械能的带有运动部件的装置，常见为旋转运动，例如电动机。而这个转化过程常见的是通过电磁场的能量变化来传递能量和转化能量的，从更直观的力学角度来讲，是磁场大小的变化。电动机接通电源，产生电流，构建了磁场。交变的电流产生了交变的磁场，当绕组们在物理空间上呈一定角度布置时，将产生圆形旋转磁场。运动是相对的，等于该磁场被其空间作用范围内的导体进行了切割，于是导体两端建立了感应电动势，通过导体本身和连接部件，构成了回路，产生了电流，形成了一个载流导体，该载流导体在旋转磁场中将受到力的作用，这个力最终成为电动机输出的扭矩中的力。当切除电源时，电动机惯性转动，此时通过电路切换，往转子中提供相比而言功率较小的励磁电源，产生磁场，该磁场通过转子的物理旋转，切割定子的绕组，定子与是感应出电动势，此电动势通过电力装置接入电网，即为能量回馈。同时转子受力减速，此为制动。合称再生制动。(2) 电阻制动1) 电阻制动的工作原理电阻制动是指利用直流电机的可逆原理，在电阻制动工况时，将直流牵引电动机改为直流发电机，通过轮对将列车的动能转变为电能，消耗在制动电阻上，再以热能的形式逸散到大气中。在这过程中，牵引电动机轴上所产生的反力矩作用于机车动轮上而产生制动力。这种制动作用称为电阻制动。2) 电阻制动的制动力的控制及工作范围机车施行电阻制动时，要根据不同的运行情况，对机车的制动力加以控制。因为制动力取决于电磁转矩Mz，所以对制动力的控制就是对MZ加以控制。根据电磁感应定律，MZ与下列因素有关：Mz=Cm dIz 式中Cm电机结构常数；d 他励发电机励磁磁通；Iz制动电流（流过制动电阻的电流）由上式可见，控制MZ的大小有两种方法：一是改变牵引电动机的励磁磁通d，二是改变制动电流Iz。在电阻制动工况时，牵引电动机的励磁磁通d是通过调节同步主发电机的电压来实现的。改变同步主发电机励磁电流或控制司机手柄位置改变柴油机转速，都可以改变同步主发电机的输出电压。改变制动电流可以通过改变制动电阻阻值来实现，为保证机车较低速度时仍有较大的制动作用，短路一半制动电阻. 1.3.2 空气制动城轨车辆的每一个车底架上都安装一个制动控制装置，从空气压缩机里产生的压力空气通过制动电控单元的计算与分配进入制动缸，从而推动闸瓦产生摩擦制动力。空气制动又包括弹簧停放制动、紧急制动、常用制动等。（1）弹簧停放制通过压力空气的充排气来实现。当总风管的压力空气增压后，压力空气充入制动缸，阻止停放制动缸弹簧制动作用的实施；当车辆停车时，总风管的压力空气逐渐排光，停放制动缸中的压力空气也逐渐排入大气，这时停放制动由于弹簧力作用而实施。（2）紧急制动紧急制动是在紧急情况下施加的制动，在列车紧急制动环线失电时，自动施加或由司机按钮施加。紧急制动只采用空气制动，而且制动命令是不可更改的。当需要执行紧急制动时，所有车辆都按最大值施加空气摩擦制动。紧急制动必须是安全可靠的，此时电制动是不予考虑的。（3）常用制动在车辆正常状态下使用的空气制动是常用制动。在每辆车上都有一个继电器箱，内部设有反映制动缸压力状态的制动缓解控制器的压力开关触点，空气制动的施加与缓解两根列车线在经过每辆车时串入制动缓解控制器的压力开关触点，其中空气制动施加列车线串入的是常开触点，缓解串入的是常闭触点，并组成电气环路，通过制动缓解控制器内压力变化反映到相应的触点。1.4 车辆制动机的分类制动过程是能量转换过过程。车辆制动机是实现将列车运行过程中巨大的动能转化为其他形式的能量，从而使列车减速或停车的一种装置。目前我国应用最广泛的摩擦制动方式，即闸瓦压车轮踏面或闸片压制动盘产生摩擦力，通过车轮踏面与钢轨之间的作用力，从而产生制动力。