城市軌道交通車輛液壓制動系統(tǒng)泄漏在線診斷與密封優(yōu)化設計研究

關鍵詞：城市軌道交通車輛；液壓制動系統(tǒng)；泄漏；密封設計；有限元分析中圖分類號：U270.35文獻標志碼：A 文章編號：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系統(tǒng)是確保行車安全的關鍵子系統(tǒng)，液壓制動系統(tǒng)因其制動功率大、重量輕、響應快等優(yōu)點在現(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用。然而，液壓制動系統(tǒng)一旦發(fā)生泄漏，將會產(chǎn)生諸多嚴重后果。一方面，泄漏會導致制動液壓油的損失，使得制動系統(tǒng)壓力下降，影響制動夾鉗的正常動作，從而延長制動距離甚至導致制動失效，危及行車安全；另一方面，液壓油泄漏還可能污染環(huán)境，增加維護成本，影響車輛正常運營。

液壓制動系統(tǒng)的工作介質是不可壓縮的液壓油，液壓油泄漏會直接影響系統(tǒng)的容積效率和壓力傳遞，進而影響制動性能；而空氣制動系統(tǒng)的空氣泄漏通常不會像液壓油泄漏那樣迅速導致系統(tǒng)壓力大幅下降。并且液壓油泄漏會使油箱中油量持續(xù)下降，液壓油不足時將無法維持系統(tǒng)壓力需求，而空氣泄漏可以通過空壓機補風來維持系統(tǒng)壓力。因此，與空氣制動系統(tǒng)相比，液壓制動系統(tǒng)對泄漏更為敏感。

1 液壓制動系統(tǒng)介紹

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

制動工作過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)電子制動控制單元或硬線控制指令輸出對應的油壓；3）壓力傳遞：油壓通過液壓管道從液壓控制單元傳遞到液壓夾鉗；4）制動力執(zhí)行：液壓夾鉗在油壓的作用下夾緊制動盤并輸出對應的制動力。在液壓制動系統(tǒng)整個工作過程中，液壓油作為能量傳遞與壓力調控的核心載體，發(fā)揮著至關重要的作用。

2 泄漏現(xiàn)象及原因分析

液壓制動系統(tǒng)利用液壓油作為工作介質，當發(fā)生泄漏時，會導致制動油液的流失，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)生泄漏未能及時發(fā)現(xiàn)及處理，很容易引發(fā)嚴重的行車安全事故。液壓制動系統(tǒng)泄漏主要分為內部泄漏和外部泄漏。

2.1 內部泄漏現(xiàn)象及原因

液壓制動系統(tǒng)中的內部泄漏主要發(fā)生在液壓控制單元內。液壓控制單元內部包括泵、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，液壓油可能通過這些間隙泄漏；同時液壓元件和液壓塊之間通過密封圈密封，密封圈密封失效時也會出現(xiàn)泄漏。內部泄漏的原因包括：1）閥芯與閥體的加工精度和表面質量不達標，導致配合間隙過大；2）長期使用過程中，閥芯與閥體之間的磨損加劇，使間隙逐漸增大；3）液壓油中的雜質進入間隙，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，常見的有液壓單元的外密封處、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）車輛在運行過程中產(chǎn)生的振動和沖擊。

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)設計一種泄漏在線診斷方法。

3.1 泄漏在線診斷原理

有軌電車的動車因為采用了液壓被動式彈簧制動系統(tǒng)，在行車時液壓制動管路中需長期充油確保車輛緩解，長時間的充油工作過程中一旦出現(xiàn)泄漏很容易導致制動不緩解，影響列車正常運行。針對充油緩解時比例閥具有較大的內部泄漏，采用保壓電磁閥遮斷比例閥回油口后的在線保壓測試方法進行泄漏診斷，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，蓄能器的液壓油通過比例閥向被動式液壓夾鉗制動缸充油；2）通過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封閉的空間；3）在充油緩解工況下，對封閉空間內的油壓進行監(jiān)測。監(jiān)測時如果存在泄漏，封閉空間內的液壓油壓力會隨著時間的推移而逐漸下降。

圖2液壓制動系統(tǒng)常見泄漏現(xiàn)象

3.2 泄漏診斷門檻設計

為了確保在線診斷方法的有效性和可靠性，需要設計合適的泄漏門檻。通過對大量實際泄漏數(shù)據(jù)的分析和模擬實驗研究，確定一個合理的壓力下降閾值作為泄漏門檻，當監(jiān)測到的液壓油壓力下降超過該閾值時，判定存在泄漏故障并及時報出故障；而當壓力下降低于閾值時，則認為系統(tǒng)處于正常狀態(tài)，避免誤報故障。

圖3泄漏診斷液壓原理圖

3.3 實車驗證數(shù)據(jù)

