低地板现代有轨电车被动液压制动系统设计与分析

刘德学 曾春军 李杰 武小平

摘要：简要介绍了低地板现代有轨电车制动系统的特点，根据被动液压制动系统的组成结构，具体分析了电子制动控制单元、被动电液控制单元、辅助缓解装置、被动制动夹钳、制动盘与闸片的主要功能及原理，为今后液压制动系统的研发提供参考。

关键词：有轨电车;制动系统;电液控制单元;液压制动夹钳单元

0 引言

低地板现代有轨电车是一种中等运能、设计新颖、环境友好、节约资源的城市轨道交通装备，具有乘客上下车方便、外形靓丽等优点，已成为城市中低运量交通系统的主要选择。低地板现代有轨电车通常采用100%低地板结构，导致其车下空间更加紧凑，其中液压制动系统以其结构紧凑、制动力强、后期维护相对简单等特点，广泛应用于100%低地板现代有轨电车上。

1 被动液压制动系统

低地板现代有轨电车的液压制动系统包括被动液压制动系统和主动液压制动系统。根据系统的配置和需求，被动液压制动系统主要用于动力车上，是液压制动系统的重要组成部分。被动液压制动系统由电子制动控制单元（EBCU）、被动电液控制单元、被动制动夹钳、制动盘片、辅助缓解装置等主要部件组成。

2 电子制动控制单元

2.1    EBCU硬件

电子制动控制单元根据车辆安装空间需求，采用符合IEC 60297-3标准的3U插箱，EBCU对外接口全部采用前出线方式，控制板、通信板和预留板上的所有处理器通过机箱背板上的CAN总线进行通信。这种通信方式减少了背板总线布线数量，便于实现控制板的冗余和扩展设置。EBCU硬件功能框图如图1所示。

2.2    EBCU控制软件

EBCU控制软件是整个制动系统软件的核心，采用keil4开发工具进行开发，实现与硬件接口、外部接口的交互。软件分为驱动模块、业务模块和应用模块3种。其中，驱动模块主要负责对底层硬件的操作，与业务模块通过若干中间变量进行交互;业务模块用于中间变量的处理和基本控制逻辑的实现，与应用模块通过函数进行调用;应用模块用于人机接口、高级控制逻辑、用户自定义逻辑的实现。EBCU控制软件框架如图2所示。

3 被动电液控制单元

被动电液控制单元接受司控器控制指令、外部紧急指令或强迫缓解指令，采用比例闭环控制技术输出相应的油压，实现对被动制动夹钳制动、缓解的精确控制。被动液压制动系统管路原理如图3所示。

3.1    油压的产生

如图3所示，直流电机得电驱动齿轮泵输送液压油，液压油通过过滤器1、单向阀，将液压油存储在蓄能器中。过滤器1的作用是防止油箱中油液杂质进入液压阀块管路中;单向阀的作用是使油液只能按图示向上流动而不能反向流动。蓄能器存储高压液压油，是为了避免直流电机和齿轮泵的频繁启动，作为辅助源为系统供油。限压阀1的作用是当液压阀块内部油压超过设计规定值时，限压阀开启，使系统内的压力降低，起到类似安全阀的作用。手动阀可通过手动操作将蓄能器油压降至0 MPa。

3.2    油压控制

压力比例阀是被动电液控制单元的关键部件，可将电信号（如制动级位指令）成比例地转换为油压输出。改变压力比例阀的输入电流可以改变被动制動夹钳的缓解压力。当压力比例阀输入最大电流时，夹钳施加最大油压，此时夹钳完全缓解。关闭输入电流使得夹钳内油液回流至油箱，从而在制动盘上施加最大的制动力。

电磁阀2常得电，压力比例阀输送的油压通过电磁阀2、过滤器2传送至夹钳。在安全制动时电磁阀2失电，夹钳排油制动，油液通过过滤器2、电磁阀2、限压阀2回流至油箱中。过滤器2可防止回流油液杂质进入电液控制单元。