摩擦制动是将列车的动能转化为热能散发于大气中，从而达到制动的目的。车辆制动机有以下几种：（1）人力制动以人力作为动力来源，用人历来操纵实现制动和缓解作用的制动机为人为制动机。人为制动机多为手动制动机，人力制动机结构简单，不受动力的限制，任何时候都可以使用，但制动力小。目前只作为辅助制动装置，一般将用于原地制动或调车作业中使用。（2）真空制动以大气压力作为动力来源，用对空气抽真空的程度（真空度）来操纵制动和缓解的制动机叫真空制动机。真空制动机，其压力最高只能达到一个大气压，制动力小；气密性要求高。（3）电控制动机电控制动机是以压力空气作为动力，利用电脑系统电信号通过电磁阀来操纵的制动机。车辆上有电控制动系统设备，每辆车的空气制动装置配套有电控电磁阀箱。思乘人员分别操纵电控制动系统设备的制动或缓解按钮，电信号同时控制每一辆车电控电磁阀箱的相应的电磁阀动作，实现其制动装置产生相应的作用。（4）直通空气制动机直通空气制动机由制造压力空气的空气压缩机；储存压力空气的总风缸；操纵列车制动机作用的制动阀；贯通全列车的制动管；将空气压力转换成机械力的制动光缸等组成。制动阀手柄置于制动位时，总风缸的压力空气经制动阀、制动管进入各车辆的制动缸，使制动缸活塞杆推动，闸瓦压紧车轮，列车产生制动作用；制动阀手柄移至保压位时，总风缸、制动管和大气之间的通路被遮断，制动缸和制动管保持压力不变；制动阀手柄移至缓解位时，制动管以及所有制动缸压力空气经制动阀排气口排出，制动缸活塞被缓解弹簧推回，闸瓦离开车轮踏面，列车制动状态得到缓解。（5） 自动空气制动机空气制动机十一压缩空气为动力来源，用空气压力的变化速度来操纵的制动机。自动空气制动机在每辆车上增加了三通阀及副风缸。副风缸在缓解位储存好车辆制动时所需的压力空气，制动时，各制动缸的压力空气就近取自车辆的副风缸；缓解是，各制动缸的压力空气经车辆的三通阀排气口排出。 图1.2 自动空气制动装置原理图(6) 轨道电磁制动机在每个转向架上设有可起落的电磁铁，司机操纵制动时，将悬挂在转向架上导电后起磁感应的电磁铁放下压紧钢轨，使它与钢轨发生摩擦而产生制动力。其优点是制动力不受车轮和轨道间的粘着系数限制。不易使车轮滑行，但重量较大，增大了车辆的自重并加速了钢轨的磨耗。1.5 小结人为的制止列车运动，包括使其减速、阻止其运动或加速，都是制动。反之堆积施行制动的列车，解除或减弱其制动作用，都称为缓解。为了使列车能施加制动和缓解而安装在列车上的设备，称为制动装置。本章主要介绍了制动的方式、城轨制动机的种类及其工作原理。 第二章 风源系统2.1 概述车辆风源系统是车辆空气管路系统的基础，也是全列车空气管路系统的基础。一般情况下，城轨车辆采用电动车组模式，以单元进行编组，所以其风源系统也是以单元来供气，每一个单元设置一套风源系统，相邻车辆的主风管道通过截断塞门和软管相连，由两个以上单元组成的列车就具有两套以上风源系统。风源系统主要包括：空气压缩机组、主风缸、脚踏泵以及空气管路系统。用风设备主要包括：制动装置、空气悬挂装置、车门控制装置，以及风喇叭、刮雨器、受电弓气动控制设备、车钩操作气动控制设备等。风源系统制造的压缩空气为用风设备的驱动提供动力，而压缩空气的净化和干燥处理是不可或缺的，其目的是除去压缩空气中所含有的灰尘、杂质、滴油和水分等，保证制动系统及其他用风设备能长时间可靠地工作。风源系统主要：主空气压缩机，简称主压缩机组、总风缸，又称主风缸、空气压力控制器，又称空气压力调节器、空气干燥器、无负载起动电磁阀。2.2 空气压缩机空气压缩机是用来产生压缩空气的装置。