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）

隨著經濟的發展，越來越多的城市開始興建城市軌道交通以緩解城區擁擠的交通狀況。其中，地鐵車輛作為最合適的交通工具被大多數城市接受并使用。但是對于剛開通運營的城市來說，運營初期部分車輛需要長時間停放在停車庫內，長時間的停放會導致車輛總風持續降低直至總風排空。如果此時使用車輛，則需要啟動空壓機對車輛進行充風，使車輛總風壓力建立起來，能夠將基礎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間后，空壓機啟動后總風壓力持續偏低的現象進行分析，找出問題所在，并給出相關建議措施，避免后期此類故障影響車輛的使用效率。

1 車輛制動系統配置

通常制動系統會配置模塊Ⅰ—制動控制模塊；模塊Ⅱ—輔助控制模塊；模塊Ⅲ—基礎制動設備，具體部分設備管路配置如圖1所示。模塊Ⅰ負責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負責具體制動功能的執行。相關控制原理及過程在文獻[1-4]中有具體闡述。

2 踏面制動單元

某項目根據地鐵車輛B型車設計平臺，踏面制動單元與轉向架的接口方式進行了適應性改變（如圖2所示），但其內部關鍵原理結構設計并沒有改變。根據轉向架參數（輪對縱向位移量）及安裝空間確定的踏面制動單元動作參數如表1所示。

制動系統所配置的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，經歷了長期實際運營的考驗，其設計結構及性能得到了充分驗證。

3 問題發現及解決

3.1 問題發現

某條新線列車在庫內停放一段時間后需要恢復使用時，由于列車管路系統內沒有壓縮空氣，兩臺空壓機連續工作但管路系統壓力仍維持100 kPa以下，造成列車不能投入正常運營影響。檢查后發現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漏風現象，而且發生這種漏風情況的基本都集中在帶有停放制動缸的TBU上。

從現場出現的踏面制動單元漏風情況來看，可以知道：

（1）所有不帶停放制動的TBU沒有漏風；

（2）幾乎所有帶停放缸的TBU都有漏風，且僅在常用缸底部呼吸嘴處；

（3）出現泄漏時的系統風壓持續低于100 kPa；

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

（5）常用缸內的風壓不足100 kPa（因為此時系統風壓低，列車處于緊急制動狀態，系統風壓將通過制動風缸、EP2002閥的2/3號口進入常用制動缸）。

表1 踏面制動單元性能數據

圖2 踏面制動單元

3.2 問題分析

針對TBU的漏氣現象，分析其內部結構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的結構圖。

從圖3可以看出，車輛施加常用制動時，壓縮空氣通過常用制動缸的進氣口進入常用缸內推動氣缸活塞移動，活塞底部連接一個漸開線外形的扇形塊，活塞移動帶動扇形塊的轉動，轉動的扇形塊帶動間隙調整器上的萬向節移動，移動的萬向節在接觸到間隙調整器后帶動其移動進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的螺紋咬合鎖死，停放缸內的壓縮空氣被排出，停放制動施加，車輛無法動車。當需要移動車輛時則需要緩解停放制動，此時需要往停放缸內充入至少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壓縮空氣泄露。結合發現漏氣的地點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致常用缸內的壓縮空氣泄露并通過呼吸嘴排除。

在車輛正常停放時，停放制動缸內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），此時停放缸內的推桿將升出并頂住常用缸活塞頂部的圓弧面而產生部分停放制動力（此時停放缸內壓力與常用缸內壓力相同）；此時常用缸內仍有相當壓縮空氣。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，系統壓力會逐步下降，在系統壓力下降至常用缸正常工作壓力前，TBU內的狀態與停放初期的狀態并沒有變化。

圖3 踏面制動單元結構原理圖

圖4 K型密封圈位置結構圖

隨著列車停放時間的進一步增加，此時系統壓力已經開始低于停放初期的常用缸壓力，因此常用缸及停放缸內（兩個缸經防疊加功能管路而聯通）的壓力也同步下降，停放缸的推桿將進一步推壓常用缸活塞（雖然制動閘瓦仍處于壓縮車輪狀態，但常用缸內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，同時常用缸活塞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（遠離閘瓦托）壓緊，而使另一側（靠近閘瓦托）的K型密封圈處于相對松弛狀態。

K型密封圈在上面所描述的狀態下持續時間相對較長，如果再考慮到外界環境溫度相對較低，則K型密封圈將處于一種不完全密貼制動缸內壁的狀態。在上面描述的狀態下，如果啟動空壓機工作，則系統內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，從而使系統風壓持續維持在較低壓力（現場出現的不高于100 kPa情況）。

3.3 試驗驗證

針對上述分析，對于此項點在專門的試驗臺上進行試驗驗證。試驗時，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），然后在此負荷下進行常用缸充風試驗，壓力從30 kPa開始以5 kPa的幅度逐步增壓至120 kPa，每一步均進行肥皂水測常用缸呼吸嘴處的泄漏，在整個過程中均沒有出現泄漏現象。

圖5 帶停放功能TBU常用缸呼吸嘴漏氣試驗

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

3.4 問題解決

綜上所述，在TBU較長時間停放后（通常指2天以上），系統管路壓力為零的情況下仍持續停放一段時間，則TBU是有可能會出現上述所描述的在空壓機工作初充風時會出現僅在帶有停放功能的TBU常用缸呼吸嘴排風現象。此種情況就是由于系統風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（長時間保持此狀態使密封圈處于一種非正常狀態）出現初充風時不能完全復位而引起漏風。

因此，在出現上述情況下，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）的方法可以強制緩解停放制動（因為此時沒有足夠的系統風壓來緩解停放制動），在緩解停放制動后，常用缸內的活塞也會處于復位狀態，K型密封圈回歸正常密封狀態，此方法的缺點是需要操作多個停放缸的緩解拉繩，費時費力；

（2）可以切除向常用制動缸供風支路（也就是通過截斷塞門，如圖1中的B05，將制動風缸至EP2002閥的供風管隔離），這樣空壓機工作時壓縮空氣不會通過常用缸K型密封圈（有泄漏點）而建立不起系統風壓。當系統壓力上升后，停放缸內充入的壓縮空氣（至少大于470 kPa）會自然緩解停放制動，這樣也可以實現上述第一條的目的。相對于第1條操作，可以在車內完成，同時也相對省時省力。但是在車輛停放制動緩解后要及時恢復B05位置，避免車輛后續運行無制動可用。

4 結論

PEC7型踏面制動單元在列車長時間停放后恢復使用時有可能會出現因停放制動施加而使常用缸出現K型圈密封不良而漏風的現象，該現象在緩解停放制動后可以自然消失并恢復正常。這是與該型基礎制動裝置結構設計特點、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。且僅在列車系統風壓非常低啟動空壓機初次充風時出現，當采取人工緩解停放制動或者部分隔離空氣制動時可以創造常用缸K型圈恢復正常狀態的條件，消除此故障。