地鐵車輛踏面制動單元漏氣分析及對策

陳 旭

（交控科技股份有限公司 交控研究院，北京 100070）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，越來越多的城市開始興建城市軌道交通以緩解城區(qū)擁擠的交通狀況。其中，地鐵車輛作為最合適的交通工具被大多數(shù)城市接受并使用。但是對于剛開通運(yùn)營的城市來說，運(yùn)營初期部分車輛需要長時(shí)間停放在停車庫內(nèi)，長時(shí)間的停放會導(dǎo)致車輛總風(fēng)持續(xù)降低直至總風(fēng)排空。如果此時(shí)使用車輛，則需要啟動空壓機(jī)對車輛進(jìn)行充風(fēng)，使車輛總風(fēng)壓力建立起來，能夠?qū)⒒A(chǔ)制動單元的停放制動予以緩解，車輛才能被牽引。

針對某條線路的地鐵車輛在停放較長時(shí)間后，空壓機(jī)啟動后總風(fēng)壓力持續(xù)偏低的現(xiàn)象進(jìn)行分析，找出問題所在，并給出相關(guān)建議措施，避免后期此類故障影響車輛的使用效率。

1 車輛制動系統(tǒng)配置

通常制動系統(tǒng)會配置模塊Ⅰ—制動控制模塊；模塊Ⅱ—輔助控制模塊；模塊Ⅲ—基礎(chǔ)制動設(shè)備，具體部分設(shè)備管路配置如圖1所示。模塊Ⅰ負(fù)責(zé)制動力的分配和輸出以及空氣簧壓力采集和輸出；模塊Ⅱ用于制動控制的輔助；模塊Ⅲ負(fù)責(zé)具體制動功能的執(zhí)行。相關(guān)控制原理及過程在文獻(xiàn)[1-4]中有具體闡述。

2 踏面制動單元

某項(xiàng)目根據(jù)地鐵車輛B型車設(shè)計(jì)平臺，踏面制動單元與轉(zhuǎn)向架的接口方式進(jìn)行了適應(yīng)性改變（如圖2所示），但其內(nèi)部關(guān)鍵原理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并沒有改變。根據(jù)轉(zhuǎn)向架參數(shù)（輪對縱向位移量）及安裝空間確定的踏面制動單元?jiǎng)幼鲄?shù)如表1所示。

制動系統(tǒng)所配置的PEC7型踏面制動單元有兩種類型，分別為僅有常用制動缸的踏面制動單元及帶有停放制動的踏面制動單元。該型踏面制動單元廣泛使用在全球軌道交通車輛上，經(jīng)歷了長期實(shí)際運(yùn)營的考驗(yàn)，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及性能得到了充分驗(yàn)證。

3 問題發(fā)現(xiàn)及解決

3.1 問題發(fā)現(xiàn)

某條新線列車在庫內(nèi)停放一段時(shí)間后需要恢復(fù)使用時(shí)，由于列車管路系統(tǒng)內(nèi)沒有壓縮空氣，兩臺空壓機(jī)連續(xù)工作但管路系統(tǒng)壓力仍維持100 kPa以下，造成列車不能投入正常運(yùn)營影響。檢查后發(fā)現(xiàn)列車帶停放制動缸的踏面制動單元（后面簡稱TBU）在常用缸底部呼吸嘴處出現(xiàn)漏風(fēng)現(xiàn)象，而且發(fā)生這種漏風(fēng)情況的基本都集中在帶有停放制動缸的TBU上。

從現(xiàn)場出現(xiàn)的踏面制動單元漏風(fēng)情況來看，可以知道：

（1）所有不帶停放制動的TBU沒有漏風(fēng)；

（2）幾乎所有帶停放缸的TBU都有漏風(fēng)，且僅在常用缸底部呼吸嘴處；

（3）出現(xiàn)泄漏時(shí)的系統(tǒng)風(fēng)壓持續(xù)低于100 kPa；

（4）停放制動處于施加狀態(tài)（本TBU停放制動緩解至少需要470 kPa的壓縮空氣）；

（5）常用缸內(nèi)的風(fēng)壓不足100 kPa（因?yàn)榇藭r(shí)系統(tǒng)風(fēng)壓低，列車處于緊急制動狀態(tài)，系統(tǒng)風(fēng)壓將通過制動風(fēng)缸、EP2002閥的2/3號口進(jìn)入常用制動缸）。

表1 踏面制動單元性能數(shù)據(jù)

圖2 踏面制動單元

3.2 問題分析

針對TBU的漏氣現(xiàn)象，分析其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及各子部件動作原理，找出具體漏氣的原因。圖3為僅有常用制動和帶停放功能的兩種TBU的結(jié)構(gòu)圖。