城轨用的空气压缩机要求具有噪声低、振动小、结构紧凑、维护方便。环境实用性强的特点，其直流驱动电机已逐渐被交流电机驱动取代。目前，城轨车辆中采用的主要有活塞式空气压缩机和螺杆式空气压缩机两种。 图2.1 空气压缩机气路示意图1） 空压机的综合作用原理当电动机通过联轴驱动空压机曲轴旋转时，三个活塞作上、下往复运动。当低压活塞下行时，因气缸内压力小于大气压力，外界空气经滤清器及气缸盖一级进气道，压开阀片进入气缸。当低压活塞上行时，压缩空气顶开气阀片进入气缸盖一级排气通道，并且两个低压气缸排出的压缩空气汇集一起，进入中冷器（此时温度为130150，压力为260 Kpa左右）。一级压缩后的压缩空气在中冷器中作二次往复流动，被充分冷却后（温度降至55，压力230 Kpa）即通过气缸盖二级排气道进入高压气缸作二级压缩。被排出的高压气缸的压缩空气最后由气缸盖二级排气通道输出，经逆止阀等进入总风缸储存备用。 图2.2 空气压缩机气体压缩过程示意图2.2.1 螺杆式空气压缩机螺杆空压机与活塞空压机相同，都属于容积式空压机。从使用效果来看螺杆空压机有如下优点。(1）可靠性高。螺杆空压机零部件少，没有易损件，因而它运转可靠，寿命长，大修间隔期可达48万小时。(2）操作维护方便。螺杆空压机自动化程度高，操作人员不必经过长时间的专业培训，可实现无人值守运转。(3）动力平衡好。螺杆空压机没有不平衡惯性力，机器可平稳地高速工作，可实现无基础运转，特别适合作移动式空压机，体积小、重量轻、占地面积少。(4）适应性强。螺杆空压机具有强制输气的特点，容积流最几乎不受排气压力的影响，在宽阔的范围内能保持较高效率，在空压机结构不作任何改变的情况下，适用于多种工况（5）噪声低、振动小。螺杆式空气压缩机工作时，旋转部件两个螺杆的运动没有质心位置的变动，所以没有产生振动的干扰力。阴、阳螺杆和机壳之间相互密贴和啮合的间隙是通过喷油实现密封和冷却的，不产生机械接触和摩擦，因而噪音低。螺杆式空气压缩机的工作原理：该压缩机的工作过程分为进气、压缩、排气三个阶段，如图所示2.3流程图。 图2.3 螺杆式空气压缩机系统流程图1-螺杆式空气压缩机；2-联轴器；3-冷却风机；4-电动机；5-空、油冷却器(机油冷却单元)；6-冷却器(压缩空气后冷单元)；7-压力开关；8-进气阀；9-真空指示器；10-空气滤清器；11-油细分离器；12-最小压力维持阀；13-安全阀；14-温度开关；15-视油镜；16-泄油阀；17-温度控制阀；18-油气筒组成；19-机油过滤器；20-逆止阀。（1）进气过程。螺杆空压机的工作过程详细分析之进气过程：转子转动时，阴阳转子的齿沟空间在转至进气端壁开口时，其空间最大，此时转子齿沟空间与进气口的相通，因在排气时齿沟的气体被完全排出，排气完成时，齿沟处于真空状态，当转至进气口时，外界气体即被吸入，沿轴向进入阴阳转子的齿沟内。当气体充满了整个齿沟时，转子进气侧端面转离机壳进气口，在齿沟的气体即被封闭。（2）压缩过程。螺杆空压机的工作过程详细分析之压缩过程：阴阳转子在吸气结束时，其阴阳转子齿尖会与机壳封闭，此时气体在齿沟内不再外流。其啮合面逐渐向排气端移动。啮合面与排气口之间的齿沟空间渐渐件小，齿沟内的气体被压缩压力提高。（3）排气过程。螺杆空压机的工作过程详细分析之排气过程：当转子的啮合端面转到与机壳排气口相通时，被压缩的气体开始排出，直至齿尖与齿沟的啮合面移至排气端面，此时阴阳转子的啮合面与机壳排气口的齿沟空间为0，即完成排气过程，在此同时转子的啮合面与机壳进气口之间的齿沟长度又达到最长，进气过程又再进行。