軌道交通技術(shù)之--日本制動(dòng)系統(tǒng)

1、1 日本鐵路制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展歷程在1872年，裝配有蒸汽制動(dòng)裝置的蒸汽機(jī)車在日本的第一條鐵路（東京到橫濱）上開始運(yùn)營。在當(dāng)時(shí)，只有蒸汽機(jī)車才安裝有蒸汽制動(dòng)裝置（如圖1）。后來，日本又開發(fā)出真空閘（vacuum brake ），由蒸汽噴射器（steam ejector）提供動(dòng)力，從而通過利用機(jī)車之間氣壓和真空的差異性來進(jìn)行制動(dòng)。真空閥大約在1895年被運(yùn)用到客運(yùn)列車上面，從此列車運(yùn)行變得更加安全。 1906年，日本鐵路在國有化以后，全國軌道線路總里程達(dá)到7153公里。由于空氣制動(dòng)比真空制可以更加方便地維護(hù)，在1918年，日本鐵路部規(guī)定所有車輛均須安裝空氣制動(dòng)裝置。為了達(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn)，日本從1920年開

2、始對所有列車的制動(dòng)裝置進(jìn)行改裝，改裝歷時(shí)大約10年左右的時(shí)間。到1931年，日本所有的列車均使用空氣制動(dòng)，采用的k 三通閥（k triple valve）是在Westinghouse 設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)而成（圖2）。 如今，日本絕大多數(shù)客運(yùn)列車是電氣化列車，并且每年大約制造出2000節(jié)客車車廂，其中97%是電氣化列車。在1955年，電氣化列車開始安裝擁有電磁閥（solenoid valve）的空氣制動(dòng)裝置，從而使得制動(dòng)效果得到顯著改善。與此同時(shí)，動(dòng)態(tài)制動(dòng)（dynamic brake ），也稱之為再生制動(dòng)，開始得到推廣。當(dāng)1964年東海道新干線路段開通時(shí)，列車采用了兩套制動(dòng)系統(tǒng)，一個(gè)是空氣制動(dòng)

3、，另一個(gè)是動(dòng)力制動(dòng)。1970年，制動(dòng)效果更好的電力控制空氣制動(dòng)系統(tǒng)（electric command air brake system）開始推廣，被運(yùn)用于新干線和窄軌動(dòng)車組。2 空氣制動(dòng)基本原理圖3顯示了自動(dòng)空氣制動(dòng)系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。每兩節(jié)或者四節(jié)車廂就安裝有一臺(tái)空氣壓縮機(jī)，空氣首先被壓縮至700-900kpa ，然后壓縮空氣被送入儲(chǔ)氣缸（air reservoir ）。通過壓力調(diào)節(jié)器可以將壓縮空氣的氣壓降低至490kpa ，再依次通過制動(dòng)閥、制動(dòng)導(dǎo)管和控制閥，最后到達(dá)輔助儲(chǔ)氣缸。當(dāng)制動(dòng)導(dǎo)管和輔助儲(chǔ)氣缸的壓縮空氣壓力在490kpa 時(shí)，制動(dòng)器不啟動(dòng)。然而，當(dāng)制動(dòng)閥切斷來自壓力調(diào)節(jié)器的空氣時(shí)，控制

4、閥就會(huì)監(jiān)測到制動(dòng)導(dǎo)管的氣壓降低情況，從而根據(jù)氣壓降低的幅度，調(diào)節(jié)從輔助儲(chǔ)氣缸到制動(dòng)汽缸的壓縮空氣流量。制動(dòng)汽缸會(huì)驅(qū)動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)使列車減速?？刂崎y會(huì)根據(jù)制動(dòng)管道氣壓降低的幅度相應(yīng)調(diào)節(jié)從輔助儲(chǔ)氣缸到制動(dòng)汽缸的空氣流量。圖4顯示了直通空氣制動(dòng)機(jī)（straight air brake）的運(yùn)作流程。與自動(dòng)空氣制動(dòng)系統(tǒng)不同的是，直通空氣制動(dòng)機(jī)沒有控制閥或輔助儲(chǔ)氣缸。制動(dòng)閥通過將壓縮空氣輸送到制動(dòng)汽缸，來完成列車制動(dòng)。 然而，在正常運(yùn)行狀態(tài)下，直通空氣管道不含有壓縮空氣，當(dāng)列車處于解鉤狀態(tài)下，制動(dòng)會(huì)失效。為了解決上述問題，需要將直通空氣制動(dòng)系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)合起來。還可以增設(shè)一條管道，其功能類似于自動(dòng)空氣制

