机电类的毕业设计

-22-第一章绪论1.1课题背景随着我国铁路事业的发展，列车牵引质量和速度得到了很大的提升，制动技术也有很大的发展。在基础制动方面，盘型制动除了在双层客车和低重心列车上使用过以外，现已在25.5m新型客车上使用；货车用空重车自动调整装置以及客、货车合成闸瓦也都在积极研制，并在部分车辆上应用；闸瓦间隙自动调整期、空气式防滑器等也已在部分新造车辆上使用；磁轨摩擦制动也正在摸索研究。城轨车辆的运行需要对其施加牵引力，当然，车辆的减速与停车要对其施加制动力，在某种程度上，制动力比牵引力更为重要，试想如果列车突然失去制动力，乘客的生命财产将受到严重的威胁。为了能让车辆以一定的速度运行，且能在规定的地点停车或者降到一定的速度，这就必须重视对车辆制动的研究与改进。车辆的制动直接关系到乘客的生命，故对制动机的改进在铁路和城市轨道行业里成为一个大热门，有时甚至比电气牵引上的发明更为瞩目。1.2城市轨道交通车辆制动的发展1.2.1早期的制动方式自1881年德国柏林有了第一辆有轨电车以后，世界各大城市相机开始了大规模的城轨交通的建设。对于城轨交通车辆来说，除了要承载更多的乘客外，还要一项重要的任务，那就是要使运动中的车辆能够安全的减速和停车，也就是必须要对车辆施行制动。最早的有轨电车是以人工制动的。司机绞动刹车钢丝，使木制的闸瓦靠紧车轮踏面，用摩擦力是车轮或车轴的转动减慢直至停止，以达到车辆减速和停车的目的。当然，这种原始的制动方式既费力又不安全，时常会发生钢丝断裂和车辆失控事故。人们逐渐认识到，为了保证安全，必须重视对制动的改进与创新。1863年，伦敦在市中心环路下面修建隧道，拟让火车在市中心的地下通行。但是火车的烟雾在隧道中弥漫，尽管有通风井，但排放烟雾问题仍然难以解决。直到1890年，伦敦才建成电力牵引的地下铁路，这就是真正意义上的第一条地铁。地铁在20世纪初的美国地区的城市得到迅速发展。由于地铁车辆是沿用铁路车辆的，因此任何火车制动新技术出现都会立刻被应用于地铁列车。当时火车一般使用人工机械制动，例如杠杆拨动式闸瓦制动装置、手轮式棘盘链条制动机等。这种人工机械制动机，有的甚至现在还在被铁路车辆使用，当然他只是在空气制动机发生障碍、调车作业或就地停放时使用。1.2.2现代化的制动系统随着20世纪初科学技术的发展，铁路车辆上出现了空气制动机。所谓空气制动机，就用压力空气作为制动的制动力来源，并且压力空气的压力变化来实现列车的制动和缓解作用的制动装置。这种空气制动机被广泛应用于铁路、地铁、城市高架铁路以及其他轨道交通车辆。至今，空气制动机还在我国和世界各国铁路机车和火车上使用。虽然空气制动机与人工机械制动相比，安全性和可靠性都有了很大的提高，但由于司机发出的制动指令是靠列车管内的压力变化来传递的，它的指令传递速度受空气波速的限制，也就是说其极限速度在330m/s左右。因此，对一列几百米长的列车来说，仍有可能造成前后车辆制动和缓解动作在时间上的不一致。在多数情况下，由此造成的列车纵向冲动和对车钩的损伤已达到非常严重的程度。20世纪30年代，在欧美地区和日本出现了采用电信号来传递制动和缓解指令的制动控制系统，这是制动系统的一次革命，因为电信号的传输速度比空气波速度快的多。采用电信号的制动控制系统被称为电气指令式知道那个控制系统。当时人们将制动的动力来源仍采用压力空气，但控制方式采用电器指令式制动控制系统的列车制动机称为电磁空气制动机。电磁空气制动机在每节车辆都设有制动、缓解电磁阀。它们通过司机制动控制器进行励磁和消磁，从而控制列车制动或缓解。相对于空气制动机来说，电气指令式制动控制的主要优点是：全列车制动和缓解的一致性好，因此，制动和缓解时的纵向冲动小，制动距离短。车钩受力小，乘客乘坐舒适性好。20世纪50年代，国外城轨交通车辆在大规模采用电磁空气制动机的同时，还采用电气指令式制动控制系统协调动力制动和空气制动，使制动控制技术达到了一个新的水平。最近几十年来，由于电力电子元件的出现使电气再生制动称为可能，微机技术的应用使制动防滑系统更加完善，城轨车辆制动技术正朝安全、可靠、人性化和环保的目标不断前进。1.3本论文的研究内容和方法本文是从制动的概念开始，先对城轨交通车辆的制动系统进行了解，限于文章篇幅，这里着重讨论制动系统中的制动装置。首先是研究单元制动机的原理，弄懂原理后对其进行结构设计，画出大致的示意图，在不断的完善各个细节。