從圖3可以看出，車輛施加常用制動時(shí)，壓縮空氣通過常用制動缸的進(jìn)氣口進(jìn)入常用缸內(nèi)推動氣缸活塞移動，活塞底部連接一個(gè)漸開線外形的扇形塊，活塞移動帶動扇形塊的轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動的扇形塊帶動間隙調(diào)整器上的萬向節(jié)移動，移動的萬向節(jié)在接觸到間隙調(diào)整器后帶動其移動進(jìn)而推動閘瓦托球頭移動，最終使得閘瓦托在壓縮空氣的作用下向車輪踏面靠近使閘瓦作用在踏面上，形成停車的制動力。

對于帶停放功能的TBU，由于常用制動缸和停放制動缸整合在一起，停放缸中控制停放施加緩解的停放頂桿會隨著常用缸活塞的移動而移動，當(dāng)停放頂桿移動到最下端（圖中位置），頂桿上的螺紋和固定在停放缸內(nèi)的螺紋咬合鎖死，停放缸內(nèi)的壓縮空氣被排出，停放制動施加，車輛無法動車。當(dāng)需要移動車輛時(shí)則需要緩解停放制動，此時(shí)需要往停放缸內(nèi)充入至少470 kPa的壓縮空氣才能緩解。

從圖3和圖4可以看出，在常用缸活塞周圍有一圈用于密封的K型密封圈，可以防止常用制動缸內(nèi)壓縮空氣泄露。結(jié)合發(fā)現(xiàn)漏氣的地點(diǎn)在常用缸的呼吸嘴處，由此可以推斷是K型密封圈密封不好導(dǎo)致常用缸內(nèi)的壓縮空氣泄露并通過呼吸嘴排除。

在車輛正常停放時(shí)，停放制動缸內(nèi)的壓縮空氣將通過停放電磁閥及EP2002閥制動缸管而被排入大氣（此為防止常用制動與停放制動疊加作用的功能），此時(shí)停放缸內(nèi)的推桿將升出并頂住常用缸活塞頂部的圓弧面而產(chǎn)生部分停放制動力（此時(shí)停放缸內(nèi)壓力與常用缸內(nèi)壓力相同）；此時(shí)常用缸內(nèi)仍有相當(dāng)壓縮空氣。因此，常用缸活塞K型密封圈仍能保持正常密封性能；隨著列車停放時(shí)間的增加，因空氣管路正常泄漏（包括TBU密封圈正常泄漏）的存在，系統(tǒng)壓力會逐步下降，在系統(tǒng)壓力下降至常用缸正常工作壓力前，TBU內(nèi)的狀態(tài)與停放初期的狀態(tài)并沒有變化。

圖3 踏面制動單元結(jié)構(gòu)原理圖

圖4 K型密封圈位置結(jié)構(gòu)圖

隨著列車停放時(shí)間的進(jìn)一步增加，此時(shí)系統(tǒng)壓力已經(jīng)開始低于停放初期的常用缸壓力，因此常用缸及停放缸內(nèi)（兩個(gè)缸經(jīng)防疊加功能管路而聯(lián)通）的壓力也同步下降，停放缸的推桿將進(jìn)一步推壓常用缸活塞（雖然制動閘瓦仍處于壓縮車輪狀態(tài)，但常用缸內(nèi)的壓縮空氣的壓力逐步下降直至排空），常用缸活塞處于相對較大傾斜的狀態(tài)，同時(shí)常用缸活塞K型密封圈在停放缸推桿（豎直向下）及閘瓦托反力（水平方向）作用下使其中一側(cè)（遠(yuǎn)離閘瓦托）壓緊，而使另一側(cè)（靠近閘瓦托）的K型密封圈處于相對松弛狀態(tài)。

K型密封圈在上面所描述的狀態(tài)下持續(xù)時(shí)間相對較長，如果再考慮到外界環(huán)境溫度相對較低，則K型密封圈將處于一種不完全密貼制動缸內(nèi)壁的狀態(tài)。在上面描述的狀態(tài)下，如果啟動空壓機(jī)工作，則系統(tǒng)內(nèi)的壓縮空氣將直接通過EP2002閥再通過常用缸（帶停放制動功能）K型密封圈及常用缸呼吸嘴而排出大氣，從而使系統(tǒng)風(fēng)壓持續(xù)維持在較低壓力（現(xiàn)場出現(xiàn)的不高于100 kPa情況）。

