城市軌道交通車輛液壓制動(dòng)系統(tǒng)泄漏在線診斷與密封優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

關(guān)鍵詞：城市軌道交通車輛；液壓制動(dòng)系統(tǒng)；泄漏；密封設(shè)計(jì)；有限元分析中圖分類號(hào)：U270.35文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1671-0797（2025）16-0067-05D0I：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.16.018

0 引言

城市軌道交通車輛的制動(dòng)系統(tǒng)是確保行車安全的關(guān)鍵子系統(tǒng)，液壓制動(dòng)系統(tǒng)因其制動(dòng)功率大、重量輕、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)在現(xiàn)代有軌電車、磁浮列車等城市軌道交通車輛中得到廣泛應(yīng)用。然而，液壓制動(dòng)系統(tǒng)一旦發(fā)生泄漏，將會(huì)產(chǎn)生諸多嚴(yán)重后果。一方面，泄漏會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)液壓油的損失，使得制動(dòng)系統(tǒng)壓力下降，影響制動(dòng)夾鉗的正常動(dòng)作，從而延長(zhǎng)制動(dòng)距離甚至導(dǎo)致制動(dòng)失效，危及行車安全；另一方面，液壓油泄漏還可能污染環(huán)境，增加維護(hù)成本，影響車輛正常運(yùn)營(yíng)。

液壓制動(dòng)系統(tǒng)的工作介質(zhì)是不可壓縮的液壓油，液壓油泄漏會(huì)直接影響系統(tǒng)的容積效率和壓力傳遞，進(jìn)而影響制動(dòng)性能；而空氣制動(dòng)系統(tǒng)的空氣泄漏通常不會(huì)像液壓油泄漏那樣迅速導(dǎo)致系統(tǒng)壓力大幅下降。并且液壓油泄漏會(huì)使油箱中油量持續(xù)下降，液壓油不足時(shí)將無(wú)法維持系統(tǒng)壓力需求，而空氣泄漏可以通過(guò)空壓機(jī)補(bǔ)風(fēng)來(lái)維持系統(tǒng)壓力。因此，與空氣制動(dòng)系統(tǒng)相比，液壓制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)泄漏更為敏感。

1 液壓制動(dòng)系統(tǒng)介紹

液壓制動(dòng)系統(tǒng)主要組成包括電子制動(dòng)控制單元、液壓控制單元、蓄能器、液壓夾鉗、輔助緩解裝置等。根據(jù)制動(dòng)力的施加方式，液壓制動(dòng)系統(tǒng)通常分為液壓被動(dòng)式彈簧制動(dòng)系統(tǒng)和液壓主動(dòng)式盤(pán)式制動(dòng)系統(tǒng)2。國(guó)內(nèi)某四模塊現(xiàn)代有軌電車平臺(tái)的3節(jié)動(dòng)車采用了液壓被動(dòng)式彈簧制動(dòng)系統(tǒng)，1節(jié)拖車采用了液壓主動(dòng)式盤(pán)式制動(dòng)系統(tǒng)，制動(dòng)系統(tǒng)原理如圖1所示。

制動(dòng)工作過(guò)程可概括為以下四階段：1）壓力產(chǎn)生：液壓控制單元將液壓油從油箱泵入蓄能器；2）壓力控制：液壓控制單元根據(jù)電子制動(dòng)控制單元或硬線控制指令輸出對(duì)應(yīng)的油壓；3）壓力傳遞：油壓通過(guò)液壓管道從液壓控制單元傳遞到液壓夾鉗；4）制動(dòng)力執(zhí)行：液壓夾鉗在油壓的作用下夾緊制動(dòng)盤(pán)并輸出對(duì)應(yīng)的制動(dòng)力。在液壓制動(dòng)系統(tǒng)整個(gè)工作過(guò)程中，液壓油作為能量傳遞與壓力調(diào)控的核心載體，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

