城市轨道交通车辆司机控制器设计说明.docx

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城市轨道交通车辆司机控制器设计说明

毕业设计说明书

课题名称：

城市轨道交通车辆司机控制器

二级院校铁道牵引与动力学院

班级

学生姓名

指导老师

完成日期2013.12

2014届毕业设计任务书

一、课题名称：

城市轨道交通车辆司机控制器

二、指导老师：

三、设计内容与要求：

1、课题概述：

更多还原司机控制器是用来操纵地铁车辆运行的主令控制器，是利用控制电路的低压电器间接控制主电路的电气设备。

我国的机车司机控制器自工业革命时代起已经历了近200年的发展历程。

在这200年里,司机控制器对机车的主导作用从未发生过任何改变。

因此一直以来,对于司机控制器的研究也从未间断过。

从控制手柄的操作方式对司机控制器予以分类,介绍了近年来国内常用的几种形式的司机控制器及其优缺点,并进行对比研究,以探讨司机控制器未来的发展方向和趋势。

2、设计内容及要求：

1）分析S355E司机控制器的结构组成

2）分析S355E司机控制器的工作原理

（1）控制功能及机械联锁关系

（2）闭合表的实现

（3）电位器的调节

3）主要技术参数

4）检修与维护

3、设计课题的特点与目的：

特点与目的：

通过本课题，能够提高学生所学专业知识并结合具体情况解决实际问题能力。

本次课题队以后工作内容非常有帮助，有些会成为工作的一部分。

4、设计成果：

详细的分析了3种驾驶员控制器的结构域工作原理，熟悉驾驶员控制器检修的过程

4、设计参考书：

城市轨道交通车辆电器人民交通出版社主编吴冰

5、设计说明书要求：

1、封面

2、目录

3、内容摘要（200—400字左右，中英文）

4、引言

5、正文（设计课题，内容要求，设计方案，原理分析，设计过程特点）

6、结束语

7、附录（参考文献、图纸、材料清单等）

6、毕业设计进程安排:

第1周（本阶段末）：

课题的消化与吸收，明确设计要求，初步构思。

第2-5周（暑假）：

资料准备与消化，收集论文所需的资料（电子稿）。

第6-8周（下阶段1-3教学周）：

学生进行毕业设计说明书初稿的撰写，老师进行毕要的辅导。

第9周（下阶段4教学周）：

学生提交毕业设计说明书初稿，老师进行修改。

第10周（下阶段5教学周）：

毕业设计说明书的第二次修改。

第11周（下阶段6教学周）：

完成毕业设计说明书终稿。

第12周（下阶段7教学周）：

答辩准备。

第13-14周（下阶段8-9教学周）：

答辩。

七、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，内容包括课题的任务、目的和意义，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。

2、毕业设计论文要求

文字要求:

说明书要求打印（除图纸外），不能手写。

文字通顺，语言流畅，排版合理，无错别字，不允许抄袭。

图纸要求:

按工程制图标准制图，图面整洁，布局合理，线条粗细均匀，圆弧连接光滑，尺寸标注规范，文字注释必须使用工程字书写。

曲线图表要求：

所有曲线、图表、线路图、程序框图、示意图等不准用徒手画，必须按国家规定的标准或工程要求绘制。

摘要

司机控制器是用来操纵轨道车辆运行的主令控制器，是利用控制电路的低压电器间接控制主电路的电气设备。

司机控制器自工业革命时代起已经历了近200年的发展历程。

在这200年里，司机控制器对机车的主导作用从未发生过任何改变。

因此一直以来，对于司机控制器的研究也从未间断过。

本文主要针对S355E型司机控制器、TKS14A型司机控制器、TKS15A型司机控制器这三种司机控制器的结构、工作原理、主要技术参数等方面的内容进行了详细介绍，并介绍了部分司机控制器检修维护方面的工程内容。