2.2.2 活塞式空气压缩机活塞式空气制动机由固定机构、运动机构、进/排气机构、中间冷却装置和润滑装置等及部分组成。其中固定机构包括机体、气缸、气缸盖；运动机构包括曲轴、连杆、活塞；进/排气机构包括空气滤清器、气阀；中间冷却装置包括中间冷却器、冷却风扇；润滑装置包括润滑油泵、润滑油路等，如图2.4所示。 图2.4 活塞式空气压缩机作用原理1-润滑油泵；2-机体；3-油压表；4-空气滤清器；5、8-进气阀片；6-排气阀片；7、9-低压活塞；10-高压活塞；11-主风缸；12-压力控制器；13-上集气箱；14-散热管；15-下集气箱活塞式空气压缩机的工作原理：电机通过联轴节驱动空压机曲轴转动，衢州连杆机构带动高、低压缸活塞同时在气缸内做上下反复运动。由于曲轴中部的三个轴颈在轴向平面内互成120，两个低压活塞和一个高压活塞分别相隔120转角。当低活塞下行时，活塞顶面与缸盖之间形成真空，经过空气滤清器的大气推开进气阀片进入低压缸，此时排气阀在弹簧和中冷器内空气压力的作用下关闭。当低压活塞上行时，气缸内的空气被压缩，其压力大于排气阀片上方压力与排气阀弹簧的弹力之和时，压缩排气阀弹簧推开排气阀片，具有一定压力的空气排出缸外，而进气阀片在气缸内压力及其弹簧的作用下关闭。两个低压缸送出低压空气，都经气缸盖的同一通道进入中冷器。经中冷器冷却后，在进入高压缸，进行第二次压缩，压缩后的空气经排气阀口、主风管路送入主风缸中储存。高压活塞的进。排气作用与低压活塞的进、排气作用相同。在运行中，主风缸压力保持在一定的范围，如750900kPa，它是通过空压机压力控制器自动控制控制空压的启动或停止来实现。当主风缸的压力逐渐增高，达到规定压力上限时，压力控制器切断空压机驱动电机的电源，使空压机停止工作；而随着设备的用风和管路的泄漏等，使主风缸的压力逐渐降低，达到规定压力下限；压力控制器接通空压机驱动电机的电源，使空压机开始工作，主风缸压力回升。这样主风缸压力一直被控制在规定的范围内。活塞式空气压缩机的应用广泛、技术成熟，可靠性和稳定性好，不需要特殊润滑，性价比具有吸引力。2.3 空气干燥器空气压缩机输出的压缩空气中含有较高的水份、油份和机械杂质等，必须经过空气干燥器将其中的水份、油份和机械杂质除去，才能达到车辆上用风设备对压缩空气的要求。液态的水、油微粒及机械杂质在滤清器中基本被除去，压缩空气的相对湿度降低是避免用风过程中出现冷凝水危害的主要方式，它依靠空气干燥器来完成。空气干燥器的基本原理是：吸附过程是一个平衡反应。在吸附剂和与其接触的压缩空气之间湿度趋向于平衡，而相对湿度大的压缩空气与吸附剂的表面接触时，由于吸附剂具有大量微孔，与空气的接触面积大，吸附剂可以大量、快速地吸附压缩空气的水蒸气分子，达到干燥压缩空气的目的。再生过程也是一个平衡反应，用于吸附剂再生的吹扫气体是由较高压力的压缩空气膨胀而来。膨胀时，空气体积增大而压力降低，获得的吹扫气体的相对湿度较低。因而易于“夺”走吸附器上已吸附的水蒸气分子，使吸附剂恢复干燥状态，达到再生目的。其特点是“压力吸附与无热再生”。常用的吸附剂有：活性炭、氧化铝、硅凝胶及分子筛等。空气干燥器一般都是塔式的，有单塔式和双塔式两种。2.3.1 双塔式干燥器 19a, 19b 风缸 25 支架 43 电磁阀 70 K形环 P2 出风口 19.7 干燥剂 34 活塞阀 50 喷嘴71 阀头 O1, O2, O3 排风口 19.11 滚筒 34.15 K形环55 预控阀活塞 A 排流口 V1,., V10 阀座 24 止回阀 34.17 K-形环56 K-形环 P1 进风口 图2.5 空气干燥器原理图 1） 工作原理干燥筒中的干燥剂（吸附剂）是结晶的金属硅酸铝，当带水分的压力空气流过干燥剂时，干燥剂具有很有规律的微孔，吸附流过的空气中的水分。