2 泄漏現(xiàn)象及原因分析

液壓制動(dòng)系統(tǒng)利用液壓油作為工作介質(zhì)，當(dāng)發(fā)生泄漏時(shí)，會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)油液的流失，使得液壓系統(tǒng)的工作壓力難以維持在正常水平，一旦發(fā)生泄漏未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)及處理，很容易引發(fā)嚴(yán)重的行車安全事故。液壓制動(dòng)系統(tǒng)泄漏主要分為內(nèi)部泄漏和外部泄漏。

2.1 內(nèi)部泄漏現(xiàn)象及原因

液壓制動(dòng)系統(tǒng)中的內(nèi)部泄漏主要發(fā)生在液壓控制單元內(nèi)。液壓控制單元內(nèi)部包括泵、液壓閥、傳感器等液壓元件，液壓閥的閥芯與閥體之間存在一定的配合間隙，在高壓液壓油的作用下，液壓油可能通過(guò)這些間隙泄漏；同時(shí)液壓元件和液壓塊之間通過(guò)密封圈密封，密封圈密封失效時(shí)也會(huì)出現(xiàn)泄漏。內(nèi)部泄漏的原因包括：1）閥芯與閥體的加工精度和表面質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，導(dǎo)致配合間隙過(guò)大；2）長(zhǎng)期使用過(guò)程中，閥芯與閥體之間的磨損加劇，使間隙逐漸增大；3）液壓油中的雜質(zhì)進(jìn)入間隙，劃傷密封表面，破壞密封性能；4橡膠密封圈老化。

圖1四模塊有軌電車制動(dòng)系統(tǒng)原理圖

2.2 外部泄漏現(xiàn)象及原因

外部泄漏是指液壓油從液壓系統(tǒng)與外界環(huán)境的連接處泄漏出來(lái)，常見(jiàn)的有液壓?jiǎn)卧耐饷芊馓?、整車管路的管接頭、液壓夾鉗的外密封處等，如圖2所示。外部泄漏的原因包括：1管路連接處的管接頭預(yù)緊力不足、密封圈損壞；2液壓控制單元的堵頭密封圈和油箱密封圈老化、變形或損壞；3）液壓夾鉗的油缸密封圈和接頭密封圈老化、變形或損壞；4）頻繁充油和卸油產(chǎn)生的壓力沖擊；5）車輛在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)和沖擊。

3 泄漏在線診斷

液壓油泄漏的主要特征參數(shù)為壓力下降和流量增大，可以利用壓力下降的特征參數(shù)設(shè)計(jì)一種泄漏在線診斷方法。

3.1 泄漏在線診斷原理

有軌電車的動(dòng)車因?yàn)椴捎昧艘簤罕粍?dòng)式彈簧制動(dòng)系統(tǒng)，在行車時(shí)液壓制動(dòng)管路中需長(zhǎng)期充油確保車輛緩解，長(zhǎng)時(shí)間的充油工作過(guò)程中一旦出現(xiàn)泄漏很容易導(dǎo)致制動(dòng)不緩解，影響列車正常運(yùn)行。針對(duì)充油緩解時(shí)比例閥具有較大的內(nèi)部泄漏，采用保壓電磁閥遮斷比例閥回油口后的在線保壓測(cè)試方法進(jìn)行泄漏診斷，如圖3所示。具體步驟如下：1將液壓回路中的比例閥得電打開(kāi)，蓄能器的液壓油通過(guò)比例閥向被動(dòng)式液壓夾鉗制動(dòng)缸充油；2）通過(guò)保壓電磁閥得電將比例閥的回油口遮斷，使液壓油在液壓回路中形成一個(gè)封閉的空間；3）在充油緩解工況下，對(duì)封閉空間內(nèi)的油壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)時(shí)如果存在泄漏，封閉空間內(nèi)的液壓油壓力會(huì)隨著時(shí)間的推移而逐漸下降。

圖2液壓制動(dòng)系統(tǒng)常見(jiàn)泄漏現(xiàn)象

3.2 泄漏診斷門檻設(shè)計(jì)

