铁道概论课件

铁道概论第三章机车

由于铁路车辆大都不具备动力装置，需要把客车或货车连挂成车列，由机车牵引沿着钢轨运行。在车站上，车辆的转线以及货场取送车辆等各项调车作业，也都要由机车完成。 一、机车分类 铁路机车的类型很多1、从运用分：客运机车、货运机车和调车机车；2、从牵引动力分：蒸汽机车、内燃机车、电力机车。第一节概述

一、蒸汽机车

蒸汽机车的应用，迄今已有180多年的历史，它是通过蒸汽机把燃料的热能转化成机械能，用来牵引列车的一种机车。由于蒸汽机车的构造比较简单，制造和维修比较容易，成本比较低，因此最早被世界各国所采用。但是，蒸汽机车的热效率太低，其总效率一般只有5%～10%；煤水消耗量很大，需要大量的上煤、给水设备；且对环境有较大的污染，因此，在现代铁路运输中，蒸汽机车已逐渐被其他新型机车所取代。解放前，我国使用的蒸汽机大多从国外引进，称为万国博览会。解放后，我国自行生产的蒸汽机车有前进型和建设型蒸汽机车。

如图：前进货运蒸汽机车前进客运蒸汽机车

内燃机车第一代：东风、东风2、东风3等。第二代：液力传动有东方红2-5、北京型第二代电传动内燃机车：DF4B、DF4C、DF4E、DF5、DF7、DF7B、DF7C、DF7D、DF8、DF12如图DF8C型内燃机车绪论第三代电传动内燃机车：DF4D、DF6、DF9、DF10D、DF11如图：DF9DF11

一、内燃机车传动装置的必要性

1、实现机车的理想牵引特性（1）轮周牵引力：机车从牵引电动机（或万向轴）获得扭矩，通过轮轨相互作用在轮周上产生的切向反力。轮轨间的相互作用称为粘着作用。（2）机车构造速度：机车结构（如零部件强度、走行部动力性能及机车效率等）所允许的机车最高安全运行速度，又称机车最高速度。（3）持续速度：机车在全功率下能长时间连续运行的最低速度。2、满足列车运行速度变化要求3、柴油机工作局限性4、满足列车运行状态要求二、电力传动内燃机车

内燃机车设有两个司机室、一个电气室、一个动力室、一个冷却室和一个辅助室。内燃机车主要由柴油机、传动装置、走行部、车体、车钩缓冲装置、制动装置和辅助装置等部分组成

内燃机车的能量传输过程是由柴油机驱动主发电机发电，然后向牵引电动机供电使其旋转，并通过牵引齿轮传动驱动机车轮对旋转。根据主发电机和牵引电动机电流制的不同，可分为直一直流电力传动、交一直流电力传动、交一交流电力传动等类型内燃机车，其中交一交流电力传动又分交一直一交电力传动和交一交流电力传动两种类型

内燃机车按传动方式的不同可分为电力传动和液力传动两种类型。图

东风11型内燃机车总体布置图1—预热锅炉；2—冷却风扇；3—后变速箱；4—散热器；5—膨胀水箱；6—柴油机；7—同步发电机；8—电阻制动装置；9—空气干燥装置；10—通风机；11—转向架；12—空调器；13—高压柜；14—速度装置控制箱；15—低压柜；16—主硅整流柜；17—微机控制柜；18—主硅整流柜、通风机；19—前变速箱；20—测速发电机；21—励磁机；22—起动发电机；23—总风缸；24—燃油箱；25—空气滤清装置；26—静液压系统油箱；27—起动机油泵；28—机油热交换器；29—通风机；30—机油滤清器；31—空气压缩机；32—更衣箱；33—制动阀类安装架。

（一）柴油机

柴油机是利用柴油燃烧后所产生的热能作动力的一种机械，多为四冲程、多缸、废气涡轮增压柴油机。柴油机用一定的型号表示。如东风l；内燃机车上采用的“16V280ZJA”型柴油机“16”表示它有16个气缸，“V”表示分成两排呈V形排列，“280”表示气缸内径为280mm，℃”表示装有废气涡轮增压器和增压空气中间冷却器，“J”表示铁路机车牵引用。四冲程柴油机的工作原理，如图5－12所示。活塞通过连杆与曲轴相连；在气缸盖上设有进、排气门和喷油器。进、排气门由配气机构驱动，喷油器由供油装置控制。燃油通过喷油器喷入气缸并与高温高压空气相遇，燃烧膨胀作功。活塞需要经过往复四个行程，柴油机才能完成进气、压缩、燃烧膨胀、排气一个工作循环。