5、動(dòng)系統(tǒng)中的制動(dòng)管道。當(dāng)主要空氣儲(chǔ)氣缸壓縮空氣的壓力下降，或者空氣管道漏氣，就能夠監(jiān)測出壓力下降變化，制動(dòng)系統(tǒng)就會(huì)相應(yīng)運(yùn)轉(zhuǎn)。例如在新干線，如果管道氣壓低于600kpa ，制動(dòng)系統(tǒng)就好自動(dòng)發(fā)揮作用。3 列車制動(dòng)原理為了確保機(jī)車安全運(yùn)行，政府部門往往會(huì)制定相應(yīng)的規(guī)范，對制動(dòng)距離和減速率進(jìn)行了限定。日本的規(guī)定是窄軌機(jī)車在最大時(shí)速運(yùn)行時(shí)的減速距離不得超過600米。為了使機(jī)車在盡可能短的距離內(nèi)停下來，當(dāng)前窄軌機(jī)車的最高時(shí)速被控制在130km/h以內(nèi)。目前正在進(jìn)行研究，以探索更高效率的減速技術(shù)，盡可能地縮短列車減速距離，也就是說，在實(shí)現(xiàn)同樣減速距離的情況下，列車能夠以更高的時(shí)速行使。如果列車沒有安裝自動(dòng)防故

6、障裝置，那么就不可能及時(shí)減速，從而不可能高速行使，列車之間的間隔時(shí)間（距離）也不可能大幅度縮短?？梢哉f，正是因?yàn)橛辛司_和出眾的制動(dòng)系統(tǒng)，才使得新干線列車的時(shí)速達(dá)到了300km/h，列車間隔時(shí)間縮短到2分鐘。早期由于列車制動(dòng)系統(tǒng)失靈，列車超速行使，線路末端的緩沖器也難以發(fā)揮作用，可謂是損失慘重。 制動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的能量非常巨大，下面就是一個(gè)典型的例子。一列16節(jié)車廂的500系列車在滿員的情況下，總重量大約509噸，當(dāng)該列車以300km/h的時(shí)速停止時(shí)，制動(dòng)系統(tǒng)所吸收的能量大約為1.77×109焦耳。能量之大，足以使4200升水從冰點(diǎn)升到沸點(diǎn)，還相當(dāng)于汽車所釋放能量的1000-2000倍。

7、因此，當(dāng)列車進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，如此巨大的能量將會(huì)轉(zhuǎn)化到機(jī)車車輪和軌道上面。轉(zhuǎn)化的方式既可以通過車輪與軌道之間的摩擦力和粘著力進(jìn)行轉(zhuǎn)化，也可以通過非粘著方式進(jìn)行轉(zhuǎn)化。日本大多數(shù)機(jī)車采用粘著力轉(zhuǎn)化方式。非粘著力方法通過安裝在車廂上的置架板（mounting panel ）來增加空氣阻力，或者使用制動(dòng)蹄片。大多數(shù)機(jī)車的制動(dòng)系統(tǒng)或者采用電力制動(dòng)方式，或者采用機(jī)械制動(dòng)方式。4 電力制動(dòng)系統(tǒng)另外一種制動(dòng)系統(tǒng)就是電力機(jī)車使用的電力動(dòng)態(tài)制動(dòng)方式，通過電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)釋放出熱能。再生制動(dòng)則將能量用于發(fā)電而非以熱量的行使釋放，是一種節(jié)省能量的有效方法，因而得到了廣泛采用。 圖5表明了電力牽引、動(dòng)態(tài)制動(dòng)和再生制動(dòng)的基本原理。盡管

8、列車是在牽引電機(jī)推動(dòng)作用之下實(shí)現(xiàn)加速的，但是在制動(dòng)狀態(tài)下，牽引電機(jī)也同時(shí)就具有發(fā)動(dòng)機(jī)的功能，形成一個(gè)由電阻器（resistor ）、電樞（armatures ）等構(gòu)成的回路。電流在回路中被電阻器轉(zhuǎn)化為熱能，從而達(dá)到制動(dòng)效果。 再生制動(dòng)使用同樣的回路，但是制動(dòng)所產(chǎn)生的熱量并不是被電阻器消耗，而是轉(zhuǎn)化為電能，并且輸送到架空線（overhead wire）上面。受電弓架（pantograph ）上面的控制器對電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。 總之，電力制動(dòng)系統(tǒng)非常經(jīng)濟(jì)，不像機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)那樣需要使用摩擦部件。再生制動(dòng)系統(tǒng)則更加經(jīng)濟(jì)，因?yàn)榭梢詫⒘熊嚠a(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)化為電能輸送到高架電線上面，生成的電能可以帶動(dòng)其它機(jī)車運(yùn)轉(zhuǎn)（圖

9、6）。 電力制動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)缺陷就是電路比較復(fù)雜，有時(shí)候會(huì)發(fā)生故障，正是用于這一原因，該系統(tǒng)不能被用于緊急制動(dòng)。在電力制動(dòng)系統(tǒng)中，制動(dòng)力被牽引電機(jī)通過齒輪傳輸?shù)綑C(jī)車車輪上面（圖7），所產(chǎn)生的電力可以調(diào)節(jié)制動(dòng)力的大小。 5 機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)（mechanical braking systems ）所使用的制動(dòng)設(shè)備主要有車輪踏面制動(dòng)裝置（wheel-tread brakes ，見圖8）、軸剎車片（axe-mounted disk brakes 見圖9）和輪剎車片（wheel-mounted disk brakes見圖10）。 上述所有裝置均使用閘皮（brake shoe ）和襯片（linin