而且这种硅酸盐干燥剂的微孔大小可选择吸附水分子，而较大的油分子却不能同时吸附。吸附作用的特点是在压力下吸附，在大气压或负压下再生，即压力越高，温度越低，单位吸附量所能吸收的水分量就越多；反之，吸咐量就少。这就是“压力吸附与无热再生”。不需加热的双塔型再生吸附单元同时运行在两个阶段，即干燥和再生阶段并行。当主气流在一个风缸(19a)中进行干燥时，另一个风缸中正进行干燥剂(19.7) 的再生。 来自压缩机的潮湿压缩空气进入空气干燥器，首先要经过滚筒（油分离器）分离出凝结水和油。随后通过含有吸附干燥剂(19.7)的风缸(19a)或(19b)。干燥剂可吸收大部分水分，主气流在空气出口(P2)的相对湿度低于35%。 部分经过干燥的空气从主气流中分流，经过喷嘴(50)膨胀，然后经过第二个干燥塔的饱和干燥剂释放到大气中。由于主要通过膨胀干燥，这些空气从干燥剂（需要再生）中吸取上一个干燥阶段吸附的湿气。 两个干燥风缸依据图6.8所示的指定工作循环进行往复工作。2) 工作过程图2.5给出了空气干燥器单元的工作状态，其中风缸(19a)处于干燥阶段，风缸(19b)处于再生阶段。 电磁阀(43)由循环定时器控制的电气输入信号励磁；阀座(V3)打开。从空气管路分流到出风口(A2)的压缩空气流经开着的阀座(V2)和(V3)到达活塞阀(34)。 附注 预控阀的活塞(55) 被设计用来防止活塞阀(34)处于中间位置。 它仅在达到必要的往复压力后才会打开。 往复压力克服弹簧作用力推动活塞到顶部和底部位置，从而打开阀座(V5)和(V8)。 压缩机输出的已冷却和预干燥的空气流经进风口(P1)和打开的阀座(V5)到达风缸(19a)。空气从底部到顶部穿过该风缸，然后改向返回穿过中心管、左止回阀(24)和阀头(71)到达出风口(A2)。在空气进入干燥剂(19.7)之前，首先流经填充滚筒(19.11)的拉西环 (19.10)。由于多重偏移、漩涡、 回弹效应，仍悬浮在压缩空气中的油和水的微粒就凝结在拉西环(19.10)的表面上。凝结的小点聚集形成大点，然后在重力的作用下落入收集室中。 当压缩空气随后经过干燥剂(19.7)时，它可以吸附大多数湿气，离开风缸(19a)时相对湿度小于35 %。 部分干燥过的空气被分流，通过喷嘴(50)膨胀并反向流经风缸(19b)中的干燥剂(19.7)。这部分膨胀的空气，也即再生空气，吸取待再生的干燥剂中的湿并通过开着的阀座(V8)和消音器排向大气中。 在干燥剂达到其饱和极限之前，该单元在T/2时由一个电子循环定时器切换， 即电磁阀(43)去励磁。 阀座(V3)关闭，阀座 (V4)打开。连到活塞阀(34)的控制线路被排气。 结果，活塞被弹簧力分别推至底部和顶部位置。该动作可关闭阀座(V5) 和 (V8)并打开阀座(V6) 和 (V7)。 在该状态下，从进风口(P1)到出风口(P2)的主气流在风缸(19b)中干燥，干燥剂 (19.7)在风缸(19a)中进行再生。要使空气干燥器单元正常工作，就要求有一定的往复压力，在该压力下可打开活塞(55)以及来回推拉活塞阀 (34)。阀头(71)可确保在系统中迅速形成该压力。在超出往复压力后阀头(71)仅打开通向主风缸的路径。该功能可防止风缸(19b)中的干燥剂(19.7)在长期填充过程中过度饱和。 两个止回阀(24)可防止压缩机停止工作时主风缸和车辆主风管排气。