希望从理论和实践多方面对司机控制器进行详细了解，为今后的工作奠定一定的知识基础。

关键词：

轨道车辆S355E型司机控制器TKS14A型司机控制器TKS15A型司机控制器

ABSTRACT

Thedrivercontrolleristhemaincontrollerusedtocontrolofsubwayoperation,isanelectricaldeviceusinglowvoltageelectricalcontrolcircuitofindirectcontrolofthemaincircuit.ThelocomotivedrivercontrollerofChinahasgonethroughnearly200yearsofdevelopmentsincetheeraofindustrialrevolution.Inthis200years,theleadingroleoflocomotivedrivercontrollerhasneverhadanychanges.Ithasbeen,forthestudyofdrivercontrollerhasneverstopped.Thispapermainlyintroduces3kindsofdrivercontroller:

S355Etypeofdrivercontroller,TKS14Bcontroller,driverSS9Gdrivercontroller'sstructure,workingprinciple,mainparametersandmaintenance.

Keywords:

cityrailvehicle;S355Edrivercontroller;TKS14Bdrivercontroller;SS9Gdrivercontroller

引言

自1814年英国工程师斯蒂芬森发明了第一辆机车以来，司机控制器——这种人叮以直接控制机车行驶的机器便随之发展到今天。

随着科技的进步，机车经历了从蒸汽机车到内燃机车，从内燃机车到电力机车、动车、地铁列车等的不断发展，但是，司机控制器从来不曾改变它对机车行驶主导的控制地位。

今天，司机控制器的种类越来越繁多，功能越来越强大，结构越来越精巧，其可靠性、安全性、司机操作时的舒适度也大幅度提高。

作为可直接控制机车行驶的主令电器，司机控制器的重要性愈来愈受到机车设计者、机车司机等专业人群的关注。

在司机控制器近年的发展中，其操作模式基本上没有什么变化。

按控制手柄的操作方式，可分为手轮式、扳把式、平推式等三种；按换向手柄的功能，可分为钥匙式和非钥匙式两种；从司机控制器是否有机械锁机构，可分为有锁机构式和无锁机构式两种；从是否具有警惕装置，可分为有警惕装（De．admanSwitch）和无警惕装置。

当然，上述几种操作模式也可能同时出现在一台司机控制器上。

比如，一台司机控制器既是扳把形式，又有警惕装置，还有锁机构等等。

我国城市轨道交通车辆大部分采用A-B-C-C-B-A的编组模式，在A车的前端各有一个驾驶员室，在每个驾驶员室内各有一台结构完全相同的驾驶员控制器，以便于双端操作。

司机控制器是用来操纵列车运行的主令控制器，是利用控制电路的低压电器间接控制主电路的电气设备。

因此，如果司机控制器出问题了，后果是不堪设想的。

第1章司机控制器的发展

在司机控制器近年的发展中，其操作模式基本上没有什么变化。

按控制手柄的操作方式，可分为手轮式、扳把式、平推式等三种；按换向手柄的功能，可分为钥匙式和非钥匙式两种；从司机控制器是否有机械锁机构，可分为有锁机构式和无锁机构式两种；从是否具有警惕装置，可分为有警惕装（De．admanSwitch）和无警惕装置。