在國內某四模塊現(xiàn)代有軌電車液壓制動系統(tǒng)中，前期初設的泄漏門檻條件因未考慮比例閥動作時的影響多次出現(xiàn)誤報故障，針對該問題開展了反復試驗和驗證，優(yōu)化了保壓電磁閥和比例閥的控制策略，將泄漏門檻條件設定為：保壓電磁閥得電且夾鉗制動缸壓力小于76bar （7.6MPa） 并持續(xù) 150ms 或者是在牽引或惰行時，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出真實的泄漏，又能在比例閥失電對系統(tǒng)壓力產(chǎn)生擾動時保持穩(wěn)定，不產(chǎn)生誤報。如圖4所示，在泄漏發(fā)生前，向制動缸充油緩解時，比例閥先得電，保壓電磁閥后得電，制動缸壓力迅速上升至蓄能器壓力，然后比例閥失電，制動缸能維持之前的壓力并保持穩(wěn)定；在泄漏發(fā)生時，同樣是比例閥先得電，保壓電磁閥后得電，制動缸壓力迅速上升至蓄能器壓力，但在比例閥失電時制動缸壓力迅速掉落，無法維持之前的壓力，觸發(fā)泄漏故障的診斷條件，同時導向保壓電磁閥失電，比例閥得電補償制動缸壓力。

4基于密封優(yōu)化設計的泄漏防治

針對泄漏問題，在液壓制動系統(tǒng)的全生命周期中，密封性能的保障需要從設計、制造、安裝到維護多個環(huán)節(jié)全方位把控。1設計環(huán)節(jié)應充分考量密封性能，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、安裝與維護奠定良好基礎。2制造環(huán)節(jié)要嚴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)正確的工藝流程進行安裝，確保管路連接和元件密封牢靠，完成后進行嚴格的泄漏測試。4）維護環(huán)節(jié)需定期檢查密封狀況，定期檢測更換液壓油，制定合理的密封元件更換計劃。各環(huán)節(jié)緊密相連、相輔相成，其中設計環(huán)節(jié)作為密封保障的源頭至關重要，以下通過一個實例說明密封優(yōu)化設計方法和過程。

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

在國內某四模塊現(xiàn)代有軌電車液壓制動系統(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)故障原因為：濾芯長度尺寸偏大和濾芯密封圈線徑尺寸過大，導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，當堵頭密封圈的壓縮量不夠時，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，同時濾芯密封圈因壓縮擠壓填充率超過 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)化設計步驟

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，因為安裝孔深度尺寸A、濾芯長度尺寸B、堵頭長度尺寸 C 均難以更改，為保證堵頭密封圈可靠壓縮，考慮對濾芯密封圈的線徑尺寸 D 進行優(yōu)化。

2）確定優(yōu)化設計目標。考慮安裝孔深度尺寸A、濾芯長度尺寸B、堵頭長度尺寸C的尺寸偏差影響，基于靜密封O形圈尺寸設計原則和方法，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）結合理論計算和有限元分析開展優(yōu)化設計。考慮到濾芯密封圈安裝在濾芯底部的倒角上，通過理論計算難以獲得準確的壓縮率和填充率，所以結合有限元仿真方法3開展對比分析，其中密封圈材料采用超彈性材料模型。首先對原尺寸濾芯密封圈進行模擬壓縮仿真分析，結果顯示填充率超過 100% ，密封圈被擠入濾芯底部，如圖7所示，仿真結果和實際情況一致，內圈產(chǎn)生永久變形；其次對比不同尺寸濾芯密封圈在極限尺寸下的壓縮狀態(tài)，仿真結果如圖8所示；最后根據(jù)優(yōu)化結果計算壓縮率和填充率，結果如表1所示。

圖7優(yōu)化前濾芯密封圈仿真結果

圖8不同線徑濾芯密封圈仿真結果對比

表1濾芯密封圈尺寸優(yōu)化設計結果

4.3 優(yōu)化設計結果

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

5 結束語

城市軌道交通車輛液壓制動系統(tǒng)的泄漏問題是一個復雜且關鍵的工程問題，其對行車安全和車輛的正常運營有著重要影響。綜上所述，通過深入研究液壓制動系統(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)化設計方法，為泄漏的診斷和防治提供了理論基礎和實踐經(jīng)驗。未來需要持續(xù)改進泄漏診斷方法和密封技術，更好地保障車輛安全穩(wěn)定運行，助力城市軌道交通發(fā)展。

圖9優(yōu)化后的密封圈

[參考文獻]

[1]朱海燕，張濤. HX_D1 機車空氣管路泄漏檢測方法研究[J].鐵道機車車輛，2013，33（4）：83-87.

[2]曾春軍，劉德學，李杰，等.自主化五模塊儲能低地板有軌電車制動系統(tǒng)設計[J].機電信息，2020（12）：94-96.

[3］王菁.ANSYSWorkbench有限元分析從入門到精通（2022版）[M.北京：機械工業(yè)出版社，2022.