通过该单元制动机在城轨交通车辆上的安装空间进行总体的结构尺寸的设计；根据各个零部件所起的作用进行结构设计，完成各个零部件设计后，利用UG软件进行建模并完成装配。第二章虚拟样机2.1虚拟样机的背景图纸设计、样机制造，测试改进、定型生产等步骤是传统的设计方式所要经过的步骤，往往要多次制造样机再加上反复测试才能满足设计的要求，这种方式既费时也费力，更重要的是成本高。采用数字技术进行设计的虚拟样机技术的出现改变了这一设计方式。这个过程可以归纳为：设计——试验——设计，大大缩短研发周期，以及降低研发资本。众所周知，任何一项技术的产生及广泛推广都有众多原因，其中市场变化和技术本身的发展是最为重要的。在经济全球化的时代，信息技术迅速发展，加快了知识的传递，提高了各个领域的更新频率。产品的生命周期变得更短，用户也希望定做个性化的产品，市场变得很快。企业要盈利，得有响应市场变化的能力，在别人没有生产出新产品之前，能以最短的时间开发出高质量以及用户能接受的新产品。全球知识经济的兴起标志着产品竞争已从原来的价格竞争转化含量的竞争，高科技产品将成为市场的主流和企业成功的关键然而，传统的设计与制造过程与新的市场需求不相适应，所以传统的设计与制造方式并无法满足这些要求。如果对实际样机的验证犹如小孩玩的积木那样简单，那问题就容易多了，但复杂的机械系统用集木是不可能搭出来的，并且，实际样机在实验过程中毁坏了并不能像堆积那样推倒了又可以搭起来。所以，计算机在这里就起到了作用，我们掌握结构、运动规律以及定义了描述机械系统的方法，通过计算机，我们如搭积木一样把机械系统组装起来，做出虚拟样机。之前也说过，技术本身的发展也是一个很重要的背景。近几十年来，建模与仿真技术飞快发展，分布式交互仿真技术向人们展示了建模与仿真技术对复杂系统的设计与分析带来的巨大帮助，这些复杂系统足以与生产系统的复杂型媲美。而仿真技术以及相关的建模和优化技术正是21世纪信息技术统制造技术相结合的桥梁，是使企业产生最大经济效益的核心技术。另外，计算机图形学、虚拟现实技术和可视化技术在娱乐界的普及带给人们感官上的强烈震撼。三维计算机图形技术和基于图形的用户界面技术的推广也促使虚拟样机技术的发展与成熟。以及与计算机辅助设计(CAD)技术的成熟及大规模推广应用是分不开的。2.2虚拟样机的定义和特点1.虚拟样机的定义虚拟样机技术是当前设计制造领域的一项新技术，它利用计算机软件建立机械系统的三维实体模型和运动学模型，分析和评估机械系统的性能，从而为机械产品的设计和制造提供依据。它基于产品计算机仿真模型的数字化设计方法，是虚拟样机支持并行工程方法学。涉及多体系统运动学与动力学建模理论及其技术实现，是基于先进的建模技术、多领域仿真技术、信息管理技术、交互式用户界面技术和虚拟现实技术的综合应用技术。2.虚拟样机的特点虚拟样机技术具有以下特点：1)强调在系统层次上模拟产品的外观、功能以及特定环境下的行为。2）可以辅助物理样机进行设计验证和测试。3）可以在相同时间内“试验”更多的设计方案，从而易于获得最优设计方案。4）用于产品开发的全生命周期，并随着产品生命周期的演进而不断丰富和完善。5）与常规的仿真相比，其涉及的设计领域广，考虑也比较周全，因而可以提高产品的质量。6）支持产品的全方位测试、分析与评估。支持不同领域人员对同一虚拟产品并行的测试、分析与评估。7）可以减少产品的开发时间，使产品尽快上市。8）可以减少产品开发后期的设计更改，进而使整个产品的开发周期最小化。9）减少了设计费用。虚拟样机技术在改善产品开发模式上具有很大的潜力。尽管虚拟样机技术在现阶段有一些局限性，但其应用前景是好的。2.3虚拟样机的应用首先我先举出一个关于虚拟样机的一个成功的例子。美国波音飞机公司的波音777飞机师世界上首架以无图纸方式研发及制造的飞机，其设计、装配、性能评价及分析均采用虚拟样机技术。这不但使研发周期大大缩短（其中制造周期缩短50%）、研发成本大大降低（如减少设计更改费用94%），而且还确保了最终产品一次安装成功。虚拟样机在里面所起的作用是不言而喻的。虚拟样机技术得到广泛的应用，涉及汽车制造、工程机械、航空航天、造船、航海、机械电子和通用机械等众多领域。主要有一下几个方面。产品的外形设计以前，汽车外形造型设计多采用泡沫塑料制作外形模型，要通过多次评测和修改，费工费时。采用虚拟技术的外形设计，可随时修改、评测。产品的布局设计在复杂产品的布局设计中，通过虚拟样机技术可以直观的进行设计，避免可能出现的干涉和其他不合理问题。