当然，上述几种操作模式也可能同时出现在一台司机控制器上。

比如，一台司机控制器既是扳把形式，又有警惕装置，还有锁机构等等。

本章主要是对国内的常用的司控器加以介绍。

1.1手轮式司机控制器

顾名思义，手轮式司机控制器的控制手柄是以“手轮”的形式存在的（见图1-1）。

这种司机控制器最大的优势是：

便于无级输出信号，输出信号的变化非常平稳可靠；没有齿轮传动，因传动而造成的误差几乎为零；控制手轮转动角度很大，可以细致地分割档位。

但是，因为“手轮”的存在，使得司机控制器的外观并不美观，且该司机控制器比较笨重，结构较松散，所需空间较大，对机车操纵台的空间要求较高。

另外，如果该司机控制器需要有电位器进行电压输出，限于司机控制器内部空间的因素，电位器不容易加装和调整。

因此，这种司机控制器主要用于内燃机车。

其主要使用机车车型有DFl1系列、DRB等。

图1-1手轮式司机控制器

1.2扳把式司机控制器

这种司机控制器的控制手柄是“扳把式”（见图1-2），其结构紧凑、体积小巧，操作舒适方便。

但是，由于控制手柄是扳把式，其转动角度有限，故不能更为细致地分割档位，且扳把式控制手柄的转动是在垂直方向上的一个扇形面，想要达到纯粹的无级调速是比较困难的。

另外，在需要无级调速的情况下，该控制手柄的稳定性比较难保证。

该类型司机控制器使用范围非常广泛，主要使用机车车型为：

规范化司机室DF4D、DF8B、DFll、SS3B、SS4G、SS7E、SS9等。

图1-2扳把式司机控制器

1.3平推式司机控制器

其控制手柄的操作方式为平动（见图1-3），即控制手柄进行速度控制是以直线形式动作的。

这种形式的司机控制器在现阶段是比较新颖的。

它可以稳定地进行无级凋速，司机在进行操作时非常舒适方便。

但是由于这种司机控制器的传动方式为齿轮齿条结构，所需空间非常大，因而造成该司机控制器的体积较大、质量较重、结构较复杂、制造成本较高。

平推式司机控制器主要用于轻轨和地铁列车上。

图1-3平推式司机控制器

1.4钥匙式和非钥匙式司机控制器

换向手柄为钥匙式和非钥匙式的司机控制器如图4、图5所示。

一般来讲，为保证机车的行车安全，非钥匙式换向手柄的司机控制器一定会有机械锁机构。

这两种司机控制器的最大区别是：

换向手柄为钥匙式的司机控制器，换向手柄是呵以取下来的，在机车停运或者换端操作时，司机必须将该端的司机控制器换向手柄取下来才可以停运或换端操作。

这对于机车的行车安全是非常有必要的。

非钥匙式换向手柄司机控制器的换向手柄不能取下来，这就导致r该司机控制器必须另有—套机械锁机构才能保证机车的行车安全。

一般来讲，非钥匙式换向手柄司机控制器的结构相对钥匙式司机控制器会复杂一些。

这两种司机控制器的用途都非常广泛，目前在铁路干线上行驶的机车主要使用的是钥匙式换向手柄司机控制器。

图1-4匙式换向手柄司机控制器及钥匙式换向手柄

图1-5非钥匙式换向手柄司机控制器

1.5有警惕按钮的司机控制器

随着铁路的发展和科技的进步，对机车的安全性能要求越来越高，由此产生了带有警惕装置的司机控制器。

警惕装置的作用是防止司机在行车过程中因为睡觉或不在司机室而发生行车事故。

有警惕装置的司机控制器（见图1-6）要求司机在行车过程中必须每隔一段时间触动警惕装置，以表明没有睡觉或者离开；如果在规定时间间隔内没有触动警惕装置，则机车会进行紧急制动，以避免事故的发生。

这种司机控制器是未来的一个发展方向。

现阶段，这种配备警惕装置的司机控制器冈造价较高，尚未广泛应用在铁路机车上。

该司机控制器广泛应用于对安全性能要求很严格的地铁和轻轨列车上。

图1-6有警惕开关的司机控制器

1.6小结

本章主要是简要的介绍了司机控制器按控制手柄的操作方式，可分为手轮式、扳把式、平推式等三种；按换向手柄的功能，可分为钥匙式和非钥匙式两种；从司机控制器是否有机械锁机构，可分为有锁机构式和无锁机构式两种；从是否具有警惕装置，可分为有警惕装（De．admanSwitch）和无警惕装置。

当然，上述几种操作模式也可能同时出现在一台司机控制器上。

比如，一台司机控制器既是扳把形式，又有警惕装置，还有锁机构等等。

城轨交通上的司机控制器大多数都是出自德国的沙尔特宝公司。

在下面的章节里，我会详细的介绍。

第2章城轨车辆司机控制器

城市轨道交通车辆司机控制器是司机用来操纵机车运行的主令控制器，是利用控制电路的低压电器间接控制主电路的电气设备，用来控制机车的运用工况和行车速度，其外形和功能特点决定了司机室整体安装、操作舒适性及特殊功能性。