10、g ），通過施加摩擦力來達(dá)到制動(dòng)效果。在車輪踏面制動(dòng)裝置中，閘皮會(huì)向車輪踏面施加摩擦力。但是高速列車不能采用這種制動(dòng)方式，因?yàn)檫@樣很容易損壞車輪踏面。可以使用剎車片制動(dòng)方式。由于剎車片非常重，目前一般傾向使用重量輕的剎車片，碳合金剎車片和鋁合金剎車片是理想的選擇，它們采用了由碳化纖維（carbon fiber ）制造的轉(zhuǎn)子和定子。在制動(dòng)過程中，剎車片相互摩擦，產(chǎn)生摩擦力，從而降低車輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度。此類剎車片重量輕，與一般剎車片相比，具有良好的耐熱性能（圖11）。 總之，鋁合金剎車片比鍛鋼和鑄鐵剎車片輕很多，其結(jié)構(gòu)與軸剎車片和輪剎車片一樣，設(shè)計(jì)上不需改動(dòng)，使用非常方便。6 制動(dòng)系統(tǒng)的控制為了達(dá)到滿意

11、、理想的制動(dòng)效果，每節(jié)車廂上的車閘必須同時(shí)發(fā)揮作用，并且制動(dòng)力度也要恰到 好處。制動(dòng)的時(shí)機(jī)和力度是由電子控制系統(tǒng)或空氣控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。 圖 12、13 分別顯示了數(shù)字電子控制系統(tǒng)和制動(dòng)控制單元（BCU，brake control unit）的運(yùn)行原理。 數(shù)字電子控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)數(shù)字電壓（digital voltage）來控制制動(dòng)力的大小?？諝饪刂凭€路，也 稱之為模擬分配器系統(tǒng)（analog dispatcher system）則控制管道的氣壓，應(yīng)用于貨車和客車車廂， 即使在沒有電力供應(yīng)的條件下也能夠傳達(dá)控制信號(hào)。電力控制系統(tǒng)應(yīng)用于新干線和一些新型列 車，具有重量輕、響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。制動(dòng)控制

12、單元?jiǎng)t根據(jù)制動(dòng)命令、電子制動(dòng)力（再生制動(dòng)） 、 乘客數(shù)量以及列車時(shí)速等諸多因素來調(diào)節(jié)最佳的制動(dòng)效果。 7 提高制動(dòng)性能 7.1 補(bǔ)償附著力損失和打滑 在雨雪天氣條件下，由于鋼軌變濕，不可能施加很強(qiáng)的制動(dòng)力。否則，結(jié)果就和汽車在結(jié)冰路面 上緊急剎車一樣危險(xiǎn)。為此，通過收集相關(guān)數(shù)據(jù)可以制定一套規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)即附著力基準(zhǔn)值，為了防 止打滑，列車在運(yùn)行過程中不得超過這一標(biāo)準(zhǔn)。 在潮濕環(huán)境下，如果制動(dòng)力度過猛，車輪就會(huì)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，列車就會(huì)向前滑動(dòng)，后果是車輪過度磨 損，還會(huì)在車輪表面形成一些小平面，造成噪音和震動(dòng)。為了避免上述不良狀況，需要開發(fā)一種 打滑保護(hù)裝置，在發(fā)現(xiàn)列車打滑時(shí)，能夠自動(dòng)地減少制動(dòng)力。目前上述

13、裝置已經(jīng)安裝在新干線以 及普通和特快列車上面，甚至還安裝在一些通勤列車上面。 7.2 陶瓷顆粒噴射系統(tǒng) 車輪踏面和鐵軌表面往往有一些微小的不平坦的地方， 使得輪軌之間的摩擦力加大。 如果在兩者 接觸面之間有一層水膜，附著力就會(huì)降低。當(dāng)列車以 300km/h 時(shí)速行使時(shí)，水膜的厚度大約是 1m。在雨雪季節(jié)，為了提高輪軌之間的附著力，列車安裝了陶瓷顆粒噴射系統(tǒng)（ceramic particle jetting system） 。利用壓縮空氣向輪軌之間噴射細(xì)微的陶瓷顆粒（直徑大約 10m）來達(dá)到增強(qiáng)附 著力的目的。 該系統(tǒng)已經(jīng)在新干線 500 型列車以及在陡峭線路上運(yùn)行的普通列車上采用 （圖 14） 。 車輛軌條減速器 rail brake 當(dāng)前的列車制動(dòng)主要依賴于輪軌之間附著力的大小。 但是， 從新干線以及其它高速鐵路機(jī)車的指 標(biāo)來看，附著力隨著速度的增加而減少，為了減少打滑現(xiàn)象，有必要降低制動(dòng)力，但結(jié)果卻是增 加了制動(dòng)距離。為了解決這一矛盾，開發(fā)了一種車輛軌條制動(dòng)裝置（rail brake） ，不需要依賴附 著力即可實(shí)現(xiàn)良好的制動(dòng)性能。 該裝置通過鐵軌表面的渦流（eddy current）產(chǎn)生磁推斥（magnetic repulsion）