产品的运动和动力学仿真在产品设计阶段就能展示出产品的行为，动态表现产品的性能，产品设计必须解决运动构建工作时的运动协调关系、运动范围设计、可能的运动干涉检查、产品动力学性能、强度、刚度等问题。产品装配仿真机械产品的配合性和可装配性是设计人员常易出错的地方，以往要到产品最后装配时才能发现，导致零件的报废和工期延误，从而造成巨大的经济损失和信誉损失。采用虚拟装配可以在设计阶段就进行验证，确保设计的正确性，避免损失。虚拟样机与产品工作性能测评首先进行产品的立体建模，然后将这个模型置于虚拟环境中控制、仿真和分析，可以在设计阶段就对设计的方案、结构等进行仿真，解决大多数问题，提高一次试验成功率。第三章制动装置制动装置是使车辆减速停放，保证列车安全运行不可或缺的装置。必须对其进行制动使得车辆能够在很短的时间内减速或者在规定的路段内停车；另一方面，车辆运行在下坡道时，也需要对其进行制动动作；同时为了避免停放的车辆因风力和重力或其他因素而溜走，也需要对其进行制动动作。3.1制动装置的特点城市轨道交通站与站之间的距离比较短，并且有频繁的调速及制动，所以列车在正常运行时，为了提高旅行速度，列车必须启动快、制动距离短。再加上城市轨道车辆的乘客量波动大。在没有没有乘客时（空车工况），载荷仅为车辆自身重量，相对来说质量是比较小的，而在超载的情况下，相对来说，质量较大，乘客在总重量中占的份额较大。将铝合金或薄壁不锈钢型材运用到轨道车辆车体上，使其自重减小，从而减少耗能。乘客对车辆总重量也是有较大的影响的，会引起质量的较大变化，从而引起制动率的变化，而制动率有是制动能力的重要参数，制动率如果变化太大，对动车组的制动有不利影响，比如：车轮滑行、车辆间纵向冲动以及减速度的变化。城市轨道动车组在部分车辆或者在所有车辆上都装有独立的牵引电动机，这就为电制动提供了基本条件。为适应这些特点，一般城市轨道交通车辆制动装置必须具备以下条件：（1）灵活的操作，较大制动减速度，作用灵敏可靠，具有达到当代的先进指标的制动波速、缓解波速，车组前后车辆制动缓解作用要一致，要有足够的制动稳定性和安定性。；（2）准确停车，就是说制动能力足够大，使列车在规定的距离内停车；（3）电力（电力）制动功能是新型城市轨道交通车辆的总体要求，并在正常制动过程中，我们应该充分发挥电制动能力，减少城市环境污染，降低运行成本，但也有电制动与摩擦制动协调刹车的功能，在整个速度范围内，充分发挥各种制动控制的作用并加强其协调配合，以获得最佳的制动性能（4）即使在较长的下坡道上制动，制动系统的制动力也不会衰减；（5）每辆电动车组应具有一致的制动能力，随着乘客量的变化，制动系统的制动能力也应该有相应的变化，并且具有空重车调整能力，使得在制动时所发生的纵向冲动得到减少；（6）具有紧急制动能力，在紧急情况下，比如列车分离或制动系统故障等危急行车安全的事故时，应能够在无人操作的情况下自动进行紧急制动；3.2制动装置的组成列车制动装置是使列车能够施行制动和缓解的一整套设备。城市轨道交通车辆制动装置一般分为两大部分：制动控制系统：制动原动力由它产生，并进行操作和控制。电控制气，气再控制气的制动控制方式是城市轨道交通控制系统所常用的方式。首先司机在制动时通过手柄，改变主控制器上可变电阻的阻值，基准值发生器（又称为参考值转换器），通过分析可变阻值上的信号，产生相应的脉宽调制信号（PWM）；该脉宽调制信号通过列车指令线，被送入气制动电子控制单元（BECU）；，脉宽调制信号由气制动电子控制单元转换成一系列相对应的数字指令信号和模拟指令信号；这些信号对气制动控制单元（BCU）进行操作、控制，使气制动控制单元和制动等级相对应的预控压力。制动执行系统：制动原动力由它传送并产生制动力。按动能的转移方式，制动方式分为：动力（电）制动和机械（摩擦）制动表3-1制动的分类摩擦制动列车的动能通过摩擦转变为热能。闸瓦制动又称踏面制动，这种制动方式是最常用的。，车轮踏面被闸瓦紧压着，闸瓦是用某种材料制成的瓦状制动块，列车的动能因闸瓦与车轮踏面的机械摩擦而转变为热能消散于大气，制动力因此产生。盘型制动分为轴盘式和轮盘式两种。在制动的状态下，制动缸通过制动夹钳实施制动，制动盘被闸片加紧，闸片和制动盘之间发生摩擦，列车的动能因此转化为热能消散于大气，并产生制动力。一般情况下，盘型制动的制动功率比闸瓦制动的制动功率大得多。磁轨制动在制动的状态下，电磁铁被下放，磨耗板与钢轨吸合，磨耗板和钢轨产生摩擦，列车的动能因此转换为热能，然后经磨耗板和钢轨消散终于大气中。