為了確保在線診斷方法的有效性和可靠性，需要設(shè)計(jì)合適的泄漏門檻。通過(guò)對(duì)大量實(shí)際泄漏數(shù)據(jù)的分析和模擬實(shí)驗(yàn)研究，確定一個(gè)合理的壓力下降閾值作為泄漏門檻，當(dāng)監(jiān)測(cè)到的液壓油壓力下降超過(guò)該閾值時(shí)，判定存在泄漏故障并及時(shí)報(bào)出故障；而當(dāng)壓力下降低于閾值時(shí)，則認(rèn)為系統(tǒng)處于正常狀態(tài)，避免誤報(bào)故障。

圖3泄漏診斷液壓原理圖

3.3 實(shí)車驗(yàn)證數(shù)據(jù)

在國(guó)內(nèi)某四模塊現(xiàn)代有軌電車液壓制動(dòng)系統(tǒng)中，前期初設(shè)的泄漏門檻條件因未考慮比例閥動(dòng)作時(shí)的影響多次出現(xiàn)誤報(bào)故障，針對(duì)該問(wèn)題開(kāi)展了反復(fù)試驗(yàn)和驗(yàn)證，優(yōu)化了保壓電磁閥和比例閥的控制策略，將泄漏門檻條件設(shè)定為：保壓電磁閥得電且?jiàn)A鉗制動(dòng)缸壓力小于76bar （7.6MPa） 并持續(xù) 150ms 或者是在牽引或惰行時(shí)，觸發(fā)保壓電磁閥連續(xù)得電和失電循環(huán)3次及以上。這一門檻既能有效檢測(cè)出真實(shí)的泄漏，又能在比例閥失電對(duì)系統(tǒng)壓力產(chǎn)生擾動(dòng)時(shí)保持穩(wěn)定，不產(chǎn)生誤報(bào)。如圖4所示，在泄漏發(fā)生前，向制動(dòng)缸充油緩解時(shí)，比例閥先得電，保壓電磁閥后得電，制動(dòng)缸壓力迅速上升至蓄能器壓力，然后比例閥失電，制動(dòng)缸能維持之前的壓力并保持穩(wěn)定；在泄漏發(fā)生時(shí)，同樣是比例閥先得電，保壓電磁閥后得電，制動(dòng)缸壓力迅速上升至蓄能器壓力，但在比例閥失電時(shí)制動(dòng)缸壓力迅速掉落，無(wú)法維持之前的壓力，觸發(fā)泄漏故障的診斷條件，同時(shí)導(dǎo)向保壓電磁閥失電，比例閥得電補(bǔ)償制動(dòng)缸壓力。

4基于密封優(yōu)化設(shè)計(jì)的泄漏防治

針對(duì)泄漏問(wèn)題，在液壓制動(dòng)系統(tǒng)的全生命周期中，密封性能的保障需要從設(shè)計(jì)、制造、安裝到維護(hù)多個(gè)環(huán)節(jié)全方位把控。1設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)應(yīng)充分考量密封性能，依據(jù)系統(tǒng)不同部位的密封需求合理選擇密封元件類型、尺寸及材料，為后續(xù)制造、安裝與維護(hù)奠定良好基礎(chǔ)。2制造環(huán)節(jié)要嚴(yán)格把控密封元件安裝面的加工精度。3）安裝環(huán)節(jié)要根據(jù)正確的工藝流程進(jìn)行安裝，確保管路連接和元件密封牢靠，完成后進(jìn)行嚴(yán)格的泄漏測(cè)試。4）維護(hù)環(huán)節(jié)需定期檢查密封狀況，定期檢測(cè)更換液壓油，制定合理的密封元件更換計(jì)劃。各環(huán)節(jié)緊密相連、相輔相成，其中設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)作為密封保障的源頭至關(guān)重要，以下通過(guò)一個(gè)實(shí)例說(shuō)明密封優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和過(guò)程。

