第一节　制动的基本概念

一、基本概念

1.制动作用

人为地向运动物体施加外力，使其减速、防止加速、停止运动；人为地向静止物体施加外力，使其保持静止状态。这种作用被称为制动作用，实现制动作用的力称为制动力。

制动力是实现制动作用的外力，其大小可以人为控制。对于列车而言，主要是依靠钢轨与车轮踏面之间的黏着来实现。

2.缓解作用

对于运动或静止的物体，解除或减弱制动作用的过程称为缓解作用。

3.车辆制动装置

车辆制动装置安装在车辆上，能实现制动作用和缓解作用。其包括：

（1）空气制动机。司机可以统一操作控制的部分。

（2）人力制动机。只可以人力单独操作控制的部分。

（3）基础制动装置。接受并传递、扩大来自空气制动机或人力制动机的源动力，执行制动作用的部分。

4.列车自动制动机

（1）列车运行中如果发生车钩分离故障，能自动产生制动作用的制动机。

（2）在发生意外的情况下，通过操作车辆上的紧急制动阀，能够使列车发生制动作用的制动机。

5.制动距离

从司机将自动制动阀手把置于制动位开始到列车停止，列车所走过的距离称为制动距离。制动距离是综合反映列车制动能力的主要技术指标，我国《铁路技术管理规程》（普速铁路部分）第263条、《铁路技术管理规程》（高速铁路部分）第169条有具体规定。

6.制动波

列车需要制动时，通常是由司机操纵制动控制手柄使列车的制动作用沿着纵向逐一发生，这种制动作用沿列车由前向后逐一传播的现象称为制动波。

制动波的传播速度称为制动波速，它是综合评定列车制动性能的重要指标之一。

7.压缩空气

压缩空气（简称“气”或“风”）是空气制动机的动力源。由空气压缩机生产，储存于总风缸，以制动阀控制，用列车管路与每节车辆的制动机相连，通过压力变化实现制动作用或缓解作用。

二、制动技术在轨道运输中的作用

对铁道车辆，尤其是对于动车组而言，制动的重要性不仅仅是安全问题，它已经成为限制列车速度进一步提高的重要因素。要想使列车实现“高速”，除了要有大的牵引功率之外，还必须有足够强大的制动能力。

图1-1表示某列车运行于A、B两站之间。列车由A站发车，行驶了S距离加速到v1。S为起动加速距离，其长短取决于机车牵引功率的大小。若需要列车在B站停车，制动能力较大的列车开始实施制动的地点可以在距B站较近的a点处，其制动距离为S1。若另一列车的制动能力较小，则需提前于b点开始实施制动，制动距离为S2，延长了运行时间。若列车制动装置失效，仅靠自然阻力使其停止，则该列车必须在距B站更远的c点开始惰行，惰行距离为S3，其运行时间将最长。如果要求保证制动距离都为S1，则上述后两种情况的列车速度只能保持在v2、v3，降低了列车区间运行速度，降低了运输能力。

衡量一个国家的轨道交通运输能力，首先要看能制造多大牵引功率的机车，其次，牵引与制动是互相促进和制约的，没有先进的制动技术，就难以实现现代化的轨道交通运输。所以，制动装置的作用一方面是可以使列车在任何情况下减速、防止加速或停车，确保行车安全；另一方面是提高列车运行速度，提高牵引质量，即提高交通运输能力的重要前提条件。

三、制动方式的分类

从能量转换的观点来看，“制动”的实质就是将列车动能转换成别的能量或转移走；从作用力的观点来看，“制动”就是让制动装置产生与列车运行方向相反的外力（制动力），使列车产生较大的减速度，尽快减速或停车。采取什么方法将动能转化或转移，通过什么方法产生制动力，是制动的一个基本问题——“制动方式”问题。

1.闸瓦制动

闸瓦制动，又称踏面制动，是自有铁路以来使用最广泛的一种制动方式。闸瓦早期由铸铁制造，现在主要是用合成材料制成瓦状制动摩擦块。制动时，闸瓦压向车轮踏面，通过闸瓦与车轮踏面的摩擦将列车的动能转变为热能，消散于大气，使列车发生制动作用，如图1-2所示。

2.盘形制动

盘形制动是在车轴上或车轮辐板的两个侧面安装制动盘。制动时用制动夹钳使两个闸片紧压制动盘的两个侧面，通过闸片与制动盘间的摩擦产生制动作用，将列车动能转变成热能消散于大气，如图1-3所示。

与踏面制动相比较，盘形制动可以减轻车轮踏面的热负荷和机械磨耗；可以按照制动要求选择最佳的“摩擦副”；制动作用平稳，噪声小。所以，盘形制动已经广泛安装在新造客车和动车组车辆上。

3.电阻制动

电阻制动曾在动车组上大量使用，目前主要以热备的形式存在。另外，电阻制动还在电力机车、电力传动的内燃机车、地下铁道车辆上使用。制动时，将驱动轮对的牵引电动机转变为发电机，使列车的动能转变为电能，消耗于专门设置的电阻器，以强迫通风的方式使热量消散于大气，产生制动作用。

