轨道交通技术之--日本制动系统

1 日本铁路制动系统发展历程在1872年，装配有蒸汽制动装置的蒸汽机车在日本的第一条铁路（东京到横滨）上开始运营。

在当时，只有蒸汽机车才安装有蒸汽制动装置（如图1）。

后来，日本又开发出真空闸（vacuum brake），由蒸汽喷射器（steam ejector）提供动力，从而通过利用机车之间气压和真空的差异性来进行制动。

真空阀大约在1895年被运用到客运列车上面，从此列车运行变得更加安全。

1906年，日本铁路在国有化以后，全国轨道线路总里程达到7153公里。

由于空气制动比真空制可以更加方便地维护，在1918年，日本铁路部规定所有车辆均须安装空气制动装置。

为了达到这一标准，日本从1920年开始对所有列车的制动装置进行改装，改装历时大约10年左右的时间。

到1931年，日本所有的列车均使用空气制动，采用的k三通阀（k triple valve）是在Westinghouse 设计的基础上进行改进而成（图2）。

如今，日本绝大多数客运列车是电气化列车，并且每年大约制造出2000节客车车厢，其中97%是电气化列车。

在1955年，电气化列车开始安装拥有电磁阀（solenoid valve）的空气制动装置，从而使得制动效果得到显著改善。

与此同时，动态制动（dynamic brake），也称之为再生制动，开始得到推广。

当1964年东海道新干线路段开通时，列车采用了两套制动系统，一个是空气制动，另一个是动力制动。

1970年，制动效果更好的电力控制空气制动系统（electric command air brake system）开始推广，被运用于新干线和窄轨动车组。

2 空气制动基本原理图3显示了自动空气制动系统的内部结构。

每两节或者四节车厢就安装有一台空气压缩机，空气首先被压缩至700-900kpa，然后压缩空气被送入储气缸（air reservoir）。

通过压力调节器可以将压缩空气的气压降低至490kpa，再依次通过制动阀、制动导管和控制阀，最后到达辅助储气缸。

当制动导管和辅助储气缸的压缩空气压力在490kpa时，制动器不启动。

然而，当制动阀切断来自压力调节器的空气时，控制阀就会监测到制动导管的气压降低情况，从而根据气压降低的幅度，调节从辅助储气缸到制动汽缸的压缩空气流量。

制动汽缸会驱动制动系统使列车减速。

控制阀会根据制动管道气压降低的幅度相应调节从辅助储气缸到制动汽缸的空气流量。

图4显示了直通空气制动机（straight air brake）的运作流程。

与自动空气制动系统不同的是，直通空气制动机没有控制阀或辅助储气缸。

制动阀通过将压缩空气输送到制动汽缸，来完成列车制动。

然而，在正常运行状态下，直通空气管道不含有压缩空气，当列车处于解钩状态下，制动会失效。

为了解决上述问题，需要将直通空气制动系统和自动控制系统结合起来。

还可以增设一条管道，其功能类似于自动空气制动系统中的制动管道。

当主要空气储气缸压缩空气的压力下降，或者空气管道漏气，就能够监测出压力下降变化，制动系统就会相应运转。

例如在新干线，如果管道气压低于600kpa，制动系统就好自动发挥作用。

3 列车制动原理为了确保机车安全运行，政府部门往往会制定相应的规范，对制动距离和减速率进行了限定。

日本的规定是窄轨机车在最大时速运行时的减速距离不得超过600米。

为了使机车在尽可能短的距离内停下来，当前窄轨机车的最高时速被控制在130km/h以内。

目前正在进行研究，以探索更高效率的减速技术，尽可能地缩短列车减速距离，也就是说，在实现同样减速距离的情况下，列车能够以更高的时速行使。

如果列车没有安装自动防故障装置，那么就不可能及时减速，从而不可能高速行使，列车之间的间隔时间（距离）也不可能大幅度缩短。

可以说，正是因为有了精确和出众的制动系统，才使得新干线列车的时速达到了300km/h，列车间隔时间缩短到2分钟。

早期由于列车制动系统失灵，列车超速行使，线路末端的缓冲器也难以发挥作用，可谓是损失惨重。

制动系统产生的能量非常巨大，下面就是一个典型的例子。

一列16节车厢的500系列车在满员的情况下，总重量大约509吨，当该列车以300km/h的时速停止时，制动系统所吸收的能量大约为1.77×109焦耳。

能量之大，足以使4200升水从冰点升到沸点，还相当于汽车所释放能量的1000-2000倍。

因此，当列车进行制动时，如此巨大的能量将会转化到机车车轮和轨道上面。

转化的方式既可以通过车轮与轨道之间的摩擦力和粘着力进行转化，也可以通过非粘着方式进行转化。

日本大多数机车采用粘着力转化方式。

非粘着力方法通过安装在车厢上的置架板（mounting panel）来增加空气阻力，或者使用制动蹄片。

大多数机车的制动系统或者采用电力制动方式，或者采用机械制动方式。

4 电力制动系统另外一种制动系统就是电力机车使用的电力动态制动方式，通过电机运转释放出热能。

再生制动则将能量用于发电而非以热量的行使释放，是一种节省能量的有效方法，因而得到了广泛采用。

图5表明了电力牵引、动态制动和再生制动的基本原理。

尽管列车是在牵引电机推动作用之下实现加速的，但是在制动状态下，牵引电机也同时就具有发动机的功能，形成一个由电阻器（resistor）、电枢（armatures）等构成的回路。

