西郊线有轨电车液压制动系统及常见故障分析

2019-08-16莘云峰吴永超

城市公共交通 2019年7期

莘云峰吴永超

（北京公共交通控股（集团）有限公司，北京 100161）

大力发展公共交通出行已成为缓解城市交通拥堵，保护大气环境，进一步提升城市发展的共识。现代有轨电车作为一种环保型绿色公共交通工具，具备轨道交通的时效、快捷、舒适等特点，且有有效利用城市既有道路资源，投资少，建设周期短等优势，是解决城市交通拥堵可选择方案之一。

1 有轨电车线路特点

1.1 有轨电车线路特点

由于有轨电车在平顺的轨道上行驶，通常不会像公共汽车那样出现急刹车等现象；交流传动和微机控制的制动技术使车辆运行时加速和制动产生的加速度受到了严格控制，其平稳性和舒适性与地铁车辆相当，明显优于公共汽车。

有轨电车运行必须通过轨道引导而机动性差，在城市中占用道路资源，对其他交通工具有较大干扰；有轨电车需要电网供电，架空线网对市容景观有一定的影响。

现代有轨电车在城市公共交通中承上启下（第一层级为地铁、第三层级为普通公交，现代有轨电车属于中间层级），三者要分层规划、相互补充。地铁、有轨电车、公共汽车的差异特点见表1。

1.2 西郊线有轨电车线路

有轨电车西郊线是连接北京市主城区和香山风景区，以旅游、休闲、观光为目的，贯穿三山五园的一条现代有轨电车线路，线路全长约8864m，其中地面线5100m、地下线3690m，高架线74m。

表1 地铁、有轨电车、公共汽车的差异特点

西郊线线路高度差为40.2m，最大坡道长度为436m，坡度高于50‰的坡道3处，高于45‰的坡道4处，最大坡度56‰。西郊线线路曲线62处，最大曲线半径3000m，低于350m曲线半径的有28处，最小曲线半径60m，全线共13个平交路口。

2 西郊线有轨电车制动策略

有轨电车制动策略是指列车在常用制动和紧急制动模式下，其电制动、液压摩擦制动和磁轨制动之间制动力的组合分配方式。驾驶员通过列车司控器，控制列车制动装置自动分配和协调电制动力、液压摩擦制动力和磁轨制动力。西郊线有轨电车制动系统通过以上三种制动组合分配，具备常用制动、紧急制动、安全制动、停车制动和停放制动的功能。

2.1 常用制动

有轨电车常用制动为车辆正常运行过程中，用于控制车辆运行速度，以使列车平稳减速和停靠。

西郊线有轨电车常用制动采用电制动和液压制动复合式。列车通过MVB总线和列车硬线发出牵引和常用制动指令，这些指令传给BCU，BCU将制动指令转换成压力信号送给液压控制单元（EHU），以控制制动夹钳产生制动力。制动过程中，列车制动力管理基于电制动优先发挥的原则，如果电制动力不能满足车辆制动需求时，则由液压制动来尽可能去补偿缺失的部分，所需的液压制动力平均分配给每一个可用的转向架，直至达到所规定的黏着限制。当车辆速度低于6km/h 时，中央控制单元（CCU）发出“停车制动”指令，进行电-液制动转换，使用液压制动停车。当车辆速度低于1km/h 时，车辆施加保持制动，可以使列车在坡道上保持静止，防止列车在坡道上起动时倒溜。保持制动力为100%最大制动力。

列车制动系统采用减速度控制模式，制动系统制动力随驾驶员操控司控器进行调节，制动输入指令为无级控制，按1.1m/s2平均减速度设计。在正常情况下，司机可以通过司机控制器手柄对车辆减速度进行调节。当手柄处于制动区，减速度在最大制动力8%-100%之间持续变化。

拖车载荷传感器根据车体高度变化将载荷电流信号发给本车BCU，BCU将此信号在MVB网络中发布，BCU根据此信号调整制动力的大小，并获得所需的减速度值。载荷信息被用于电制动和液压制动中。当载荷信号故障时，则按AW2载荷计算。载荷信号实时更新，BCU在收到车门关闭信号后锁存载荷信号。常用制动控制策略如图1所示。

当液压制动油压达到缓解状态时，列车速度达到峰值，电制动信号为零；当液压制动油压力为零时，列车速度降到0km/h，此时液压制动力达到100%，电制动信号恢复到激活状态。