目前，在国内城市轨道交通车辆中配备的司机控制器种类较多，其外观、操作模式及功能存在较大差异，但应用范围最广、配备数量最多的为S355型、S353型及S354A型司机控制器。

本章主要针对S355E型司机控制器结构、主要参数，工作原理，以及检修方面。

2.1S355E型司机控制器的结构

S355E型驾驶员控制室属于凸轮和辅助触头配合实现触点开闭控制的有触点电器。

该控制器由上、中、下三层组成（图2-1和图2-2），上层（面板上）由钥匙开关1、推拉式控制手柄3、方向手柄5、紧急制动按钮4和位置标牌等组成。

中层由安装面板组成。

下层主要由连锁结构、转轴凸轮结构、辅助触头盒、调速电位器和电连接器等组成。

图2-1驾驶员控制器结构（尺寸单元：

mm）

1-钥匙开关；2-钢丝绳；3-控制手柄；4-警惕开关；5-方向手柄；6-换向轴；7-换向凸轮；

8-控制轴；9-控制凸轮；10-控制辅助触头组；11-换向辅助触头组；12-电连接器；13-钥匙开关辅助触头组

图2-2司机控制器左视图和右视图

a）方向手柄；b）控制手柄

控制手柄和方向手柄各配置一套转轴、凸轮和辅助触头装置，分别称它们为控制轴机构和方向轴机构。

控制轴机构包括与控制手柄连接的控制轴8及其安装在该轴上的控制凸轮9、控制辅助触头组10等。

方向轴机构包括与方向手柄连接的换向轴6及其安装在该轴上的换向凸轮7、换向辅助触头组11等。

其中控制轴是一个实心细长轴，作内轴；换向轴是一根空心粗短轴，套在实心轴的外层，其配套凸轮分别套在两根轴上，手柄的转动便可带动相应的轴及凸轮转动，从而带动辅助触头开闭状态的变换。

