低地板現(xiàn)代有軌電車被動液壓制動系統(tǒng)設(shè)計與分析

劉德學(xué) 曾春軍 李杰 武小平

摘要：簡要介紹了低地板現(xiàn)代有軌電車制動系統(tǒng)的特點，根據(jù)被動液壓制動系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，具體分析了電子制動控制單元、被動電液控制單元、輔助緩解裝置、被動制動夾鉗、制動盤與閘片的主要功能及原理，為今后液壓制動系統(tǒng)的研發(fā)提供參考。

關(guān)鍵詞：有軌電車;制動系統(tǒng);電液控制單元;液壓制動夾鉗單元

0 引言

低地板現(xiàn)代有軌電車是一種中等運能、設(shè)計新穎、環(huán)境友好、節(jié)約資源的城市軌道交通裝備，具有乘客上下車方便、外形靚麗等優(yōu)點，已成為城市中低運量交通系統(tǒng)的主要選擇。低地板現(xiàn)代有軌電車通常采用100%低地板結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其車下空間更加緊湊，其中液壓制動系統(tǒng)以其結(jié)構(gòu)緊湊、制動力強、后期維護相對簡單等特點，廣泛應(yīng)用于100%低地板現(xiàn)代有軌電車上。

1 被動液壓制動系統(tǒng)

低地板現(xiàn)代有軌電車的液壓制動系統(tǒng)包括被動液壓制動系統(tǒng)和主動液壓制動系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)的配置和需求，被動液壓制動系統(tǒng)主要用于動力車上，是液壓制動系統(tǒng)的重要組成部分。被動液壓制動系統(tǒng)由電子制動控制單元（EBCU）、被動電液控制單元、被動制動夾鉗、制動盤片、輔助緩解裝置等主要部件組成。

2 電子制動控制單元

2.1 ? ?EBCU硬件

電子制動控制單元根據(jù)車輛安裝空間需求，采用符合IEC 60297-3標(biāo)準(zhǔn)的3U插箱，EBCU對外接口全部采用前出線方式，控制板、通信板和預(yù)留板上的所有處理器通過機箱背板上的CAN總線進行通信。這種通信方式減少了背板總線布線數(shù)量，便于實現(xiàn)控制板的冗余和擴展設(shè)置。EBCU硬件功能框圖如圖1所示。

2.2 ? ?EBCU控制軟件

EBCU控制軟件是整個制動系統(tǒng)軟件的核心，采用keil4開發(fā)工具進行開發(fā)，實現(xiàn)與硬件接口、外部接口的交互。軟件分為驅(qū)動模塊、業(yè)務(wù)模塊和應(yīng)用模塊3種。其中，驅(qū)動模塊主要負(fù)責(zé)對底層硬件的操作，與業(yè)務(wù)模塊通過若干中間變量進行交互;業(yè)務(wù)模塊用于中間變量的處理和基本控制邏輯的實現(xiàn)，與應(yīng)用模塊通過函數(shù)進行調(diào)用;應(yīng)用模塊用于人機接口、高級控制邏輯、用戶自定義邏輯的實現(xiàn)。EBCU控制軟件框架如圖2所示。

3 被動電液控制單元

被動電液控制單元接受司控器控制指令、外部緊急指令或強迫緩解指令，采用比例閉環(huán)控制技術(shù)輸出相應(yīng)的油壓，實現(xiàn)對被動制動夾鉗制動、緩解的精確控制。被動液壓制動系統(tǒng)管路原理如圖3所示。

3.1 ? ?油壓的產(chǎn)生

如圖3所示，直流電機得電驅(qū)動齒輪泵輸送液壓油，液壓油通過過濾器1、單向閥，將液壓油存儲在蓄能器中。過濾器1的作用是防止油箱中油液雜質(zhì)進入液壓閥塊管路中;單向閥的作用是使油液只能按圖示向上流動而不能反向流動。蓄能器存儲高壓液壓油，是為了避免直流電機和齒輪泵的頻繁啟動，作為輔助源為系統(tǒng)供油。限壓閥1的作用是當(dāng)液壓閥塊內(nèi)部油壓超過設(shè)計規(guī)定值時，限壓閥開啟，使系統(tǒng)內(nèi)的壓力降低，起到類似安全閥的作用。手動閥可通過手動操作將蓄能器油壓降至0 MPa。

3.2 ? ?油壓控制

壓力比例閥是被動電液控制單元的關(guān)鍵部件，可將電信號（如制動級位指令）成比例地轉(zhuǎn)換為油壓輸出。改變壓力比例閥的輸入電流可以改變被動制動夾鉗的緩解壓力。當(dāng)壓力比例閥輸入最大電流時，夾鉗施加最大油壓，此時夾鉗完全緩解。關(guān)閉輸入電流使得夾鉗內(nèi)油液回流至油箱，從而在制動盤上施加最大的制動力。

電磁閥2常得電，壓力比例閥輸送的油壓通過電磁閥2、過濾器2傳送至夾鉗。在安全制動時電磁閥2失電，夾鉗排油制動，油液通過過濾器2、電磁閥2、限壓閥2回流至油箱中。過濾器2可防止回流油液雜質(zhì)進入電液控制單元。