1．进气行程活塞由曲轴带动由上止点向下止点移动，活塞上方的容积不断增大，气缸内的气压不断降低，产生真空吸力。此时进气门开启，排气门关闭，经空气滤清器过滤后的纯净空气进入气缸，当活塞移动到下止点位置时，进气行程结束。

2．压缩行程随着曲轴转动，活塞由下止点向上止点移动。与此同时，进、排气门均关闭，活塞压缩纯空气，使其温度和压力同时升高。当活塞移动到上止点时，压缩行程结束。

3、作功行程压缩行程末，喷油泵将油箱输送来的低压柴油经柴油滤清器滤清变为高压柴油（喷油压力要达到10MPa以上），经喷油器呈雾状喷人气缸内，与气缸内的高温空气迅速混合形成可燃混合气，由于此时气缸内的温度远高于柴油的自燃温度，柴油便自行着火燃烧，且在以后的一段时间内边喷油边燃烧，气缸内的温度和压力急剧升高，推动活塞下行作功。4、排气行程

当作功行程结束后，在曲轴飞轮组惯性力的作用下，活塞又从下止点向上止点移动，此时进气门关闭，排气门开启，燃烧产生的废气在活塞的推动下从排气门排出，当活塞再次到达上止点时，排气行程结束。四冲程柴油机就是这样不断地工作，把柴油燃烧产生的热能转变成机械能。柴油机由机体、曲柄连杆机构、配气机构以及进、排气系统、燃油供给系统、冷却系统、润滑系统等部分组成。（二）传动装置

交一直流电传动装置主要由主发电机、整流装置和牵引电动机等组成。

1．主发电机

主发电机主要由转子和定子两部分构成，外形如图所示。

转子上绕有励磁绕组，做成磁极，只要通人直流电就能产生磁场。直流电由励磁机供给，直流电输人磁极线圈后，使磁极铁心励磁。在定子槽中绕有定子线圈，又叫电枢绕组。当转子（磁极）被柴油机带动而旋转时，形成旋转磁场。电枢绕组便切割磁力线而产生感应电势，发出三相交流电。

由于在交一直流电力传动装置中采用的是直流电动机，因此发电机产生的交流电还必须经过整流后才能向直流电动机供电。利用硅二极管的单向导电特性，即可完成整流任务。

2．机车整流柜

主硅整流柜将三相同步发电机发出的交流电整流成直流电后供牵引电动机，它主要由柜体、交流母排、直流母排、直流母排、硅整流元件、连接导线、电阻电容器等组成。3．牵引电动机

牵引电动机的构造主要包定子和转子两部分。

定子由机座、励磁绕组和电刷等组成，用来形成磁场。转子又叫电枢，由电枢轴、电枢绕组和整流子等组成。定子上的电刷紧贴整流子，直流电由电刷经整流子而进入电枢绕组后，在定子形成的磁场作用下，使转子转动，将电能转变成机械能，并通过电枢轴上的主动齿轮传给机车动轮上的从动齿轮，使机车运行。

由于这种电动机的励磁绕组和电枢绕组是串联的，使用的又是直流电，所以叫直流串励电动机。（三）走行部内燃机车走行部采用转向架的结构形式，如图所示。机车转向架的作用是承受机车上部重量，传递牵引力和制动力，缓和并吸收来自线路的各种冲击和振动，保证机车顺利通过曲线，并产生必要的制动力，以便使机车在规定的制动距离内停车或使机车减速。东风11型内燃机车采用两台三轴转向架，因此这种机车可用轴列式C0一C0来表示，注脚“0”的意思是每根轴上都单独装有一台电动机。三、液力传动内燃机车

在液力传动内燃机车上，原动力仍是柴油机，在柴油机和机车动轮之间，装有一套液力传动装置，利用工作油改变柴油机的外特性，以适合列车运行的要求。（一）、

液力变扭器的基本组成和工作原理1、液力变扭器的基本组成

液力变扭器是液力传动装置中最重要的传动元件。变扭器主要有3个工作轮（即泵齿轮、涡轮和导向轮）和外面包的壳体组成，如图5-7所示。泵轮通过泵轮轴、齿轮等与柴油机的曲轴相连；涡轮通过涡轮轴、齿轮等与机车的动轮相连；导向轮固定在变扭器的壳体上，它不能转动。液力变扭器1—泵轮；2—涡轮；3—导向轮；4—泵轮轴；5—涡轮轴。当柴油机启动后，泵轮被带动高速旋转，这时，向变扭器里面充进工作油，就会被高速旋转的泵轮叶片带动一起旋转。由于离心力的作用，使工作油从泵轮叶片出口处流出时具有很高的压力和流速。这样的工作油冲击涡轮叶片，使涡轮与泵轮以相同方向转动，通过齿轮把柴油机的输出功率最后传到机车动轮上，使机车运行。