2.2 紧急制动

有轨电车紧急制动通过硬线控制，在紧急情况下，驾驶员将司控器扳至最大常用制动后一位施加紧急制动。紧急制动时，电制动、液压制动、磁轨制动及撒砂装置均被使用，防滑装置以及拖车载荷传感器都会被激活，根据实际载荷情况对制动力进行调整。紧急制动时，由于车辆将不受制动冲击率的限制，会导致乘客有较大的冲击感。

图1 常用制动控制策略

2.3 安全制动

有轨电车安全制动完全独立于所有的电器设备，即列车安全制动时不受BCU控制，没有电制动、没有载荷补偿、也没有防滑控制，仅是通过液压控制单元内电磁阀的“得电”“失电”进行控制。当按下司机操纵台安全制动按钮时，车辆安全回路断开，导致液压控制单元中的“D”阀断电，制动夹钳中的液压油迅速流回油底壳，车辆会以最快速度施加制动。

有轨电车安全制动主要是在列车出现严重故障时应用，利用安全制动在车辆牵引或制动系统软件出现故障时，给车辆一个安全停车的机会。

由于安全制动完全独立于电子控制设备，没有各类制动辅助装置的协助，在列车处于AW0状态下时，极易造成车轮擦伤，在列车非故障的情况下，不可以使用安全制动。

2.4 有轨电车停车制动

有轨电车停车制动是列车停靠站或等待信号灯时，在不切断电源情况下使用的制动模式。停车制动发生在车速低于6km/h时，根据制动指令和车辆载荷仅施加液压制动。

2.5 有轨电车停放制动

有轨电车停放制动，通过G,D,E阀失电后施加，是列车切断电源长时间停放时采用的制动模式。在车辆制动系统基础制动单元完好情况下，制动夹钳的制动力能够达到60kN。制动控制系统设计之初，为了增加安全系数，在车辆停放制动计算中，制动夹钳的制动力采用56kN而非60kN的制动力进行计算；同时选取较小的静摩擦系数0.30（动摩擦系数为0.35），是为了防止闸片在过热情况下，出现制动失效的情况。

3 克诺尔液压制动系统组成及工作原理

西郊线有轨电车液压制动系统采用德国克诺尔公司的KBGM-H型制动系统，该系统主要由制动液压控制单元（BCU）、液压油泵及阀控单元总成（EHU）、液压制动钳体、制动盘、隔膜储能器、磁轨制动装置（MTS）、撒砂装置、速度传感器、载荷传感器（LS）及油液管路和控制命令传输线束等组成（图2）。车辆每台转向架配置一套制动控制单元、一套液压油泵及阀控单元总成、四个液压制动夹钳、四个制动盘、一个储能器、四个速度传感器及一套磁轨制动装置。车辆两端的动车转向架配备撒砂装置，P车（受电弓车）装配载荷传感器。

车辆的制动指令通过列车控制单元（CCU）由MVB总线发送给制动系统EBCU，EBCU根据列车的载荷情况、轨面的黏着状况及列车速度和制动级位请求，通过液压控制单元中电磁阀的开闭将高压油液导回油箱实现制动。其中通往制动钳体及储能器的管路上分别装有压力传感器和双点压力开关，随时控制液压油泵启动供油作业和停止作业。

车辆制动控制单元作为液压制动系统的大脑，是一个模块构造的电子系统（ESRA），系统内采用分布式数据处理，通过CAN总线进行交互沟通，ESRA主要由机箱、电源板、主板、扩展板及通讯板和人机交互接口等组成（图3）。

图2 车辆制动系统总体布置图

图3 制动控制单元组成

克诺尔KBGM-H型制动系统液压油泵及阀控单元是一个高度集成的总成，总成内包含制动缓解控制阀（AS）、制动施加控制阀（AT）、缓解压力传感器（BP）、储能器压力传感器（BS）、安全制动阀（D）、停放制动阀（E）、辅助缓解电磁阀（G）、储能器压力手动阀（H）、安全制动限压阀（IT）、带旁路单向阀的液压油滤清器（UP）、限压阀（W）、单向阀（RS）及驱动电机、油泵（p）、油底壳（T）等组成。

制动原理及油路走向如图4所示。制动系统液压油通常储存在油底壳中，当BCU检测到储能器中的油压低于130bar后，命令驱动电机启动，油泵开始给储能器充压，液压油在压力下通过滤清器和单向阀，经S口进入储能器。若压力过大后，限压阀可调节限制油压。当压力传感器实时监测油压大于155bar后，将电信号传给BCU，BCU根据其反馈的油压值控制电机的停止工作（蓝色线条走向）。