磁轨制动能得到较大的制动力，但由于对钢轨有比较大的损伤，因此常做为高速列车紧急制动的一种补充制动手段。动力制动动力制动是将牵引机转变为发电机，使列车动能转变为电能的一种制动方式。电阻制动将发电机输出的电能加于电阻器中，使电阻器产生热能，电能因此转变为热能。而这些热能在外加风扇通风的作用下消散在大气中。电阻制动能获得稳定的制动力，但在列车底架下安装电阻箱需要有较大的空间再生制动再生制动是将列车的动能通过电机（将电机转换成发电机）转换成电能（其电压高于网压是），反馈至电网上供其他列车应用。再生制动是一种较为理想的制动方式，这是因为再生制动既可以节约能源，减少对环境的污染，并且基本上不存在磨耗。3.3城轨制动方式城市轨道交通车辆一般采用三种制动方式——属于第一优先级制动的再生制动、属于第二优先级制动的电阻制动、和属于第三优先级制动的摩擦（闸瓦）制动。并且程序制动措施也应用在在制动技术上：充分利用电制动，尽量减少气制动，即在制动力未达到制动指令的75%时，同时在粘着力允许的条件下用足电制动，当两节动车的电制动力能满足一组车（二动一拖三辆车）的制动要求时，则这一组车就不再使用气制动，反之，则要使用一些气制动，以补足电制动的不足。其电制动力随着列车的速度下降而不断的减弱，当列车速度降低至一定的速度（10km/h）时，电制动力已不能再满足制动所需要求时，这时电制动力将逐渐被切除，所有的制动力则由摩擦制动来承担。列车进入停站制动的程序：在列车在接近车站的区间及站台区域设置标志器（传感器），这些标志器（传感器）用来反映离对位点距离，如图2-1，它们分别设置于离对位停车点350m、150m、25m、和8m处，另外在对位停车点还设有对位天线。当列车经过标志器时，设置在地面上的标志器被设置在列车车底下的标志器检测天线激励，发生电磁感应，感应信号被标志器的谐振电路返回到车上，从而告知列车已到达某个地点，启动列车闸缸按照预置值制动，通过逐级制动，最终实现列车精确停站，同时由于实行多级制动，减小列车的冲击，提高了列车停站过程中的舒适性。图2-1台阶式车站程序对位停车标志器布置示意图第四章轨道交通车辆的制动计算城市轨道交通车辆一般是电动车组，其制动计算问题根据不同的计算目的有不同的计算类型。通常有如下几种轨道交通车辆制动计算类型：（1）计算制动距离，此种类型是在已知电动车组的制动初速度、制动能力及制动区间的线路状态等参数的情况下。（2）计算在该区间制动允许的初速（及制动限速），此种类型是在已知电动车组的制动初速度、制动能力以及要求的制动距离的情况下。（3）计算电动车组应具有的制动能力，此种类型是在已知电动车组的制动初速、制动区间的线路状态等参数以及要求的制动距离。无论是哪种计算类型，关键是制动距离的计算。制动距离的计算是有牛顿第二定律导出的：………………(4-1)式中，F——制动时电动车组的减速力，单位N；m——电动车组的质量，单位t；a——电动车组的减速度，单位；v——电动车组的速度，km/h；t——制动时间，单位s。变形可以得到，…………………(4-2)而制动距离，带入dt得………………(4-3)式中，S——制动距离，单位m；v——制动末速度，单位km/h；v0——制动初速度，单位km/h。4.1制动时电动车组的减速力电动车组处在制动工况时，所受到的与其运动相关的力有一下两个：（1）制动力B。他是由司机或自动驾驶装置控制，通过电动车组的制动装置产生的阻止电动车组运行的外力，它的方向与电动车组运行的方向相反，可由司机或者自动驾驶装置控制和调节。（2）运行阻力W。它是由电动车组的内部或者外部的各种原因自然产生的阻碍电动车组运行的外力，它的方向与电动车组运行的方向相反。其大小不受司机或自动驾驶装置控制。所以电动车组制动时的减速力为：F=B+W……………(4-4)4.1.1运行阻力及其计算运行阻力分为基本阻力和附加阻力之分。电动车组运行时始终存在的阻力称为基本阻力，这是因为轮对轴承的摩擦、车轮与钢轨的摩擦和运行时的空气阻力等原因。而由于坡道、曲线和隧道等原因产生的，只有在特殊情况下才有的阻力称为附加阻力。运行阻力往往与电动车组的自重成正比，所以在制动计算中常常用单位车中的阻力来计算，称为单位阻力；相应的基本阻力与车自重之比称为单位基本阻力，用W0表示，单位N/t；附加阻力与车自重之比为单位附加阻力，比如Wi表示单位坡道阻力，Wr表示单位曲线阻力等，它们的单位均为N/t。