工作油作为传递能量的介质，从泵轮上得到高压、高速的能量，传到涡轮，从涡轮叶片流出后，经导向轮叶片的引导，又重新返回泵轮。就这样，工作油从泵轮涡轮导向轮泵轮，如此往复循环，不断地把柴油机的功率传输给机车动轮。2、液力变扭器的工作原理当机车启动或低速运行时，液力变扭器中地涡轮转速很低，工作油对涡轮叶片地压力就很大，从而满足了机车牵引力大的要求；当涡轮的转速随着机车的运行速度的提高而加快时，工作油对涡轮叶片的压力也逐渐减小，正好满足高速行车时对牵引力要求小的条件。由此可见，柴油机发出的、大小基本不变的扭矩，经过变扭器后就能变成满足列车牵引要求的机车牵引力，而且它的大小能按机车理想牵引曲线变化。当机车需要惰力运行或进行制动时，司机只要操纵手柄，将变扭器中的工作油排出，让它流回油箱，使泵轮和涡轮之间失去联系，柴油机的功率就不会传给机车的动轮了。（二）、

液力传动装置的组成

液力传动装置主要由液力传动箱、车轴齿轮箱、换向机构和相互联结的万向轴等组成，如图所示。在液力传动系统中，为了提高变扭器在机车不同运行速度时的传动效率，安装了两个变扭器：机车起动和低速运行时使用起动变扭器；机车在中、高速范围内运行时，使用运转变扭器。两个变扭器的涡轮安装在实心轴的涡轮轴上。功率从涡轮轴（或换向轴）通过中间的齿轮传输，经万向轴分别传给两台转向架上的车轴齿轮箱，再通过锥形齿轮驱动机车的动轮旋转。 在液力传动箱中还设有换向机构，用来安全可靠地操纵换向离合器的开与关，以控制机车的运行方向。管道运输具有输送能力大（管径为1200mm的原油管道年输送量可达1亿吨）、效率高、成本低及能耗小等优点。十一五”期间，中国将加快油气干线管网和配套设施的规划建设，逐步完善全国油气管线网络，建成西油东送、北油南运成品油管道，同时适时建设第二条西气东输管道及陆路进口油气管道。

未来10年是中国管道工业的黄金期，除得益于中国经济的持续快速发展和能源结构的改变，建设的中俄输气管线、内蒙古苏格里气田开发后将兴建的苏格里气田外输管线、吐库曼和西西伯利亚至中国的输气管线等，不仅为中国，也为世界管道业提供了发展机遇。当然，管道运输也存在一些缺点，它适于期定向、定点、定品种输送，合理输量范围较窄，若输量变化幅度过大，则管道的优越性就难以发挥，更不能输送不同品种的货物。总之，铁路、公路、航空、水运和管道等五种现代化运输方式，各有其不同的技术经济特征和使用范围。铁路的发展概况铁路的发展史

世界铁路世界上大多数国家的铁路仍然是客运和货运兼顾的常规铁路，高速铁路、重载铁路和常规铁路虽然基本形式相同，但在技术方面，包括机车和车辆、线路和轨道以及列车的编组和运行都各不相同。因此，各国铁路根据各自的具体情况，采取不同的技术修建或改造本国的铁路。铁路运输的这些发展，成为铁路新发展时期的突出特点。中国铁路中国铁路迄今已有100多年的历史：从其第一条营

业铁路——上海吴淞铁路——1876年通车之时算起，是123年

；从其自办的第一条铁路——唐胥铁路——1881年通车之时算

起，也有118年了。1909年10月,第一条完全由中国工程技术人员主持、设计、施工的铁路干线—京张铁路正式建成.铁路建设:青藏铁路南昆铁路京九铁路粤海铁路京秦铁路铁路的展望

发展铁路的规划方案:

1.客运专线建设

2.完善路网布局和西部开发性新线3.路网既有线改造第二章线路(一)基本概念

铁路线路是机车车辆和列车运行的基础。它直接承受机车车辆轮对传来的压力，为了保证列车能按规定的最高速度

安全、平稳和不间断地运行，使铁路运输部门能够质量良好地完成客货运输任务，铁路线路必须经常保持完好状态。

铁路线路是由路基、桥隧建筑物和轨道组成的一个整体工程结构。

(二)勘测设计的概念

在建筑一条铁路之前，必须进行调查研究和勘探工作，并从若干个可供比较的方案中选出一个最优方案来进行设计。

铁路建设的三个阶段

1、前期工作阶段

主要进行方案研究、初测和初步设计工作。

2、基本建设阶段

主要进行定测、技术设计和施工图设计，最后进行工程施工、验交投产。

3、投资效果反馈阶段

铁路运营若干年后，有建设单位会同有关部门，对工程质量、技术指标和经济效益等考察验证，以评价设计和施工质量

(三)铁路等级

铁路等级是铁路的基本标准。设计铁路时，首先要确定铁路等级。铁路技术标准和装备类型都要根据铁路等级去选定。

我国《铁路线路技术管理规程》规定铁路等级应根据在铁路网中的作用、性质和远期的客货运量确定。

我国铁路共分为三个等级如下表

注：1、远期——指交付运营后第十年；

2、年货运量为重车方向，每对旅客列车上下行各按0.7Mt(Mt:百万吨)年货运量折算。等

级铁路在路网中的意义远期年客货运量Ⅰ级铁路在路网中起骨干作用的铁路

≥15MtⅡ级铁路1.在路网中起骨干作用的铁路

≤15Mt2.在路网中起联络、辅助作用的铁路

≥7.5MtⅢ级铁路为某一区域服务，具有区域运输性质的铁路

≤7.5Mt

(四)铁路主要设计标准

选定铁路主要技术标准是设计铁路的基本决策，应根据国家要求的年输送能力和确定的铁路等级，考虑沿线资源分布和国家

科技发展规划，并结合设计线的地形、地质、气象等自然条件，经过论证比选确定。

铁路主要技术标准：正线数目、限制坡度、最小曲线半径、牵引种类、机车类型、机车交路、车站分布、闭塞类型、到发线

有效长度。这些标准是确定铁路能力大小的决定因素。选用不同的标准对设计线的工程造价和运营质量有重大影响。

(一)铁路线路纵断面组成要素

线路纵断面定义：

线路中心线(曲线部分展直后)在垂直面上的投影，叫做线路纵断面（如下图所示）。

线路纵断面组成要素：

为了适应地面的起伏，线路上除了平道外，还修成不同的坡道。因此平道与坡道就成了线路纵断面的组成要素。

(二)坡道阻力

坡道的陡与缓用坡度来表示。坡度的大小用千分率来表示。i‰=h/L=tana坡道阻力：列车在坡道上运行时，会受到一种由坡道引起的阻力，这一阻力叫坡道阻力。

机车车辆所受的重力Qg可分为两个分力F1和F2，F1由轨道的反作用力所抵消，则F2就是坡度附加阻力。单位坡道阻力：列车平均每一千牛质量所受到的坡道阻力。

——单位坡道阻力【结论】

1、机车车辆每一吨质量，上坡时所受的坡度阻力，近似等于用千分率表示的这一坡道坡度的十倍。

2、列车上坡时，坡道阻力为“+”，列车下坡时，坡道阻力为“-”。

3、坡度越大，上坡阻力越大，同一台机车

(在列车运行速度相同条件下)所能牵引的列车重量则减小。(一)线路标志的作用

1、为了线路的维修和养护；

2、为了司机和车长等工作上的需要。

(二)线路标志的类型及设置地点

1、公里标、半公里标

公里标、半公里标（如两图所示）是线路的里程标。公里标从铁路线路起点开始，每走一公里设置一个；半公里标设于线路的半公里处

2、曲线标

曲线标（如下图）为曲线的技术参数，在上面标明曲线的有关要素(曲线长度、缓和曲线长度、曲线半径、超高、加宽)。

该标设置于圆曲线的中部，示意图如下：

(三)坡度标

坡度标表示该坡道的坡度大小及坡段长度，并用箭头表示上坡和下坡（如下面各图所示）。

坡度标设在变坡点处，如下图所示：

此外，还有桥涵标、隧道标、鸣笛标、作业标等等。

线路标志应埋设在计算里程方向的线路左侧。铁路线路是由路基、桥隧建筑物、轨道组成的一个整体工程结构。

(一)路基

路基的基本形式

路基的基本形式：主要有路堤和路堑。

路堤：铺设轨道的路基面高于天然地面时，路基以填筑的方式构成，这种路基称为路堤。