AS和AT阀为控制电磁阀（正常情况下是常闭的），控制系统内油压，当BCU发出制动施加命令或制动缓解命令后，D阀得电，通过常失电的电磁阀G，液压油经P口送达或导出制动夹钳。BCU读取缓解压力传感器的反馈信号并控制制动夹钳的液压油压力。BCU控制上述两个电磁阀是模拟控制制动夹钳中的油压。当制动完全缓解时，制动卡钳内压力为160 bar。当制动完全施加时，液压油返回油底壳（红色、绿色线条走向）。

当BCU接到安全制动命令时，安全制动电磁阀D失电，液压油通过安全制动管路和限压阀IT排到油底壳T中，制动压力降至限压阀IT的设定等级，这样可以避免造成过度制动（黑色线条走向）。

当列车需要停车或长时间停放时，BCU检测到列车速度低于6km/h后，液压制动系统会根据载荷传感器信号、车速信号逐渐提高液压制动力，当BCU监测到车速为0km/h后，液压制动管路内油压会降到0 bar，此时制动钳夹对车辆施加最大制动力（粉色线条走向）。

图4 制动原理及油路走向

当列车在运营过程中，某个BCU出现故障，驾驶员想缓解对应转向架上的液压制动时，可以通过位于MA车和MB车司机室旁路面板上的三个按钮（Car-1转向架制动旁路，Car-3转向架制动旁路，Car-5转向架制动旁路）触发辅助缓解电磁阀G得电，储能器中的液压油通过缓解控制电磁阀、辅助缓解电磁阀进入制动夹钳中，实现制动夹钳制动缓解动作。只要储能器中的压力可用，就可以使用该种方式进行缓解（红色线条走向）。

西郊线有轨电车制动夹钳布置形式为4+4+4，制动夹钳的布置形式取决于线路的基础条件对制动力的需求。制动夹钳全部采用被动式夹钳，通俗的讲就是列车液压制动采用“断油刹”方式，当通向制动夹钳的液压油压力为0bar时，制动夹钳施加的制动力为最大值。

利用“T”型扳手，对制动夹钳进行手动机械缓解。机械缓解后，摩擦片与制动盘之间的间隙属于异常间隙。由于机械缓解是通过调整磨损补偿器的位置而实现的摩擦片与制动盘的分离，当恢复液压制动时，由于摩擦片与制动盘之间的间隙过大，虽然磨损补调装置投入工作，但由于制动夹钳的运动行程有限，盘片间隙无法在一次液压制动动作下实现完全补偿，所以，在机械紧急缓解后，必须经过多次制动施加/缓解操作，待盘片间隙自动补偿到最佳值。另外，由于机械紧急缓解是通过外部工具施加的外力，使磨损补偿器克服弹簧弹力实现的缓解，此操作可能对制动夹钳造成不可逆的损伤，使制动夹钳损坏。其中最常见的损坏现象是磨损补偿器断裂，“T”型扳手卡死在夹钳内无法取出。因此在日常使用管理中，机械紧急缓解须慎用。

磁轨制动器作为独立于液压制动系统以外的制动装置，可以根据制动需求提供额外的制动力。磁轨制动器主要由硬线控制，通过磁轨制动器内的线圈通电，产生电磁力，使其吸附到轨道上。西郊线有轨电车磁轨制动器分为两种类型：动车转向架装配整体式，拖车转向架装配分体式，所装配的磁轨制动器均为钢体式磁轨制动器。磁轨制动器通过弹簧固定在转向架构架上（图5）。

西郊线有轨电车采用采用独立轮设计，列车液压制动系统具有防滑控制功能，在每个车轮的齿轮箱位置均配备一个单通道的速度传感器，检测齿轮箱齿轮齿数产生速度电信号，并传递到制动控制单元中，从而把车轮滑行控制在一定的范围内。

液压制动系统配备载荷传感器，通过所系悬挂弹簧压缩和拉伸的角位移而产生的电信号，作为液压制动系统补偿制动力大小的参考依据。

4 制动系统常见故障处理

西郊线有轨电车通过一年多的试运营，针对制动系统故障的快速处理积累了一定经验。现针对“制动不缓解”故障进行分析并制定制动系统检修方案。

4.1 制动基础单元损坏故障

运营过程中，驾驶员驾驶车辆在通过隧道爬坡时感觉行驶无力，同时听见液压控制单元中液压油泵持续工作的声音。列车行驶到坡道半程时，列车液压制动系统施加制动，且操控台指示灯区域制动系统轻微故障灯和重大故障灯同时点亮，列车监控系统显示屏显示列车MA端制动系统故障。驾驶员将司控器推回“惰行位”，后将司控器推至“牵引位”并不断增加牵引级位，列车监控系统显示屏显示列车MB端和P车转向架基础制动单元制动夹钳执行制动缓解命令，MA端转向架制动夹钳无法缓解。4秒钟后，制动系统两个故障指示灯同时点亮，列车施加制动，无法继续行驶。