1）基本阻力计算由于影响基本阻力的因素很多且极为复杂，在实际运用中很难用理论公式进行计算，通常按照大量的试验综合得出的经验公式进行计算。21、21型客车（）：W0=16.28+0.0736v+0.001521……(4-5)25B、25G型客车（）：W0=17.85+0.0981v+0.001422……(4-6)准高速单层客车（）W0=15.79+0.0392v+0.001853……(4-7)准高速双层客车（）W0=12.16+0.0343v+0.001540……(4-8)日本新干线0系电动车组：W0=11.77+0.1521v+0.001436……(4-9)日本新干线100系电动车组：W0=12.50+0.0160v+0.001449……(4-10)日本新干线0系电动车组：W0=11.54+0.1511v+0.000883……(4-11)法国TGV电动车组（2辆动车、8辆拖车）：W0=7.132+0.0785v+0.001450……(4-12)德国ICE电动车组（2辆动车、14辆拖车）W0=11.381+0.0520v+0.001177…(4-13)意大利ETR500电动车组：W0=5.984+0.1001v+0.001109……(4-14)2）附加阻力计算①坡道阻力其实就是电动车组在坡道上，因其重力沿坡道方向的分力。当电动车组上坡时，坡道阻力与电动车组的运行方向相反，阻力是正值；反之，坡道阻力是负值。显然坡道阻力的大小与坡道的坡度有很大的关系。坡度指的是坡道的终点对起点的高度差比上两点的距离，其值以千分数计，即：图2-2坡道阻力……………………(4-15)式中BC——标高差，单位为m；AB——坡道长度，单位为m。若是上坡道，其标高差为正值，故其坡度为正值；若为下坡道，其标高差为负值，故其坡度为负值。……………………(4-16)式中m——电动车组质量，单位t；单位坡道阻力（N/t）为………………(4-17)即有电动车组的单位坡道阻力在数值上等于坡度乘以重力加速度。②曲线阻力计算电动车组在进入曲线运行时车轮轮缘压向外轨产生滑动摩擦，车轮在轨面产生横向滑动，以及车辆心盘和旁承因转向架的转动而产生摩擦等。这样因摩擦磨损的增加而造成的阻力称为曲线阻力。曲线阻力与电动车组运行的速度、曲线的外轨超高及曲线半径等许多因素有关，难以用理论的方法推导，往往按大量试验得出的经验公式来计算。单位曲线阻力（N/t）是曲线半径的函数，其公式如下：…………………(4-18)式中R——曲线半径，单位m；A——用试验的方法测出的常数，我国的标准轨距A=700.当然各国也有差异，大约为450-800。③加算坡道单位阻力计算当坡道与曲线同时出现时，电动车组在该区段的单位附加阻力为单位坡道阻力加上单位曲线阻力。出于方便，常将单位曲线阻力看成相当的单位坡道阻力，并且与实际的单位坡道阻力相加，称为加算坡道单位阻力（N/t）,即…………………(4-19)其中………………(4-20)式中——加算坡道的坡度，。3）电动车组运行阻力计算电动车组运行阻力计算公式如下：………………(4-21)式中W0——基本阻力，单位N；Wj——附加阻力，单位N；m——电动车组质量，单位t。电动车组单位运行阻力（N/t）：4.1.2制动力和闸瓦力计算通过计算，算出最大闸瓦力F现在国内的编组以6节编组为多，叫常见的六节编组是4动2拖，排列形式是动-拖-动-动-拖-动，以二动一拖为一单元。有关技术参数如下：表3-1地铁技术参数项目参数最高运行速度120km/h常用的制动减速度1.0m/常用的制动冲击率小于紧急制动减速度1.2m/每辆拖车自重33t每辆动车自重38t载荷设计：工况——空载工况——拖车和动车均56位坐客，工况——除坐客外，站客，拖车、动车站立面积均42工况——超员情况，站客表3-2地铁工况车况工况T拖车M动车全列定员全列重量33.0t0人38.0t0人0人218t36.36t坐56人41.36t坐56人336人238.16t51.48t坐56人站252人56.48t坐56人站252人1848人328.88t59.04t坐56人站378人64.04t坐56人站378人2604人374.24t可知：在工况时，载重:自重1:10在工况时，载重:自重1:2在工况时，载重:自重1:1.4因此在制动力的设计中，乘客的数量是必须要计入的。轻轨地铁制动的设计要求比较精确，因此要将车辆的转动惯量考虑进去。