2.2S355E型司机控制器的工作原理

2.2.1控制功能及机械连锁关系

图2-3司机控制器手柄位置图

如图2-3所示，控制手柄有“牵引”区、“0”位、“制动”区、“快速制动”位四个区域，用于调节列车的速度。

控制手柄在0位、牵引最大位、制动最大位、快速制动位有定位，在这些档位之间为无极调节。

左侧为方向手柄，连接换向轴，用于控制车辆的运行方式及运行方向，共有“ATC”、“向前”、“0”、“向后”四个位置，这四个位置有机械联锁装置定位。

钥匙开关有0、1两个位置，用于激活驾驶员操纵台。

为了防止可能产生的误操作，确保列车设备及运行安全，驾驶员控制室的控制手柄、幻想手柄和机械锁之间有机械联锁。

在使用时，先由钥匙开关打开机械锁，才能对控制手柄和换向手柄进行操作。

当操纵列车时，先将钥匙开关打到“1”位，再由方向手柄选定列车的行车方向，再操作控制手柄来控制列车的速度。

在行车过程中，如需要改变列车的工况时，必须先将控制手柄放回“0”位后，才可进行方向手柄的操作。

如果驾驶员需要进行异端操作时，必须将本端驾驶员控制器的控制手柄置“0”位，换向手柄“0”位，钥匙开关回“0”位，锁闭机械锁，拔出钥匙，方可进行异端操作。

在列车的惰行期间，如果方式方向手柄移动到其他位置，牵引控制单元中牵引指令将失效，将启动紧急制动。

S355E型驾驶员控制器的钥匙开关、控制手柄盒方向手柄之间的联锁关系如下。

（1）钥匙开关在“0”位时，控制手柄和方向手柄均锁定在“0”位不动；反之，只有控制手柄和方向手柄均在“0”位时，钥匙开关才可由“0”位打到“1”位。

（2）钥匙开关在“1”位，控制手柄和方向手柄可进行操作，但控制手柄和方向手柄之间还存在以下互锁关系：

①方向手柄在“0”位，控制手柄被锁在“0”位不动。

②方向手柄在“前”位时，控制手柄可在“牵引”和“制动”区域范围内活动。

③方向手柄在“后”位时，启动列车手动折返模式。

④方向手柄在“ATC”位时，启动列车自动驾驶模式。

⑤控制手柄在“牵引”区、“制动”区或“最大制动”位时，方向手柄不能进行位置转换，只有控制手柄在“0”时，方向手柄才可在“前”位、“后位”和“ATC”位之间转换。

上述机械联锁要求由机械联锁装置来实现。

2.2.2闭合表的实现

电逻辑即闭合表的要求由控制轴、换向轴、辅助触头盒及电连接来实现。

当推动控制手柄时，通过齿轮传动带动控制轴转动，轴上的凸轮随之转动，当凸轮的凸起位置转动到辅助触头盒的杠杆位置时，杠杆受到凸轮凸起部分的挤压而将与其连接的动触头顶开，此时使该触头盒的常开或常闭状态发生变化，从而使与该辅助触头盒相连接的控制线路得失电的状态发生变化；反之当凸轮凸起部分转到无凸起的地方时，由于触头盒自身恢复弹簧的作用，辅助触头盒的触点复原，从而使与该辅助触头盒相连接的控制线路得失电的状态恢复原样。

基于此原理，可根据电路原理图上驾驶员控制器各控制线路得失电的情况，在控制轴和换向轴上布置相应的凸轮凸起部分，如图2-4所示为某车型的驾驶员控制器方向轴的闭合表，图上ATC、F、O、R为方向手柄的四个位置，S10~S16为受方向轴凸轮控制的7个辅助触头，辅助触头下的长条块表示凸轮的凸起位置。

如图2-4可知，手柄在“ATC”位时，将使S10、S11、S12、S15、S16辅助触头状态发生变化；当手柄在“F”位时，将使S10、S11、S12、S15辅助触头状态发生变化；当手柄在“R”位时，将使S10、S11、S13、S14辅助触头状态发生变化。

图2-4S355E型司机控制器方向手柄闭合表

2.2.3电位器的调节

控制手柄的调速主要是通过调节电位器电阻的大小来实现的。

其工作原理参见图2-5，其中的电阻R代表的是“牵引”区域或“制动”区域的单边电阻，两边的结构以“0”位为中心对称。

两个电位器的公共端接地，另一端经限流电阻接+15V直流电源，滑动端随控制手柄转动而转动，从而改变滑动端和15V电源端之间的电压，如图1-3所示，这三点电位信号由X2-2、X2-3、X2-5输出到控制主机，控制主机根据这一电压信号判断控制手柄的几位设定值。

