城市轨道交通车辆液压制动系统泄漏在线诊断与 密封优化设计研究

0引言

城市轨道交通车辆的制动系统是确保行车安全的关键子系统,液压制动系统因其制动功率大、重量轻、响应快等优点在现代有轨电车、磁浮列车等城市轨道交通车辆中得到广泛应用。然而,液压制动系统一旦发生泄漏,将会产生诸多严重后果。一方面,泄漏会导致制动液压油的损失,使得制动系统压力下降,影响制动夹钳的正常动作,从而延长制动距离甚至导致制动失效,危及行车安全;另一方面,液压油泄漏还可能污染环境,增加维护成本,影响车辆正常运营。

液压制动系统的工作介质是不可压缩的液压油,液压油泄漏会直接影响系统的容积效率和压力传递,进而影响制动性能;而空气制动系统的空气泄漏通常不会像液压油泄漏那样迅速导致系统压力大幅下降。并且液压油泄漏会使油箱中油量持续下降,液压油不足时将无法维持系统压力需求,而空气泄漏可以通过空压机补风来维持系统压力[1]。因此,与空气制动系统相比,液压制动系统对泄漏更为敏感。

1液压制动系统介绍

液压制动系统主要组成包括电子制动控制单元、液压控制单元、蓄能器、液压夹钳、辅助缓解装置等。根据制动力的施加方式,液压制动系统通常分为液压被动式弹簧制动系统和液压主动式盘式制动系统[2]。国内某四模块现代有轨电车平台的3节动车采用了液压被动式弹簧制动系统,1节拖车采用了液压主动式盘式制动系统,制动系统原理如图1所示。

制动工作过程可概括为以下四阶段:1)压力产生:液压控制单元将液压油从油箱泵入蓄能器;2)压力控制:液压控制单元根据电子制动控制单元或硬线控制指令输出对应的油压;3)压力传递:油压通过液压管道从液压控制单元传递到液压夹钳;4)制动力执行:液压夹钳在油压的作用下夹紧制动盘并输出对应的制动力。在液压制动系统整个工作过程中,液压油作为能量传递与压力调控的核心载体,发挥着至关重要的作用。

2泄漏现象及原因分析

液压制动系统利用液压油作为工作介质,当发生泄漏时,会导致制动油液的流失,使得液压系统的工作压力难以维持在正常水平,一旦发生泄漏未能及时发现及处理,很容易引发严重的行车安全事故。液压制动系统泄漏主要分为内部泄漏和外部泄漏。

2.1 内部泄漏现象及原因

液压制动系统中的内部泄漏主要发生在液压控制单元内。液压控制单元内部包括泵、液压阀、传感器等液压元件,液压阀的阀芯与阀体之间存在__定的配合间隙,在高压液压油的作用下,液压油可能通过这些间隙泄漏;同时液压元件和液压块之间通过密封圈密封,密封圈密封失效时也会出现泄漏。内部泄漏的原因包括:1)阀芯与阀体的加工精度和表面质量不达标,导致配合间隙过大;2)长期使用过程中,阀芯与阀体之间的磨损加剧,使间隙逐渐增大;3)液压油中的杂质进入间隙,划伤密封表面,破坏密封性能;4)橡胶密封圈老化。

2.2外部泄漏现象及原因

外部泄漏是指液压油从液压系统与外界环境的连接处泄漏出来,常见的有液压单元的外密封处、整车管路的管接头、液压夹钳的外密封处等,如图2所示。外部泄漏的原因包括:1)管路连接处的管接头预紧力不足、密封圈损坏;2)液压控制单元的堵头密封圈和油箱密封圈老化、变形或损坏;3)液压夹钳的油缸密封圈和接头密封圈老化、变形或损坏;4)频繁充油和卸油产生的压力冲击;5)车辆在运行过程中产生的振动和冲击。

3泄漏在线诊断

液压油泄漏的主要特征参数为压力下降和流量增大,可以利用压力下降的特征参数设计一种泄漏在线诊断方法。

3.1泄漏在线诊断原理

有轨电车的动车因为采用了液压被动式弹簧制动系统,在行车时液压制动管路中需长期充油确保车辆缓解,长时间的充油工作过程中一旦出现泄漏很容易导致制动不缓解,影响列车正常运行。针对充油缓解时比例阀具有较大的内部泄漏,采用保压电磁阀遮断比例阀回油口后的在线保压测试方法进行泄漏诊断,如图3所示。具体步骤如下:1)将液压回路中的比例阀得电打开,蓄能器的液压油通过比例阀向被动式液压夹钳制动缸充油;2)通过保压电磁阀得电将比例阀的回油口遮断,使液压油在液压回路中形成一个封闭的空间;3)在充油缓解工况下,对封闭空间内的油压进行监测。监测时如果存在泄漏,封闭空间内的液压油压力会随着时间的推移而逐渐下降。

3.2泄漏诊断门槛设计

为了确保在线诊断方法的有效性和可靠性,需要设计合适的泄漏门槛。通过对大量实际泄漏数据的分析和模拟实验研究,确定一个合理的压力下降阈值作为泄漏门槛,当监测到的液压油压力下降超过该阈值时,判定存在泄漏故障并及时报出故障;而当压力下降低于阈值时,则认为系统处于正常状态,避免误报故障。

