摘 要：本文介绍了一种电子机械-液压混合制动方案，分析其在轨道交通车辆上的应用时的优缺点，并探讨了该方案后续需要研究的技术难点。
关键词：电子机械制动；轨道交通；地铁车辆
The Scheme for Electronic Mechanical Brake Associate With Hydraulic System
Xie yongqing，Qian hua ， Liu wenfeng，Xia shuai
(Zhuzhou CSR TIMS Electric Co., Zhuzhou, Hunan,412001, China)
Abstract：This paper introduces a scheme for electronic mechanical brake associate with hydraulic system, and analyses its advantages and disadvanges when be applied to the rail transit vehicles. Then also discuss the technical difficulties which need to be surmounted of the scheme.
Keywords：Electronic mechanical brake; Rail transit; Metro Vehicle
一、引言
在上篇“电子机械制动及其在轨道交通车辆的应用探讨”的文章中，笔者介绍了电子机械制动技术,以及该技术在轨道交通车辆上的应用情况和发展现状，并分析了该技术在轨道交通车辆应用时还存在以下难点：紧急制动时的可靠性比较差、元器件故障时不易导向安全性、制动力精确检测技术以及可连续堵转电机及其力矩精确控制技术难度大。针对上述技术难点，本文将提出一种全新的液压-电子机械混合制动方案。
二、液压-电子机械混合制动方案介绍
液压-电子机械混合制动方案充分利用了电机动态响应快的特点，应用力矩电机进行制动力控制。同时，采用液压系统通过蓄能器提供紧急制动，增加系统的可靠性。系统方案原理如下图1所示，与传统的液压制动系统相比，制动力的调节是电机完成的，因此不需要高精度的液压压力伺服阀，整个系统对液压油的要求比传统液压制动系统低，维护相对简单。同时，电机的动态响应性能比液压伺服阀高，有利于提高系统的防滑性能。系统采用蓄能器存储压力油，紧急制动时存储的液压油压力可以直接传递到制动夹钳，推动夹钳完成制动，提高系统的紧急制动可靠性。
1主溢流阀 2定量泵 3单向阀 4保持阀 5蓄能器 6紧急阀 7紧急限压阀 8电子载荷阀 9防滑限时阀 10压力传感器 11缓解阀 12主油缸 13主弹簧组 14复位弹簧组 15滚珠螺母 16制动夹钳 17间隙调整器 18丝杆 19电机制动器 20伺服电机 21减速器 22停放限位器 23 手动缓解阀 24缓解溢流阀 25保持限压阀
图1 传统制动系统及电子机械制动系统功能结构框图对比
常用制动时，阀4、阀6、阀11、阀23均处于截止位，电机制动器松开电机轴，滚珠螺母可以自由旋转，主弹簧组一面将丝杆向后推，一面将滚珠螺母向前推。由于丝杆的另一端存在密闭的油液，其刚度比主弹簧组的刚度大很大，因此丝杆的位置基本不变化。而由于复位弹簧组的复位力比主弹簧组的复位力小很多，滚珠螺母将一边旋转一边快速向前移动，推动制动夹钳靠近制动盘，快速消除制动夹钳与制动盘之间的间隙。同时伺服电机开始工作，输出正向扭矩驱动滚珠螺母继续推动夹钳压紧制动盘产生所需的制动力，并根据控制指令调整输出扭矩的大小来调整制动力。下图2为制动后系统状态图。
图2 常用制动状态
缓解时，电机反向工作带动滚珠螺母后退并压缩主弹簧组，同时复位弹簧组将滚珠丝杆副整体向后推，滚珠螺母和丝杆回退到原来的位置（即缓解位）。同时间隙调整器工作补偿本次制动过程中闸瓦的磨损量，保证闸瓦与制动盘的间隙保持不变。
当需要从常用制动状态进入保持制动状态时，电磁阀4得电导通，阀25将油压调整至保持制动时所需的压力后进入主油缸，同时电机缓慢卸载至完全松弛状态。主油缸的活塞（与丝杆一体）在液压作用下前出压缩主弹簧组并使闸瓦压紧制动盘，保持制动力完全由主油缸内的液压油提供，其状态如下图3所示。