根据有关资料提供，动车在此按其空载质量的14%考虑，拖车按其空载质量的9%考虑。作为初步设计，车组所需制动力在不同质量负载工况下，每辆动车、拖车的制动总负载如下：表3-3每辆动车、拖车总负载车况工况T拖车M动车3498043320383404668053460628006102069360在常用制动减速度1.0m/的要求下，每辆车所需要的制动力：每辆拖车：………………(4-20)每辆动车：………………(4-21)在常用制动减速度1.2m/的要求下，每辆车所需要的制动力：每辆拖车：……….(4-22)每辆动车：……….(4-23)每个车轮所需要承受的制动力为每车的1/8,根据资料，采用840mm的车轮，行车最高速度为120km/h,基础制动系统按单侧踏面制动设计，如图：图3-1单侧踏面知道那个设计，平均摩擦系数=0.25.在各种载荷下，每个车轮所需闸瓦力F如表：表3-4闸瓦力车辆制动载荷工况常用制动紧急制动拖车每轮动车每轮拖车每轮动车每轮174902166020988259921917023340230042800826730314003207637680305103468036612416164.2制动距离的计算制动距离是指电动车组在司机将制动控制器手柄置于制动位的瞬间至电动车组停车的时间内所走过的距离。制动距离是反应制动系统性能的重要指标。由于在实施制动时，动车组中各车辆的制动力产生的其实时间并不是完全同步的，尤其是制动力的上升也不可能同步。因此，从动车组开始制动到制动力上升到最大值是一个过程，不是瞬间完成的。如图3-2中实线所示。为了便于计算，我们常常假定动车组各车辆的制动力在制动开始后的某一瞬间同时产生并且立即达到最大值，如图3-2中虚线所示。这样动车组的制动距离分为两段：第一段是从实施制动开始到时间，图3-2动车组制动力的变化称为空走过程，称为空走时间，动车组在空走时间内所运行的距离称为空走距离；第二段从这个假设的瞬间开始到动车组停车，称为实制动过程，其经历的时间称为实制动时间，该过程动车组在实制动时间的过程中所运行的距离称为实制动距离。因此，制动时动车组的制动距离为……………………(4-24)上述制动距离计算是否准确，关键在于空走时间的确定，因此空走时间必须按制动距离等效的原则来确定，即实际的制动距离等于空走距离与实制动距离的和。4.2.1空走距离的计算根据上述假设，在空走过程中电动车组处于自由状态，处于无牵引力的工况，也没有制动力，但有运行阻力作用于动车组。在运行阻力的作用下，电动车组的速度人会发生变化。为了进一步简化运算，常常假定在空走过程中，电动车组的运行速度不变，运行阻力的影响用修正空走时间的方法解决。空走距离的计算公式可以简化如下：………(4-25)式中——制动初速，单位km/h；——空走时间，单位s。空走时间由理论很难推导出来，一般通过大量试验，根据制动距离等效的原则归纳出经验公式。比如以下经验公式（仅供参考）：旅客列车紧急制动：……………(4-26)旅客列车常用制动：……………(4-27)式中——加算坡道的坡度，r——列车管减压量，单位kPa；n——编组节数。4.2.2实制动距离的计算在实制动过程中，动车组在制动力、运行阻力的作用下，运行速度从降低到零。因此，实制动距离可以用下面的公式进行计算：……………(4-28)式中出现了1.06的因子，在制动力的计算中，为了简便我们忽略了回转质量，但回转质量实际上消耗了一部分的制动功率。一般车辆回转折算质量约为车辆实际质量的6%，因此，在实制动距离的计算中，以1.06作为车辆质量的修正系数，即用1.06倍的动车组的质量代替动车组的实际质量。式中：为制动力，为基本阻力，为附加阻力。第五章基础制动装置5.1PC7YF型踏面单元制动器原理图及原理1）缓解过程：当压缩空气进入弹簧制动器闸缸，弹簧制动器的活塞向前（向左方向）运动；此时安装在活塞内的双锥形弹簧受压缩，而安装在活塞中心线上的螺杆和螺套也因活塞的运动而向着停车制动杠杆运动，因为螺套与机壳的距离很小，所以螺套与机壳很快地相接触，从而螺套受到阻挡而停止向前。弹簧制动器活塞还有很大的运动距离，活塞继续向前，由于中间的螺杆是大螺距非自锁螺杆，故螺杆可在螺套内转动，从而继续前进，活塞继续压缩锥形弹簧。当弹簧压缩到位时，活塞停止前进。此时处于制动缓解状态。2）制动工程：当弹簧制动器闸缸排气时，在锥形弹簧的作用下，活塞后退（向缸底运动），镶嵌在活塞底部的弹簧盘将带着螺杆和螺套一同后退，最后使闸瓦在弹簧的弹力作用下紧贴在车轮踏面上。