3.3 实车验证数据

在国内某四模块现代有轨电车液压制动系统中,前期初设的泄漏门槛条件因未考虑比例阀动作时的影响多次出现误报故障,针对该问题开展了反复试验和验证,优化了保压电磁阀和比例阀的控制策略,将泄漏门槛条件设定为:保压电磁阀得电且夹钳制动缸压力小于76 bar(7.6 Mpa)并持续150 ms;或者是在牵引或惰行时,触发保压电磁阀连续得电和失电循环3次及以上。这一门槛既能有效检测出真实的泄漏,又能在比例阀失电对系统压力产生扰动时保持稳定,不产生误报。如图4所示,在泄漏发生前,向制动缸充油缓解时,比例阀先得电,保压电磁阀后得电,制动缸压力迅速上升至蓄能器压力,然后比例阀失电,制动缸能维持之前的压力并保持稳定;在泄漏发生时,同样是比例阀先得电,保压电磁阀后得电,制动缸压力迅速上升至蓄能器压力,但在比例阀失电时制动缸压力迅速掉落,无法维持之前的压力,触发泄漏故障的诊断条件,同时导向保压电磁阀失电,比例阀得电补偿制动缸压力。

4基于密封优化设计的泄漏防治

针对泄漏问题,在液压制动系统的全生命周期中,密封性能的保障需要从设计、制造、安装到维护多个环节全方位把控。1)设计环节应充分考量密封性能,依据系统不同部位的密封需求合理选择密封元件类型、尺寸及材料,为后续制造、安装与维护奠定良好基础。2)制造环节要严格把控密封元件安装面的加工精度。3)安装环节要根据正确的工艺流程进行安装,确保管路连接和元件密封牢靠,完成后进行严格的泄漏测试。4)维护环节需定期检查密封状况,定期检测更换液压油,制定合理的密封元件更换计划。各环节紧密相连、相辅相成,其中设计环节作为密封保障的源头至关重要,以下通过一个实例说明密封优化设计方法和过程。

4.1优化前泄漏原因分析

在国内某四模块现代有轨电车液压制动系统中,出现多次液压控制单元滤芯堵头漏油现象,经拆解分析发现故障原因为:滤芯长度尺寸偏大和滤芯密封圈线径尺寸过大,导致滤芯密封圈被挤压到滤芯底部,影响堵头密封圈的压缩量,当堵头密封圈的压缩量不够时,堵头密封圈的密封性能不足,在压力冲击下发生密封失效,同时滤芯密封圈因压缩挤压填充率超过100%也出现了损坏,如图5所示。

4.2优化设计步骤

1)分析安装尺寸链。滤芯和堵头密封圈的安装尺寸链关系如图6所示,滤芯密封圈和堵头密封圈在滤芯安装方向的可压缩尺寸之和为A—B—C,因为安装孔深度尺寸A、滤芯长度尺寸B、堵头长度尺寸C均难以更改,为保证堵头密封圈可靠压缩,考虑对滤芯密封圈的线径尺寸D进行优化。

2)确定优化设计目标。考虑安装孔深度尺寸A、滤芯长度尺寸B、堵头长度尺寸C的尺寸偏差影响,基于静密封0形圈尺寸设计原则和方法,确保优化后的滤芯密封圈安装后压缩率为15%~30%,填充率为70%~90%。

3)结合理论计算和有限元分析开展优化设计。考虑到滤芯密封圈安装在滤芯底部的倒角上,通过理论计算难以获得准确的压缩率和填充率,所以结合有限元仿真方法[3]开展对比分析,其中密封圈材料采用超弹性材料模型。首先对原尺寸滤芯密封圈进行模拟压缩仿真分析,结果显示填充率超过100%,密封圈被挤入滤芯底部,如图7所示,仿真结果和实际情况一致,内圈产生永久变形;其次对比不同尺寸滤芯密封圈在极限尺寸下的压缩状态,仿真结果如图8所示;最后根据优化结果计算压缩率和填充率,结果如表1所示。

4.3优化设计结果

基于以上分析,根据优化设计目标,将密封圈线径尺寸D由2.44 mm优化为1.9 mm,如图9所示,然后进行了安装验证和疲劳试验,试验结果正常,未再出现泄漏。同时,优化后的密封圈在后续装车运用中未再出现滤芯堵头漏油现象。

5 结束语

城市轨道交通车辆液压制动系统的泄漏问题是一个复杂且关键的工程问题,其对行车安全和车辆的正常运营有着重要影响。综上所述,通过深入研究

液压制动系统泄漏的影响、现象及原因,提出了一种泄漏在线诊断方法和密封优化设计方法,为泄漏的诊断和防治提供了理论基础和实践经验。未来需要持续改进泄漏诊断方法和密封技术,更好地保障车辆安全稳定运行,助力城市轨道交通发展。

[参考文献]

[1]朱海燕,张涛.HXD1机车空气管路泄漏检测方法研究[J].铁道机车车辆,2013,33(4):83-87.

[2] 曾春军,刘德学,李杰,等.自主化五模块储能低地板有轨电车制动系统设计[J].机电信息,2020(12):94-96.

[3] 王菁.ANSYSWorkbench有限元分析从入门到精通 (2022版)[M].北京:机械工业出版社,2022.

《机电信息》2025年第16期第18篇