2.3.2 单塔式空气干燥器单塔式空气干燥器是一种无热再生作用的干燥器。它的特点是吸附剂的吸附作用与再生作用在同一个干燥筒内进行。由油水分离器、干燥筒、排水阀、电控阀、再生风缸和消声器等组成。在油水分离器中有许多“拉稀格”圈（这是一种用铝片或铜片做成的有缝的小圆筒），干燥器则是一个网形的大圆筒，其中盛满颗粒状的吸附剂。图2.6 单塔式空气干燥器1-空气干燥器；2-弹簧；3-单向阀；4-带孔挡板；5-干燥筒筒体；6-吸附剂；7-油水分离器8-“拉稀格”圈；9-排泄阀；10-消音器；11-弹簧；12-活塞；13-电空阀；14-线圈； 15-排气阀；16-衔铁；17-带排气的截断塞门；18-再生风缸；19-节流孔单塔式空气干燥原理：空气压缩机工作时，电空阀13失电，活塞下方通过排气阀15排向大气，活塞12在弹簧力作用下关闭排泄阀9，而空压机输出的压力空气从干燥塔中部的进口管进入干燥塔，首先到达油水分离器，当含有油分和机械杂质的压缩空气经过“拉希格”圈时，油滴吸附在“拉希格”圈的缝隙中，机械杂质则不能通过“拉希格”圈的缝隙，这样就将压缩空气中的油分和机械杂质滤去，然后再进入干燥筒内与吸附剂相遇，吸附剂大量地吸收水分，使从干燥筒上方输出的压缩空气的相对湿度降低，达到车辆用风系统的要求。如图所示的干燥筒下方1/4高度处为装有“拉希格”圈8的油水分离器，而上方3/4高度处为装有吸附剂6的空气干燥筒1。干燥剂再生原理:经过干燥的压力空气，一路经过接口及单向阀3送往主风缸，单向阀的作用是防止压力空气从主风缸逆流；另一路经节流孔19充入再生风缸18。当空气压缩机停止工作的同时电空阀13得电，再生风缸18内得压力空气经过打开的电空阀向活塞12下部充气，活塞上移，打开排泄阀9，干燥塔内的压力空气迅速排出，这时再生风缸内的压力空气经节流孔回冲至干燥塔内，从而沿干燥筒、油水分离器一直冲至干燥塔下部的积水积油腔内，在下冲过程中，干燥空气吸收了干燥剂中水分同时还冲下了“拉希格”圈上的油滴和机械杂质，这样干燥剂再生的同时“拉希格”圈也得以清洗。2.4 小结本章主要介绍了风源系统的组成和综合工作原理以及空气压缩机的双塔式和单塔式压缩机的优点与缺点，以及单塔式和双塔式空气压缩机的工作原理和工作过程。 第三章 地铁车辆空气制动系统3.1 地铁空气制动系统概述随着城市化进程的加快，越来越多的人们都在寻求更快捷、更环保的出行方式。城市轨道交通由于具有方便快捷、绿色环保等诸多优点，受到了大家的广泛青睐。而城市轨道列车的运营有别于干线铁路车辆，它需要频繁的启动、调速、制动，这就对车辆制动系统的性能提出了更高的要求。（1）为适应资源节约型和环境友好型社会建设的现实需要，城市轨道车辆所采用的制动系统应尽可能最大的利用电制动，它既能通过能量的回收而产生一定的经济效益，又能减少闸瓦的机械磨耗而降低对环境的影响。（2）为了适应短距离起停车的特点，必须使列车启动快、制动距离短。这就要求制动系统装置具有操纵灵活，响应迅速，停车平稳、准确和制动力大等特点。3.2 地铁车辆制动系统的特点(1) 地铁的站间距离比较短，一般都在1km左右。由于站间距离短，列车的调速及停车都比较频繁。为了提高运行速度，必须使列车起动快、制动距离短。这就要求地铁车辆的制动装置具有操纵灵活、用迅速、停车平稳、准确和制动力大等特点。 (2) 地铁列车中的动车具有两台或四台牵引电动机，这就为采用电制动提供了基本条件。电制动有许多优点，例如无机械磨损等。这对于空气制动来说是无法实现的。电制动有再生制动和电阻制动两种。电制动的制动功率大，尤其是在较高的速度范围内，它不仅制动力大，效率高，而且再生制动能回收能量，从而产生一定的经济效益。