路堑：当铺设轨道的路基面低于天然地面时，路基以开挖方式构成，这种路基称为路堑。

路基的排水设备

为保持路基经常处于干燥、坚固和稳定的状态，路基上设有一套完整的排水设备。

1、排除地面水设施：纵向排水沟、侧沟和截水沟等设施。

2、排除地下水的设施：为了拦截地下水，降低地下水位，采用渗沟和渗管排水设施。钢轨

一、作用:直接承受车轮的巨大压力并引导车轮运行方向。

二、类型:以每米长度的重量表示，现行标准钢轨类型有：70kg/m；60kg/m；50kg/m等

三、长度:钢轨的标准长度为25m、12.5m两种。轨枕

一、作用:支承钢轨，将钢轨传来的压力传递给道床，并且还可以保持钢轨位置和轨距。

二、类型:木枕和钢筋混凝土枕。

木枕：弹性好，重量轻，铺设更换方便；但消耗木材，使用寿命短。

钢筋混凝土枕：使用寿命长，稳定性能高，养护工作量小等。

三、长度:一般为2.5m。联结零件联结零件可分为接头联结零件和中间连接零件。

1、接头联结零件

作用:联结钢轨与钢轨间的接头；

组成:鱼尾板、螺栓、螺帽、弹性垫圈等。中间联结零件

作用：将钢轨紧扣在轨枕上；

分类：木枕用和钢筋混凝土用。ω型弹条扣件

木枕用中间联结零件

道床

一、作用：

1.支承轨枕，把从轨枕上传来的压力均匀地传给路基；

2.固定轨枕的位置，阻止轨枕纵向和横向移动；

3.缓和车轮对钢轨的冲击。

二、使用材料：

碎石、卵石、粗砂等，其中以碎石为最优。

我国铁路一般都采用碎石道床。

客运专线：整体道床防爬设备

一、线路爬行——因列车运行时纵向的作用，使钢轨甚至带动轨枕产生纵向移动，这种现象叫线路爬行。

二、危

害——轨缝不均，轨枕歪斜，对轨道造成极大破坏，危及行车安全。

三、防爬措施——安装防爬器和防爬撑。

防爬撑可采用废旧枕木；在山区可采用石条代替。

道岔

作用:使机车车辆从一股道转入另一股道的线路连接设备。

在车站上大量铺设，用的最多的是单开道岔。

一、普通单开道岔

(一)组成：转辙器、辙叉及护轨、连接部分。

1.转辙器

组成：两根基本轨、两根尖轨、转辙机械；

作用：操作转折机械可以改变尖轨的位置，确定道岔的开通方向。

2.辙叉及护轨

组成：辙叉心、翼轨、护轨；

作用：保证车轮安全通过两股轨线的相互交叉处。

有害空间：从两翼轨最窄处到辙叉心实际尖端之间，存在一个轨线中断的空隙。

(1)由于有害空间的存在，当机车车辆通过辙叉有害空间时，轮缘有可能走错辙叉槽而引起脱轨；

(2)设置护轮轨的运行方向实行强制性的引导。

道岔有害空间是限制列车过岔速度的一个重要因活动心轨道岔：消灭有害空间，适应列车高速运行要求

(1)活动心轨和心轨是同时被扳动的；

(2)当尖轨开通某一方向时，活动心轨的辙叉心轨就与开通方向一致的翼轨密贴，而与另一翼轨分开，从而消灭了有害空间，使列车安全通过道岔。3.连接部分

组成：两根直轨，两根导曲轨；

作用：连接转辙器和辙叉器及护轨部分，使之成为一组完整道岔。(二)用中心线表示道岔一般在图纸上，都采用中心线形式表示道岔。

(三)道岔号数

道岔因其辙叉角的大小不同，有不同的道岔（Ｎ)

【结论】a越小，则N越大，导曲线半径越大，道岔全长越长，列车过道岔平稳且过岔速度越高； a越小，则相反。常用道岔有关指标。道岔号数（N）辙叉角（α）导曲半径（m）

道岔全长

（m）侧向允许通过速度（km/h）96°20′25″18028.84830124°45′49″33036.81545183°10′12.5″80054.00801998年10月我国在京沪铁路线上铺设了60

kg/m钢轨30号可动心轨道岔。

道岔全长：102.4m

侧向过岔速度：140km/h

直向过岔速度：200km/h

前后共有9台转辙机械(夹轨6台，心轨3台)二、其他类型道岔与交叉设备

。1.双开道岔

道岔衔接的两条线路各自向两侧分岔

2.三开道岔

可以同时衔接三条线路。

3.交分道岔

四组单开道岔和一副菱形交叉设备的结合体。4.交叉设备

只有辙叉而无转辙器部分，机车车辆通过交叉设备时，只能沿着原来的线路继续运行而不能转线。5.交叉渡线

由四副单开道岔和一组菱形交叉设备组合而成。由于固定轨距的影响，在