电磁阀1常失电，用于压力比例阀调节油压时动态油液回流至油箱中。

3.3    油压检测

测试接头1、测试接头2用于故障检测时，测试系统油压和夹钳油压;压力传感器1、压力传感器2用于监测系统油压和夹钳油压。

4 辅助缓解装置

如图3所示，辅助缓解装置由辅助缓解单元与手动泵组成。每节动车配置一个辅助缓解单元，同时每列车在司机室配置一个手动泵。当被动电液控制单元发生故障时，通过手动泵和辅助缓解单元实现被动制动夹钳的缓解，并将缓解信号通过压力开关送至列车控制单元（VCU）。

5 被动制动夹钳

被动制动夹钳采用浮动结构安装在动车转向架上，如图4所示，其采用碟簧蓄能原理，充油缓解，排油制动，将存储的碟簧能量根据EBCU制动指令的要求施加到制动盘上，从而产生制动与缓解作用。被动制动夹钳主要由制动杠杆、闸片、钳体、滑移轴等零部件组成，被动制动夹钳内部结构示意图如图5所示。其工作时主要包括以下3种状态。

5.1    制动状态

制动力由制动缸体内的7片碟簧对合组合产生，弹簧力通过丝杆作用在制动杠杆上，制动杠杆通过压块将弹簧力传递给闸片，随后作用在制动盘上。在反作用力作用下，钳体被移动，另一侧制动闸片压紧制动盘，整个制动过程中，钳体和浮动闸片被移动。

5.2    缓解状态

向常用缓解注油口注入液压油时，液压油推动常用活塞，常用活塞带动弹簧座压缩碟簧，克服碟簧的弹簧力。同时，缓解活塞带动闸调螺母往回退，闸调螺母回退过程中带动丝杆，从而缓解闸片上的压力，实现夹钳的制动缓解功能。常用缓解功能由司控器控制被动电液控制单元，实现向被动制动夹钳注油，产生缓解作用，缓解全列车的被动制动夹钳。

向辅助缓解注油口注入液压油时，液压油推动辅助活塞，随后带动常用活塞，常用活塞继而带动弹簧座。同理，后续动作过程与常用缓解相同。辅助缓解功能通常应用于故障救援，需手动泵向辅助缓解单元油路注油，产生缓解作用，缓解单节车的所有被动制动夹钳。被动制动夹钳采用双油路缓解设计，常用缓解或辅助缓解油路有一路得到缓解，制动夹钳就得到缓解。

5.3    手动机械缓解状态

为防止车辆在正常缓解（即向常用缓解及辅助缓解注油口注油）发生异常时，导致被动制动夹钳无法缓解，需采用手动机械缓解方式。首先，将被动制动夹钳上的锁位板卸下，然后拧下球头上的防尘盖，通过棘轮套筒扳手将压盖六方拧松，即可实现手动机械缓解。该功能通常应用于更换闸片后的间隙调整及正常缓解发生异常时，且手动机械缓解只能缓解单个制动夹钳，一般不用于电车的正常运营。

6 制动盘与闸片

制动盘与制动闸片是被动液压制动系统中的关键部件，制动盘的安装既要保证与车轮有足够的联接强度、刚度，又要适应制动过程中制动盘与闸片摩擦升温引起的变形。制动盘由制动盘、定位销、螺栓、防松垫圈等主要零件组成，采用整体轮装式制动盘，设置有3组定位销、12个均布的紧固螺栓。

制动盘采用铸铁材质制作，配有机车用合成闸片组成摩擦副，制动盘结构如图6所示。

7 结语

液压制动系统是低地板现代有轨电车的核心系统之一，对其运行的可靠性、安全性要求较高。本文通过对某型低地板现代有轨电车的被动液压制动系统组成、工作原理及典型功能进行了分析，为今后相关车型液压制动系统的研发工作提供了参考。

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收稿日期：2020-09-02

作者简介：刘德学（1982—），男，湖南湘潭人，硕士，高级工程师，从事轨道交通制动系统研发工作。