但由于它在低速范围内只能使用电阻制动，其制动力较小。且当列车速度降到某一速度时，必须及时补上空气制动。在整个速度范围内，要充分发挥各种制动方式的作用，适应地铁列车自动控制而协调配合，以获得最佳的制动性能。 （3)地铁列车的乘客量波动大。无乘客（空车工况）仅地铁车辆自重，相对来说是较轻的(为了降低能耗，地铁车辆车体的材质采用铝合金和薄壁不锈钢型材等)，因此，乘客量对车辆总重有较大的影响，易引起制动率的变比。制动率变化过大，对列车制动时要保证一定的减速度、防止车轮滑行及减小车辆间纵向冲动都是不利的。因此，制动系统应具有在各种乘客量的工况下，使车辆制动率基本恒定的性能。 3.3 空气制动系统的分类与工作原理及其特点空气制动机按其作用原理的不同，可分为直通空气制动机、自动空气制动机和直通自动制动机。3.3.1 直通空气制动机 图3.1 直通空气制动机原理图 1-空气压缩机； 2-总风缸；3-总风缸管；4-制动阀；5-列车管；6-制动管；7-基础制动装置；8-制动缸环境弹簧；9-制动缸活塞；10-闸瓦；11-制动阀；12-车轮；I-缓解位；II-保压位；III-制动位。空气压缩机1将压缩空气注入总风缸2内，经总风缸管3至制动阀4.制动阀手把有三个不同的位置：缓解位、保压和制动位。手把在缓解位时，列车管5内的压缩空气经制动阀口11排向大气；手把位于保压位时，制动阀保持总风缸管、列车管和制动阀口各部相同；手把位于制动位时，总风缸管压缩空气经制动阀流向列车管。1) 制动位 司机要实行制动时，首先把手把放在制动位，总风缸的压缩空气经制动阀进入列车管。列车管是一根贯通整个列车、两端封是的管路，压力空气由列车管进入列车各车辆的制动缸6，压缩空气推动制动活塞9，产生推力，通过制动缸活塞杆带动基础制动装置7，使闸瓦10压紧车轮12，产生制动作用。制动力的大小，取决于制动缸内压缩空气的压力，由司机手柄在制动位放置时间的长短而定。2） 缓解位要缓解时，司机将手把置于缓解位，各车辆制动缸内的压缩空气经列车管从制动阀口排入大气。手把在缓解位放置时间足够长，则制动缸压力可排净。此时制动缸活塞借助于制动缸缓解弹簧的反弹力，使活塞回到缓解位，闸瓦离开车轮，车辆缓解。3） 保压位制动阀手柄放在保压位时，可保持制动缸内压力不变。当司机将手把在制动位与保压位之间来回操纵、或在缓解位于保压位之间来回操纵时，制动缸的压力能分阶段的上升或下降，即实现阶段制动与阶段缓解。3.3.2 直通制动机特点制动管增压制动、减压缓解，列车分离时不能自动停车。能实现阶段缓解和阶段制动。制动力大小靠司机操纵手柄在制动位放置时间长短决定，因此控制不太精确。制动时全列车制动缸的压缩空气都由总风缸供给；缓解时，各制动缸的压缩空气都须经制动阀排气口排人大气。因此前后车辆的制动的一致性不好。（1）自动空气制动机 图3.2 自动空气制动机原理图1-空气压缩机； 2-总风缸； 3-总风缸管； 4-制动阀； 5-列车管；6-制动管； 7-基础制动装置； 8-制动缸环境弹簧； 9-制动缸活塞；10-闸瓦； 11-制动阀EX口； 12-车轮； 13-三通阀； 14-副风缸；15-给气阀； 16-三通阀排气口； I-缓解位； II-保压位； III-制动位。自动空气阀制动机的制动阀同样也有缓解、保压和制动3个动作位置，但内部通路与直通空气制动机的制动阀有所不同。在缓解位时它联通给气阀与列车管的通路；制动位时它于列车管与制动阀上的EX口相同，列车管压缩空气经它排向大气；保压位时仍保持各路不通。制动阀手柄放在缓解位时，总风缸中的压缩空