电流在回路中被电阻器转化为热能，从而达到制动效果。

再生制动使用同样的回路，但是制动所产生的热量并不是被电阻器消耗，而是转化为电能，并且输送到架空线（overhead wire）上面。

受电弓架（pantograph）上面的控制器对电流进行调节。

总之，电力制动系统非常经济，不像机械制动系统那样需要使用摩擦部件。

再生制动系统则更加经济，因为可以将列车产生的热量转化为电能输送到高架电线上面，生成的电能可以带动其它机车运转（图6）。

电力制动系统的一个缺陷就是电路比较复杂，有时候会发生故障，正是用于这一原因，该系统不能被用于紧急制动。

在电力制动系统中，制动力被牵引电机通过齿轮传输到机车车轮上面（图7），所产生的电力可以调节制动力的大小。

5 机械制动系统机械制动系统（mechanical braking systems）所使用的制动设备主要有车轮踏面制动装置（wheel-tread brakes，见图8）、轴刹车片（axe-mounted disk brakes见图9）和轮刹车片（wheel-mounted disk brakes见图10）。

上述所有装置均使用闸皮（brake shoe）和衬片（lining），通过施加摩擦力来达到制动效果。

在车轮踏面制动装置中，闸皮会向车轮踏面施加摩擦力。

但是高速列车不能采用这种制动方式，因为这样很容易损坏车轮踏面。

可以使用刹车片制动方式。

由于刹车片非常重，目前一般倾向使用重量轻的刹车片，碳合金刹车片和铝合金刹车片是理想的选择，它们采用了由碳化纤维（carbon fiber）制造的转子和定子。

在制动过程中，刹车片相互摩擦，产生摩擦力，从而降低车轮转动速度。

此类刹车片重量轻，与一般刹车片相比，具有良好的耐热性能（图11）。

总之，铝合金刹车片比锻钢和铸铁刹车片轻很多，其结构与轴刹车片和轮刹车片一样，设计上不需改动，使用非常方便。

6 制动系统的控制为了达到满意、理想的制动效果，每节车厢上的车闸必须同时发挥作用，并且制动力度也要恰到好处。

制动的时机和力度是由电子控制系统或空气控制系统来实现的。

图12、13分别显示了数字电子控制系统和制动控制单元（BCU，brake control unit）的运行原理。

数字电子控制系统通过调节数字电压（digital voltage）来控制制动力的大小。

空气控制线路，也称之为模拟分配器系统（analog dispatcher system）则控制管道的气压，应用于货车和客车车厢，即使在没有电力供应的条件下也能够传达控制信号。

电力控制系统应用于新干线和一些新型列车，具有重量轻、响应时间短等优点。

制动控制单元则根据制动命令、电子制动力（再生制动）、乘客数量以及列车时速等诸多因素来调节最佳的制动效果。

7 提高制动性能7.1 补偿附着力损失和打滑在雨雪天气条件下，由于钢轨变湿，不可能施加很强的制动力。

否则，结果就和汽车在结冰路面上紧急刹车一样危险。

为此，通过收集相关数据可以制定一套规范标准即附着力基准值，为了防止打滑，列车在运行过程中不得超过这一标准。

在潮湿环境下，如果制动力度过猛，车轮就会停止转动，列车就会向前滑动，后果是车轮过度磨损，还会在车轮表面形成一些小平面，造成噪音和震动。

为了避免上述不良状况，需要开发一种打滑保护装置，在发现列车打滑时，能够自动地减少制动力。

目前上述装置已经安装在新干线以及普通和特快列车上面，甚至还安装在一些通勤列车上面。

7.2 陶瓷颗粒喷射系统车轮踏面和铁轨表面往往有一些微小的不平坦的地方，使得轮轨之间的摩擦力加大。

如果在两者接触面之间有一层水膜，附着力就会降低。

当列车以300km/h时速行使时，水膜的厚度大约是1μm。

在雨雪季节，为了提高轮轨之间的附着力，列车安装了陶瓷颗粒喷射系统（ceramic particle jetting system）。

利用压缩空气向轮轨之间喷射细微的陶瓷颗粒（直径大约10μm）来达到增强附着力的目的。

该系统已经在新干线500型列车以及在陡峭线路上运行的普通列车上采用（图14）。

车辆轨条减速器rail brake当前的列车制动主要依赖于轮轨之间附着力的大小。

但是，从新干线以及其它高速铁路机车的指标来看，附着力随着速度的增加而减少，为了减少打滑现象，有必要降低制动力，但结果却是增加了制动距离。

为了解决这一矛盾，开发了一种车辆轨条制动装置（rail brake），不需要依赖附着力即可实现良好的制动性能。

该装置通过铁轨表面的涡流（eddy current）产生磁推斥（magnetic repulsion），进而形成制动力。

由于担心涡流产生的热量会使车轮表面温度过高而引发侧向弯曲，因此该装置并没有被投入使用。

不过，通过涡流和摩擦力的配合，可以解决这一问题。

图15显示了该装置的运行原理。

安装转向架上的车辆轨条减速器与电池连接，通过南北极的不断变换来产生磁场。

磁场会在铁轨表面产生涡流，形成与列车运动方向相反的制动力。

由于这种车辆轨条减速装置是一种非附着力的制动方式，可以与附着力制动配合使用，因而有着巨大的发展潜力。