圖4泄漏在線診斷數(shù)據(jù)曲線

4.1 優(yōu)化前泄漏原因分析

在國(guó)內(nèi)某四模塊現(xiàn)代有軌電車液壓制動(dòng)系統(tǒng)中，出現(xiàn)多次液壓控制單元濾芯堵頭漏油現(xiàn)象，經(jīng)拆解分析發(fā)現(xiàn)故障原因?yàn)椋簽V芯長(zhǎng)度尺寸偏大和濾芯密封圈線徑尺寸過(guò)大，導(dǎo)致濾芯密封圈被擠壓到濾芯底部，影響堵頭密封圈的壓縮量，當(dāng)堵頭密封圈的壓縮量不夠時(shí)，堵頭密封圈的密封性能不足，在壓力沖擊下發(fā)生密封失效，同時(shí)濾芯密封圈因壓縮擠壓填充率超過(guò) 100% 也出現(xiàn)了損壞，如圖5所示。

圖6濾芯和堵頭密封圈安裝示意圖

4.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟

1）分析安裝尺寸鏈。濾芯和堵頭密封圈的安裝尺寸鏈關(guān)系如圖6所示，濾芯密封圈和堵頭密封圈在濾芯安裝方向的可壓縮尺寸之和為A-B-C，因?yàn)榘惭b孔深度尺寸A、濾芯長(zhǎng)度尺寸B、堵頭長(zhǎng)度尺寸 C 均難以更改，為保證堵頭密封圈可靠壓縮，考慮對(duì)濾芯密封圈的線徑尺寸 D 進(jìn)行優(yōu)化。

2）確定優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)?？紤]安裝孔深度尺寸A、濾芯長(zhǎng)度尺寸B、堵頭長(zhǎng)度尺寸C的尺寸偏差影響，基于靜密封O形圈尺寸設(shè)計(jì)原則和方法，確保優(yōu)化后的濾芯密封圈安裝后壓縮率為 15%～30% ，填充率為70%～90% 。

3）結(jié)合理論計(jì)算和有限元分析開(kāi)展優(yōu)化設(shè)計(jì)?？紤]到濾芯密封圈安裝在濾芯底部的倒角上，通過(guò)理論計(jì)算難以獲得準(zhǔn)確的壓縮率和填充率，所以結(jié)合有限元仿真方法3開(kāi)展對(duì)比分析，其中密封圈材料采用超彈性材料模型。首先對(duì)原尺寸濾芯密封圈進(jìn)行模擬壓縮仿真分析，結(jié)果顯示填充率超過(guò) 100% ，密封圈被擠入濾芯底部，如圖7所示，仿真結(jié)果和實(shí)際情況一致，內(nèi)圈產(chǎn)生永久變形；其次對(duì)比不同尺寸濾芯密封圈在極限尺寸下的壓縮狀態(tài)，仿真結(jié)果如圖8所示；最后根據(jù)優(yōu)化結(jié)果計(jì)算壓縮率和填充率，結(jié)果如表1所示。

圖7優(yōu)化前濾芯密封圈仿真結(jié)果

圖8不同線徑濾芯密封圈仿真結(jié)果對(duì)比

表1濾芯密封圈尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

4.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

基于以上分析，根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)，將密封圈線徑尺寸 D 由 2.44mm 優(yōu)化為 1.9mm ，如圖9所示，然后進(jìn)行了安裝驗(yàn)證和疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果正常，未再出現(xiàn)泄漏。同時(shí)，優(yōu)化后的密封圈在后續(xù)裝車運(yùn)用中未再出現(xiàn)濾芯堵頭漏油現(xiàn)象。

5 結(jié)束語(yǔ)

城市軌道交通車輛液壓制動(dòng)系統(tǒng)的泄漏問(wèn)題是一個(gè)復(fù)雜且關(guān)鍵的工程問(wèn)題，其對(duì)行車安全和車輛的正常運(yùn)營(yíng)有著重要影響。綜上所述，通過(guò)深入研究液壓制動(dòng)系統(tǒng)泄漏的影響、現(xiàn)象及原因，提出了一種泄漏在線診斷方法和密封優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，為泄漏的診斷和防治提供了理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。未來(lái)需要持續(xù)改進(jìn)泄漏診斷方法和密封技術(shù)，更好地保障車輛安全穩(wěn)定運(yùn)行，助力城市軌道交通發(fā)展。

圖9優(yōu)化后的密封圈

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