在这个过程中需要注意一个问题，为什么这个非自锁螺杆没有发生相对转动？这就要清楚这一部分的结构了，螺杆头部与弹簧盘之间存有一对锥形离合器，当弹簧盘带动螺杆后退时，这对锥形离合器就合上了，使得弹簧盘与螺杆之间不能发生相对转动；另一方面，弹簧盘与锥形弹簧是紧连接，故锥形弹簧不动转，弹簧盘便不转动，图4-1单元制动机示意图1-调整螺母；2-闸瓦；3-制动复位弹簧；4-常用制动缸；5-常用制动活塞；6-弹簧制动器活塞杆；7-弹簧制动器；8-弹簧制动器弹簧；9-紧急缓解拉环；10-停车制动杠杆；11-制动杠杆；12-闸瓦间隙调制器；13-皮腔；从而螺杆不会动；再看看锥形弹簧的另一端，锥形弹簧的另一端的弹簧盘套在闸缸盖上的导向管上，是属于动连接，且弹簧盘的外侧都装有平面推力轴承，因此个弹簧组件是可以灵活转动的。但在右端的弹簧盘带有一圈矩形齿，这时，安装在外壳上的定位销正好是插在矩形齿中，使得弹簧盘不能转动，这样整个弹簧组件都不能转动。所以当弹簧制动器闸缸排气时，活塞能带动螺杆后退，从而使杠杆运动，实现弹簧制动。1-调整螺母；2-闸瓦；3-制动复位弹簧；4-常用制动缸；5-常用制动活塞；6-弹簧制动器活塞杆；7-弹簧制动器；8-弹簧制动器弹簧；9-紧急缓解拉环；10-停车制动杠杆；11-制动杠杆；12-闸瓦间隙调制器；13-皮腔；3）人工缓解在进行检修作业时，缸体内是处于大气压状态，整个车辆是处于停车制动状态的，若需要移动车辆，则必须将停放制动释放才能移动车辆，这时可将插在弹簧盘矩形齿内的定位销用人工方式将其拔出，这样便可缓解弹簧制动。之前不能移动车辆，是因为弹簧组件不能转动，使得螺杆不能与螺套相对滑动，所以处于制动状态。现在将定位销拔去，使得整个弹簧组件可以转动，这时闸瓦在常用制动的活塞复位弹簧和扭簧的作用下，是两杠杆都有回复到缓解位的力，然而，停放制动的活塞螺杆又无自锁能力，螺套反而将推动螺杆旋转，从而使得杠杆能推动螺套向前运动，使制动得到缓解。5.2间隙调整器的工作原理在制动过程中，闸瓦与车轮踏面摩擦，因此存在磨损，随着磨损的加大，车轮踏面与闸瓦的距离不断加大。为了保证达到设计的制动功效，则必须使车轮踏面与闸瓦的距离保持一定的距离。间隙调整器就是起到这个作用。下图是间隙调整器的工作原理图。图4-2间隙调整器工作示意图1-吊杆；2-扭杆；3-活塞；4-常用制动复位弹簧；5-机壳；6-调节套筒；7-联合器套筒；8-非自锁螺杆；9-联合器螺母；10-滚针轴承；11-滚针轴承；12-皮腔；13-行程限位套；14-止挡环；15-调节弹簧；16-推力螺母；17-复位螺母；18-锥形联合器；19：闸瓦托；20-轴销；21-螺杆头；22-皮腔支持板未磨损状态①制动过程：跨在调节套筒6上，通过调节套筒6两侧的销轴带动调节套筒6一起向车轮方向运动（我们设这个方向为前进方向）。在前进过程中，在行程限位套筒13两侧设有两销轴，且此销轴镶嵌在调节套筒6两侧的壁长槽中，两销轴首先受到外壳止挡环14的阻挡，因此行程限位套筒13停止向前；而调整器的其他部件未受阻挡而继续前进，此时，行程限位套筒前端与推力螺母16相啮合的一副伞形离合器分开而其前端与套筒接触，联合器螺母9与联合器套筒7仍处于接触状态，这此，若闸瓦与车轮的间隙处于正常情况下，则闸瓦与车轮踏面紧贴。其制动力传递路线如下：杠杆拨叉→调节套筒→预紧力弹簧→联合器套筒→联合器螺母→螺杆→闸瓦托→闸瓦当制动缸继续增大压力且达到其要求的压力时，调节套筒继续前进，推力螺母前端面与调节套筒分离，推力螺母与调节套筒的锥形联合器合上，制动杠杆直接通过调节套筒和推力螺母将力传给螺杆，直到闸瓦与踏面之间的压力达到要求。其制动力传递路线如下：杠杆拨叉→调节套筒→推力螺母→螺杆→闸瓦托→闸瓦②缓解过程：当制动缓解时，在常用制动缸活塞弹簧与吊杆扭簧的作用下，活塞复位使制动杠杆又带着间隙调整器的调节套筒向后运动，此时推力螺母与调节套筒的锥形联合器分离，各部件的运动与制动是一个逆过程，直到恢复到制动前的状态，缓解完成。磨损状态①制动过程：前部分的运动与未磨损状态的运动相同，只是因闸瓦的磨损，此时闸瓦与车轮踏面仍有间隙，调节套筒还要继续前进，直至闸瓦与车轮踏面密贴并达到要求的压力。