图3 保持制动状态
当需要进行停放制动时，先进行保持制动过程，当系统进入如图5-3所示的状态后，将停放限位器放下，限制活塞杆后退，主弹簧组将一直处于被压缩状态，因此主弹簧组提供停放制动力，其系统状态如下图5-4所示。缓解时，如果系统正常则可以通过电控方式将停放限位器退出，之后的缓解过程与保持制动后的缓解过程一致。如果系统故障时，则可以通过手动方式将阀23打开，将主油缸中的液压油排回油箱，之后采用手动方式将停放限位器手动退出，系统将在主弹簧组和复位弹簧组的作用下自动缓解。
图4 停放制动状态
当电磁阀6失电导通时将实施紧急制动，蓄能器中压力油经过阀7时被调节至与当时载荷相对应的压力，之后进入主油缸推动活塞杆前进。主弹簧组被压缩，弹簧力将液压力传递到夹钳，使得夹钳压紧制动盘产生制动力。如果此时电机的功能一切正常，则可以控制阀9得电后进行防滑控制，但是阀9的连续得电时间不得超过4s。如果是因电机失效导致的紧急制动则没有防滑功能。缓解时，如果系统功能正常，则其缓解过程与保持制动后的缓解过程一致。如果系统故障时，缓解过程与停放制动后的缓解过程一致。
三、方案分析对比
混合方案原理如图5所示，主要由电子机械单元和液压单元组成。其中电子机械单元、主油缸、制动夹钳与闸调器等集成为一体，成为基础制动单元，每个车轮配备一个此类型的基础制动单元。而液压单元则可以根据需求不同，设计成每架一套或者每轴一套甚至是每轮一套。
图5 液压-电子机械制动系统原理图
1、与空气制动系统对比
由于没有空气制动系统中所需的空气压缩机[1]，因此与空气制动系统相比，液压-电子机械混合制动方案主要具有以下优点：采用模块化设计，体积小、重量轻；制动时运行平稳，振动噪音小，能源利用率高；系统的动态响应快，防滑效率高；
同时，与空气制动系统相比，液压-电子机械混合制动方案也存在有以下缺点：液压油存在泄漏的风险，对环境不友好；元器件的开发、制造成本较高，特别是可长期堵转、力矩精确可调的力矩伺服电机成本较高。
2、与液压制动系统对比
由于不需要采用液压系统所需的伺服阀[2]，因此与液压制动系统相比，液压-电子机械混合制动方案具有以下优点：电磁阀对系统清洁度要求低，各种元器件采购成本低；对油液污染相对不敏感，系统维护简单，使用寿命长；可以进行自我状态监测，便于故障诊断。
同时，与液压制动系统相比，液压-电子机械混合制动方案也存在有以下缺点：增加电子机械单元，系统相对复杂；电子机械部分没有油液流动，散热性不如液压系统好。
3、与电子机械制动系统对比
图5所示的液压-电子机械混合制动方案中的电子机械单元去掉其中的主油缸即为一套完整的电子机械制动系统。与电子机械制动系统相比，液压-电子机械混合制动方案具有以下优点：紧急制动的可靠性；液压单元和电子机械单元相互备份，元器件故障时导向安全；传感器布置在远离高温、振动的位置，制动力检测更容易，技术更成熟，精度更高。
同时，与液压制动系统相比，液压-电子机械混合制动方案也存在有以下缺点：增加了液压系统，存在泄漏的风险，对环境不友好；系统的维护性、故障诊断性能均有所降低；增加整个系统的重量和体积，增加液压单元的这部分成本。
四、探讨
液压-电子机械混合制动方案中，车辆的载荷是通过电子载荷阀将载荷信号转换为液压压力，以便在紧急制动时控制最大制动力，防止出现制动压力过大的情况。现有的系统方案中没有给出该电子载荷具体的实现原理，因此后续有必要对该电子载荷阀的具体实现进行深入的研究。
同时，在该液压-电子机械混合制动方案中，仍然需要使用自动间隙调整器。而间隙调整器的结构复杂，容易出现机械故障。通过系统优化而取消该间隙调整器也是后续一个重要的优化方向。
参考文献
[1] 夏寅荪,陈钟麟.上海地下铁道车辆制动系统（上）[J]. 铁道车辆，1995，33（1）：20-24.
[2] 高小波，段继超，熊梅，李达.低地板有轨电车液压制动系统选型研究[J]. 电力机车与城轨车辆，2017，40（1）：7-11.
作者简介：
1.余接任，男，1988.01、汉、株洲、工程师。
2.钱华，男，1977.07、汉、沅江、高级工程师。
3.刘文锋，男，1988.06、汉、天门、助理工程师。
4.夏帅，男，1980.06、汉、株洲、工程师。