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

針對上述分析，對于此項(xiàng)點(diǎn)在專門的試驗(yàn)臺上進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)時(shí)，將停放制動施加至閘瓦托伸出量為12 mm（與問題車輛用TBU相同），然后在此負(fù)荷下進(jìn)行常用缸充風(fēng)試驗(yàn)，壓力從30 kPa開始以5 kPa的幅度逐步增壓至120 kPa，每一步均進(jìn)行肥皂水測常用缸呼吸嘴處的泄漏，在整個(gè)過程中均沒有出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。

圖5 帶停放功能TBU常用缸呼吸嘴漏氣試驗(yàn)

通過上述分析可知，帶停放功能TBU常用缸呼吸嘴漏風(fēng)的直接原因就是常用缸活塞K型密封圈（如圖4圈內(nèi)部分所示）密封不牢，從而使充入常用缸的壓縮空氣通過K型密封圈進(jìn)入常用缸箱體，進(jìn)而通過常用缸呼吸嘴排出。而導(dǎo)致K型密封圈不密封的因素主要有：停放制動施加狀態(tài)下使常用缸活塞有一定傾斜，使得K型密封圈與常用缸內(nèi)壁的接觸不均勻，有部分處于壓縮狀態(tài)（有利于密封），但也有一部分處于張開狀態(tài)（不利于密封）；其次常用制動缸內(nèi)壓力過小導(dǎo)致K型密封圈與缸壁密封不緊密（K型密封圈的特點(diǎn)是隨著壓力的增加，其側(cè)面與缸壁越密貼，密封性能增加）。

3.4 問題解決

綜上所述，在TBU較長時(shí)間停放后（通常指2天以上），系統(tǒng)管路壓力為零的情況下仍持續(xù)停放一段時(shí)間，則TBU是有可能會出現(xiàn)上述所描述的在空壓機(jī)工作初充風(fēng)時(shí)會出現(xiàn)僅在帶有停放功能的TBU常用缸呼吸嘴排風(fēng)現(xiàn)象。此種情況就是由于系統(tǒng)風(fēng)壓不足以將停放制動緩解而使常用缸K型密封圈在傾斜情況下（長時(shí)間保持此狀態(tài)使密封圈處于一種非正常狀態(tài)）出現(xiàn)初充風(fēng)時(shí)不能完全復(fù)位而引起漏風(fēng)。

因此，在出現(xiàn)上述情況下，可通過下面所建議的方法快速排出故障，提高車輛使用效率：

（1）通過直接拉停放缸緊急緩解拉繩（圖1中C03005/C03006）的方法可以強(qiáng)制緩解停放制動（因?yàn)榇藭r(shí)沒有足夠的系統(tǒng)風(fēng)壓來緩解停放制動），在緩解停放制動后，常用缸內(nèi)的活塞也會處于復(fù)位狀態(tài)，K型密封圈回歸正常密封狀態(tài)，此方法的缺點(diǎn)是需要操作多個(gè)停放缸的緩解拉繩，費(fèi)時(shí)費(fèi)力；

（2）可以切除向常用制動缸供風(fēng)支路（也就是通過截?cái)嗳T，如圖1中的B05，將制動風(fēng)缸至EP2002閥的供風(fēng)管隔離），這樣空壓機(jī)工作時(shí)壓縮空氣不會通過常用缸K型密封圈（有泄漏點(diǎn)）而建立不起系統(tǒng)風(fēng)壓。當(dāng)系統(tǒng)壓力上升后，停放缸內(nèi)充入的壓縮空氣（至少大于470 kPa）會自然緩解停放制動，這樣也可以實(shí)現(xiàn)上述第一條的目的。相對于第1條操作，可以在車內(nèi)完成，同時(shí)也相對省時(shí)省力。但是在車輛停放制動緩解后要及時(shí)恢復(fù)B05位置，避免車輛后續(xù)運(yùn)行無制動可用。

4 結(jié)論

PEC7型踏面制動單元在列車長時(shí)間停放后恢復(fù)使用時(shí)有可能會出現(xiàn)因停放制動施加而使常用缸出現(xiàn)K型圈密封不良而漏風(fēng)的現(xiàn)象，該現(xiàn)象在緩解停放制動后可以自然消失并恢復(fù)正常。這是與該型基礎(chǔ)制動裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)、K型圈利用年限長彈性不足、外界溫度低或者常用缸壁有一定磨損等因素有關(guān)。且僅在列車系統(tǒng)風(fēng)壓非常低啟動空壓機(jī)初次充風(fēng)時(shí)出現(xiàn)，當(dāng)采取人工緩解停放制動或者部分隔離空氣制動時(shí)可以創(chuàng)造常用缸K型圈恢復(fù)正常狀態(tài)的條件，消除此故障。