電磁閥1常失電，用于壓力比例閥調(diào)節(jié)油壓時動態(tài)油液回流至油箱中。

3.3 ? ?油壓檢測

測試接頭1、測試接頭2用于故障檢測時，測試系統(tǒng)油壓和夾鉗油壓;壓力傳感器1、壓力傳感器2用于監(jiān)測系統(tǒng)油壓和夾鉗油壓。

4 輔助緩解裝置

如圖3所示，輔助緩解裝置由輔助緩解單元與手動泵組成。每節(jié)動車配置一個輔助緩解單元，同時每列車在司機室配置一個手動泵。當(dāng)被動電液控制單元發(fā)生故障時，通過手動泵和輔助緩解單元實現(xiàn)被動制動夾鉗的緩解，并將緩解信號通過壓力開關(guān)送至列車控制單元（VCU）。

5 被動制動夾鉗

被動制動夾鉗采用浮動結(jié)構(gòu)安裝在動車轉(zhuǎn)向架上，如圖4所示，其采用碟簧蓄能原理，充油緩解，排油制動，將存儲的碟簧能量根據(jù)EBCU制動指令的要求施加到制動盤上，從而產(chǎn)生制動與緩解作用。被動制動夾鉗主要由制動杠桿、閘片、鉗體、滑移軸等零部件組成，被動制動夾鉗內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。其工作時主要包括以下3種狀態(tài)。

5.1 ? ?制動狀態(tài)

制動力由制動缸體內(nèi)的7片碟簧對合組合產(chǎn)生，彈簧力通過絲桿作用在制動杠桿上，制動杠桿通過壓塊將彈簧力傳遞給閘片，隨后作用在制動盤上。在反作用力作用下，鉗體被移動，另一側(cè)制動閘片壓緊制動盤，整個制動過程中，鉗體和浮動閘片被移動。

5.2 ? ?緩解狀態(tài)

向常用緩解注油口注入液壓油時，液壓油推動常用活塞，常用活塞帶動彈簧座壓縮碟簧，克服碟簧的彈簧力。同時，緩解活塞帶動閘調(diào)螺母往回退，閘調(diào)螺母回退過程中帶動絲桿，從而緩解閘片上的壓力，實現(xiàn)夾鉗的制動緩解功能。常用緩解功能由司控器控制被動電液控制單元，實現(xiàn)向被動制動夾鉗注油，產(chǎn)生緩解作用，緩解全列車的被動制動夾鉗。

向輔助緩解注油口注入液壓油時，液壓油推動輔助活塞，隨后帶動常用活塞，常用活塞繼而帶動彈簧座。同理，后續(xù)動作過程與常用緩解相同。輔助緩解功能通常應(yīng)用于故障救援，需手動泵向輔助緩解單元油路注油，產(chǎn)生緩解作用，緩解單節(jié)車的所有被動制動夾鉗。被動制動夾鉗采用雙油路緩解設(shè)計，常用緩解或輔助緩解油路有一路得到緩解，制動夾鉗就得到緩解。

5.3 ? ?手動機械緩解狀態(tài)

為防止車輛在正常緩解（即向常用緩解及輔助緩解注油口注油）發(fā)生異常時，導(dǎo)致被動制動夾鉗無法緩解，需采用手動機械緩解方式。首先，將被動制動夾鉗上的鎖位板卸下，然后擰下球頭上的防塵蓋，通過棘輪套筒扳手將壓蓋六方擰松，即可實現(xiàn)手動機械緩解。該功能通常應(yīng)用于更換閘片后的間隙調(diào)整及正常緩解發(fā)生異常時，且手動機械緩解只能緩解單個制動夾鉗，一般不用于電車的正常運營。

6 制動盤與閘片

制動盤與制動閘片是被動液壓制動系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，制動盤的安裝既要保證與車輪有足夠的聯(lián)接強度、剛度，又要適應(yīng)制動過程中制動盤與閘片摩擦升溫引起的變形。制動盤由制動盤、定位銷、螺栓、防松墊圈等主要零件組成，采用整體輪裝式制動盤，設(shè)置有3組定位銷、12個均布的緊固螺栓。

制動盤采用鑄鐵材質(zhì)制作，配有機車用合成閘片組成摩擦副，制動盤結(jié)構(gòu)如圖6所示。

7 結(jié)語

液壓制動系統(tǒng)是低地板現(xiàn)代有軌電車的核心系統(tǒng)之一，對其運行的可靠性、安全性要求較高。本文通過對某型低地板現(xiàn)代有軌電車的被動液壓制動系統(tǒng)組成、工作原理及典型功能進行了分析，為今后相關(guān)車型液壓制動系統(tǒng)的研發(fā)工作提供了參考。

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收稿日期：2020-09-02

作者簡介：劉德學(xué)（1982—），男，湖南湘潭人，碩士，高級工程師，從事軌道交通制動系統(tǒng)研發(fā)工作。