此时联合器套筒前端与限位套筒后端相碰而使联合器套筒受阻停止前进，螺杆在套筒、推力螺母的作用下继续前进，调整螺母随着螺杆前进并与联合器套筒的锥形离合器分开，但受到联合器套筒前端的带有滚针轴承的止挡环的阻挡而不能继续前进，当螺杆继续向前时，直到闸瓦与车轮踏面紧贴，并达到要求的压力，完成制动。这个过程使得调整螺母势必会与螺杆发生相对滑动，这是因为螺母与螺杆是非自锁传动，这就使得调整螺母在螺杆上的相对位置后移了，便使调整螺母与推力螺母之间的距离变大了。②缓解过程：这个过程与未磨损时的过程一样，只不过在缓解过程中，因螺杆相对于调整螺母移动了一段距离，故当推力螺母与调节套筒的锥形联合器分离时，推力螺母的伞形联合器没有合上，推力螺母可以绕螺杆转动。在调节弹簧的作用下，推力螺母发生转动，使推力螺母相对于螺杆后移，直到推力螺母的伞形联合器合上，推力螺母才停止转动。此时，推力螺母与调整螺母的距离又保持原来的大小。这两个螺母在螺杆上的位置都后移了，后移的距离就是闸瓦磨损的厚度。此时的状态是，在调节弹簧的作用下推力螺母的伞形联合器合上，在调整套筒的预紧弹簧作用下，联合器套筒与调整螺母的锥形离合器也合上，调整螺母与推力螺母都不能转动。这样，螺杆相对整个间隙调整器伸出了一段距离，大小等于闸瓦所磨损的厚度，这样便完成了一次补偿过程。5.3建立踏面单元制动器虚拟样机的模型虚拟样机是数字化产品模型在外观，功能和行为上以模拟真实的产品，它集成了相关工程领域的发展模式，利用虚拟样机代替物理样机的测试，分析和评估产品的性能，模拟产品的制造、维修和回收利用的整个生命周期的相关技术，在设计和实时的变化中以选择最优方案，及时发现问题。利用UG构建了单元制动机各零部件的三维模型,并完成虚拟装配。完成其结构设计以及完善。（1）间隙调制器间隙调制器在单元制动机的动作中占有很大的作用，主要起到的作用是补偿闸瓦的磨损。在设计的过程中，各个零件的制造精度高，表面质量也要达到要求的精度，这样才能保证各个零件能顺利起到各自的作用。各个零件间的相对运动小，比如联合器螺母的相对运动范围在1mm内。装配图及UG爆炸图如图所示：图4-3间隙调制器装配图1-非自锁螺杆；2-调节套筒后盖；3-调节套筒前盖；4-推力螺母；5-半圆头螺钉M3；6-调节弹簧；7-行程限位套；8-调节弹簧挡板；9-滚针轴承BK0408；10-调节螺母；11-联合器弹簧；12-联合器套筒；13-半圆头螺钉M2图4-4间隙调制器爆炸图（2）闸瓦及闸瓦托闸瓦是压紧车轮踏面的制动块，是直接与踏面进行接触摩擦的。闸瓦应有以下特点：摩擦系数高，受速度的影响小，对车轮踏面的伤害小，耐磨性能好，重量轻。闸瓦托，用于支撑闸瓦，其结构应使得重量轻，并且有一定的强度，刚性好，受力良好等特点，固定闸瓦稳定可靠。图4-5闸瓦图4-6闸瓦托（3）杠杆PC7FY型单元制动机具有停车制动的功能，故运用到两个杠杆，用于传力与增力。具有足够的强度，且结构应达到增力。两杠杆的设计都存在一定问题，需要解决。杠杆的结构应保证杠杆在制动过程中不会横向弯曲，骑跨在间隙调制器上的杠杆结构较另一杠杆结构复杂，且其横跨距离大，不易传力。图4-7上杠杆图4-8下杠杆（4）锥形弹簧组件螺杆与左弹簧盘形成一对锥形离合器，使得螺杆在与左弹簧盘压紧时，两者不会发生相对运动，从而能使停车制动有效。锥形弹簧与左右弹簧盘紧联接，三者不可相对转动，只能一个整体进行旋转，左右弹簧盘分别联有推力球轴承，推力球轴承的作用是使锥形弹簧组件旋转更容易，右弹簧盘设计成矩形齿，由紧急拉环卡住，使整个锥形弹簧组件不能旋转。而当要停车缓解时，则把紧急拉环拉开，锥形弹簧组件在弹簧弹力的作用下，可旋转，则螺杆不能通过导向杆传递力，故无制动力。如图：图4-9锥形弹簧组件（5）单元制动机虚拟装配图4-10单元制动机装配图5.4踏面单元制动器的维修出于单元制动机直接关系到列车运行的安全，所以对制动机的维修要求是比较高的。（1）清洗作业1）可以用化学清洗剂对制动机的金属部件进行清洗，使用的清洗剂应该在不同的温度下都能保持较好的清洗和除油性能。最好在70-80清洗，因为在这个范围内清洗的效果比较好，清洗完成后，必须立即用压缩空气吹干。2）橡胶件和塑料件必须全部更换。3）在保持外表面干燥的前提下，用钢丝刷除去外表面上的锈迹和附着物。（2）检查与修理在把所有部件清洗完成后，首先进行的是目测检查。及时更换损坏的零件，比如裂纹、严重腐蚀或者螺纹变形等等。其中必须要更换的部件如下：垫片、六角螺母、软管夹、簧环、O型圈、皮腔、环、弹簧垫片、干燥轴衬、止动螺栓、轴衬、密封环、外包装、挡圈、滑块、过滤器、轴衬、弹簧