4.再生制动

再生制动目前已广泛应用于电力机车、电动车组。制动时，将驱动轮对的牵引电动机转变为发电机，将产生的电能反馈回供电网，使本来由电能变成的列车动能再生成电能，而不是变成热能消散出去。

虽然再生制动系统技术比较复杂，但其经济效益显著，在20世纪90年代后成为动力制动的首选方案。

当列车高速运行时，再生制动效果较好。但低速时，效果不明显，尤其是在附近没有消耗再生制动电流的负载时，车辆的再生电压将升高，防止过电压的保护电路将会动作，切掉再生制动，使其失效。

5.轨道电磁制动

轨道电磁制动又称电磁轨道制动，或简称磁轨制动。在转向架两个侧架下面的车轮之间各安装一个电磁铁，制动时将它放下并利用电磁吸力压紧钢轨，通过电磁铁上的磨耗板与钢轨之间的滑动摩擦产生制动力，将列车的动能变为热能消散于大气，如图1-4所示。

磁轨制动的优点是制动力不受轮轨间黏着系数限制，可以避免车轮滑行。但是设备质量较大，增加了车辆自重并加速了钢轨的磨耗。

6.轨道涡流制动

轨道涡流制动又称线性涡流制动或涡流式轨道电磁制动，与磁轨制动相似，也是把电磁铁悬挂在转向架侧梁下面的车轮之间。不同的是电磁铁在制动时只放下到离轨面7～10mm处，而不与钢轨接触。它是利用电磁铁和钢轨的相对运动使钢轨轨面感应涡流，产生作用于电磁铁也即作用于车辆的制动力，并把列车动能变为热能消散于大气。这种制动方式具有无磨耗和噪声小的特点，但耗电量大，大约是磁轨制动的10倍。

7.旋转涡流制动

旋转涡流制动又称涡流式盘形制动，是在牵引电机轴上或车轴上安装作为电磁感应体的金属涡流盘，制动时金属盘在电磁铁形成的磁场中旋转，盘的表面被感应出涡流，产生电磁吸力，并发热消散于大气，产生制动作用。这种制动方式用于日本新干线100系、300系和700系动车组的拖车上，其原理如图1-5所示。

8.翼板制动

翼板制动是在制动时利用车辆外伸的“翼板”，人为地增加空气阻力，从而产生制动作用的一种制动方式。目前还处于试验之中，如果翼板的位置适当，列车制动时的空气阻力可以增加3～4倍。

上述制动方式中，电阻制动、再生制动、金属盘安装在牵引电机轴上的旋转涡流制动，都是让列车的动力轮对带动其动力传动装置产生逆作用，消耗或回收列车动能。习惯上常常统称为“动力制动”。

除轨道电磁制动和轨道涡流制动外，都是通过轮轨间的黏着来产生制动力，并且制动力的最大值受到黏着力的限制，所以习惯上统称为“黏着制动”，而把不通过黏着者统称为“非黏（着）制动”。

在所有制动方式中，闸瓦制动、盘形制动、轨道电磁制动等都是通过机械摩擦而产生制动作用，所以习惯上也常常把它们统称为“摩擦制动”，而把其他不通过摩擦的制动方式称为“非摩（擦）制动”。

四、轨道车辆制动机应具备的条件

为了使列车按需要及时平稳地停车或方便地调整列车运行速度，保证运行安全，综合各种制动方式，要求轨道车辆制动机应具备如下条件：

（1）安全性要求。应具有足够的制动力，在发生紧急情况时，必须保证列车在《铁路技术管理规程》规定的制动距离内安全停车。

（2）制动与缓解的作用灵敏、准确，制动力大小能按需要进行调节。制动波速快，在长大列车中能使前后部车辆制动机作用基本一致，避免发生过大的纵向冲击力。

（3）具有一定的稳定性，防止列车运行中因为列车管有轻微的漏泄等原因而引起自然制动。

（4）各车辆的制动力均匀一致，制动系统能根据车辆载荷的变化自动调整制动力。

（5）在长大下坡道运行时，具有制动力不衰减的性能。制动缸漏泄时有自动补风作用。

（6）有可靠的紧急制动性能，并且除了司机操纵外，必要时还可以由其他乘务人员利用在车辆客室内安装的紧急制动阀（或紧急制动按钮），操纵全列车紧急停车，确保行车安全。

（7）列车在运行途中发生意外车钩分离事故时，全列车应能自动产生紧急制动作用。

（8）应用制动防滑系统。在不致于擦伤车轮的前提下，充分利用轮轨间的黏着力，实现制动作用，减少车轮踏面擦伤。

（9）安装各种制动机的车辆应能混编运用，其制动与缓解的动作、效果能协调一致。

（10）基础制动装置各部件应有足够的强度，结构合理，各连接部分灵活耐磨，具有较高的制动效能；闸瓦、闸片耐磨耐热，其摩擦系数应与轮轨黏着系数相适应。

（11）动车组要具有动力制动与摩擦制动的复合制动能力。

（12）构造简单，便于制造和检修；采用新技术、新材料及轻量化技术，尽可能采用标准件、通用件；能适应南、北方夏季和冬季温差大的气候条件，保证制动机在±50℃范围内能正常工作。