图5 磁轨制动器

经驾驶员利用机械缓解工具对列车MA端四个液压制动夹钳进行手动机械缓解，缓解完成后按限速要求将故障列车驾驶至终点站下线回段，维修技术人员对故障列车进行检查，发现MA车1轴左侧液压制动钳油管破损，液压控制单元中液压油油位处于最低点。由于列车液压制动系统使用的是“被动式夹钳”，当系统内压力降低到75bar时，制动夹钳开始施加制动，随系统压力的不断下降，制动力逐渐增加，当油压降低到0bar时，此时制动夹钳输出最大制动力60kN，同时由于液控单元三次连续充压，且未能建立有效压力，制动系统轻微和重大故障指示灯点亮，整车制动施加。

通过对故障点的检查，发现部分列车制动夹钳的柔性油管与齿轮箱吊杆的固定支架存在接触磨损现象，长时间接磨导致油管破损，液压油泄漏，最终造成“制动不缓解”故障。

4.2 制动控制元件故障

驾驶员驾驶列车进行轧道作业，列车在行驶过程中突然施加紧急制动，同时制动系统轻微和重大故障灯同时点亮，列车监控系统TCMS显示屏显示列车MB端BCU离线，通过列车网络拓扑图查看，列车MB端BCU显示为离线状态。

由于BCU处于离线状态，列车无法通过电切除的方式切除故障系统，列车最终通过手动机械缓解的方式解除制动。回段后对故障系统进行检查，发现为列车MB端制动控制箱内电源板故障，使MB端BCU失电，导致列车触发紧急制动。

电子元件故障具有偶发性和不可预测性，日常检修要加强对基板针脚的检查及清洁作业。

5 西郊线有轨电车液压制动系统故障防范

5.1 液压制动系统的日检及测量

（1）制动液油量应在刻线范围内；（2）液压连接管路无泄漏迹象，无接磨、干涉情况，卡固良好，保护有效；（3）制动钳导向销保护套无破损，喉箍无缺失，螺栓锁紧有效；（4）闸片磨损检查，摩擦材料厚度≥8mm；（5）制动盘表面光滑，无明显沟槽，无贯穿裂纹；制动盘厚度≥35mm。

5.2 液压制动系统的日检功能测试

（1）安全制动按钮和制动缓解旁路按钮位置正确，外观完好，无破损；（2）按下安全制动按钮，IDU屏幕显示安全制动施加；（3）按钮复位后，施加制动快速响应解除；（4）制动缓解开关位置正确，罩盖齐全。

5.3 液压制动系统的月检外观检修

（1）清洁磁轨制动器表面铁屑、污垢；测量磁轨制动器与轨面距离（5-8mm）；（2）管路无漏油、干涉；（3）制动手动缓解密封盖无丢失，安装正常；（4）制动夹钳外观无损伤，所有螺钉、锁紧垫片安装紧固并且完整，弹簧状态良好，手动缓解停放制动装置波纹管无磨损；（5）制动闸片厚度不超过磨耗极限，如果厚度小于8mm应更换；（6）目视制动盘安装紧固、无裂纹、平整无深槽，测量厚度应大于35mm，否则予以更换；（7）速度传感器及其电缆连接完好，无腐蚀和损坏，螺栓螺母防松线清晰，无错位无松动。

5.4 液压制动系统的月检功能检修

制动系统月检除需测试日常检查项目外，还需对撒砂装置功能、磁轨制动器功能及驾驶员警惕功能进行测试。

5.5 液压制动系统的季度检修

（1）管路无漏油；（2）制动手动缓解密封盖无丢失并安装正常；（3）制动夹钳外观无损伤，所有螺钉、锁紧垫片安装紧固并且完整。弹簧状态良好，手动缓解停放制动装置波纹管无磨损；（4）外观检查摩擦片，制动闸片厚度不超过磨耗极限，如果厚度小于8mm应更换；（5）制动盘安装紧固、无裂纹、平整无深槽，测量厚度应大于35mm，否则予以更换；（6）测量磁轨制动器到轨道的距离为6±1mm，如不满足要求，需对磁轨制动器垂直高度进行调整；（7）测量磁轨制动的横向止档距离为3-4.5mm，纵向止档距离为1-4mm，如不满足技术要求，需对磁轨制动器横向或纵向止档距离进行调整；（8）检查液压制动单元无漏油，通过检查窗检查液压油油量，检查液压油管路无漏油，油管紧固件防松线无错位。