图2-5调速点位器原理图

2.3主要技术参数

（1）触头S826a/L额定电压

①额定电压（Ue）：

DC110V；

②约定发热电流（Ith）：

DC10A；

③额定电流（Ie）：

DC1.0A

（2）触头特点

①接点位速动型；

②密封式结构；

③接点具有自净功能，可提高用作计算机信号时的可靠性；

（3）电位器特性

①输出电位器型号为：

FSGPW702X1043Ω；

②独立线性度：

1.0%；

③输出平滑性：

≤0.1%；

④绝缘电压：

500VAC，50Hz；

⑤工作温度范围：

—55~+80℃；

⑥额定功耗：

6W（25℃）；

⑦电位器输出值。

输出电压：

15VDC；

0位：

3VDC±0.1VDC

牵引最大位：

8.3VDC±0.15VDC

制动最大位：

8VDC±0.1VDC

快速制动：

8.3VDC±0.15VDC

（4）手柄操作力

调速手柄操作力：

不大于35N

换向手柄操作力：

不大于25N

注：

调速手柄从制动最大位转到“快制”位时手柄操作力为40N±10N

（5）防护等级（污染等级3）

整机：

TP00；

触头S826a/：

IP00（接线部分）；IP40（触点部分）。

（6）寿命

机械寿命＞1×106；

电寿命＞1×105。

（7）质量

质量约10kg

2.4小结

S355E型司机控制器是出自德国的沙尔特宝公司。

上文中，我详细的介绍了它的结构、工作原理、以及主要参数。

S355E型司机控制器是由上、中、下三层组成。

它是属于凸轮和辅助触头配合实现触点开闭控制的有触点电器。

第3章TKS14A型和TKS15A型司机控制器

3.1TKS14A型司机控制器

一、主要技术参数

额定电压………………………………………………………………DC110V

额定电流流……………………………………………………………………5A

触头开距……………………………………………………两断点之和≥4mm

触头超程………………………………………………………………0.5～1mm

触头终压力……………………………………………………………2×1.0N

手柄操作力………………………………………………………………≯50N

二、TKS14A型司机控制器的结构

TKSl4A型司机控制器（见图3-1）由上、中上、中下、下4层构成，各层之间由钢板隔开，并由六方支柱支撑；上层（面板上）主要有手轮1、手柄2；中上层主要为机械联锁装置，包括作为联锁用的凸轮组3、4及定位用的凸轮组5；中下层包括作为控制用以实现电逻辑要求的凸轮架6和安装在其上的凸轮块7以及辅助触头盒8；下层主要有电位器9及接线插座10。

该控制器左右两侧装有主轴11和换向轴12，其中主轴用于调节机车的速度，换向轴用于控制机车的运行状态及方向。

电位器9固定在主轴上，它为塑料导电膜电位器。

辅助触头盒8的接触元件为双断点桥式常闭型结构，具有自润滑功能。

在该型控制器的面板上还安装有一警惕按钮13。

根据触头闭合表的需要，主轴自“0”位开始可顺时针方向或逆时针方向各转动150。

顺时针方向0°～15°区域为“0”位区，司机控制器无输出（即电位器2、3端电压约为0V），15°～150°区域为“牵引”区域。

逆时针方向0°一15°区域也为“0”位区，在此区域内，司机控制器无输出，15°～150°区域为“制动”区域。

手轮可在“牵引”区域或“制动”区域内操纵主轴转动，由此改变电位器上“2”、“3”端输出电压的大小，该电压又作为机车电路的指令来决定电机的转速，最终达到调节机车速度的目的。

换向轴共有“后”、“0”、“制”、“前”、“Ⅰ”、“Ⅱ”、“Ⅲ”7个位置。

这7个位置由机械联锁装置中定位凸轮来定位。

主轴上装有10层凸轮架，其中有5层为备用层，另5层凸轮架上根据闭合表的要求装有相应的凸轮块。

凸轮架上有凸轮的地方则形成凸缘，无凸轮块的地方形成凹槽。

而辅助触头盒的安装能满足如下要求：

当主轴转动到凸缘与辅助触头盒的杠杆同一位置时，该辅助触头盒的触点断开，而当主轴转动到凹槽对准辅助触头盒的杠杆时，辅助触头盒的触点闭合（不动作）。

换向轴上情况类似，不同的是其备用层只有3层，凸轮块的位置应符合换向轴闭合表要求。

图3-1（a）TKS14A型司机控制器总装图

1-手轮；2-手柄；3-凸轮；4-凸轮；5-定位凸轮；6-凸轮架；7-凸轮块；8-辅助触头盒；

9-电位器；10-插座；1l-主轴；12-换向轴；13-警惕按钮；14-锁柱

图3-1（b）TKSl4A型司机控制器辅助触头及闭合表

三、TKSl4A型司机控制器原理

（一）机械联锁关系

司机借助手轮及手柄来实现对控制器的操作。

手轮是固定的，而手柄为可取式（钥匙式），利用面板上限位器的缺口来保证手柄只有在换向轴处于“0”位时，才能插入或取出。

手柄同时又是调车控制器（TKSl5A）的手柄。

同时，利用调车控制器面板上限位器的缺口来保证：

只有当主轴处于“取”位时，手柄才能插入或取出。

这样，整台机车的主司机控制器和调车控制器共用一个活动手柄，从而保证了机车在运行中，司机只能操作一台司机控制器，其余3台均被锁在“0”位或“取”位，不致引起电路指令发生混乱。

为了防止可能产生的误操作，确保机车设