车辆制动技术

1、模块十一 高速列车和重载列车制动 为了提高铁路的运输能力，货物列车一直在向“重载列车”方向发展，旅客列车现在 正向“高速列车”方向发展。无论重载列车和高速列车，制动都是一个非常关键的问题。本章着重介绍了我国重载列车和高速列车制动装置的使用情况和发展方向。项目一 高速列车制动一、概述 高速列车由动车和拖车编组而成（日本新干线的 0 系列高速列车例外，该高速列车由16 辆动车组成，无拖车） 。其编组辆数一般不会太多。高速列车的运行速度很高，其构造速 度相当于我国现行的一般普通旅客列车 （结构速度： 100140km/h ）的 2 倍左右 （200300km/h ），故高速列车的动能很大。要在不太长

2、的制动时间和距离内将此巨大的动 能转移、消散，没有足够大的制动功率和更灵敏的制动操纵控制系统是不行的。高速列车制动有两个主要特点：1多种制动方式协调配合，而且普遍装有防滑器；2列车制动操纵控制普遍采用了电控、电磁直通或微机控制电气指令式等更为灵敏、 迅速的系统。高速列车采用的制动方式共七种，可分为三类： 1受粘着限制的摩擦制动闸瓦（踏面）制动、盘形制动（摩擦式圆盘制动）；2受粘着限制的动力制动电阻制动、 再生制动、 旋转涡流制动 （涡流式圆盘制动） ； 3不受粘着限制的非粘着制动磁轨制动 （摩擦式轨道电磁制动） 、线性涡流制动 （涡 流式轨道电磁制动） 。高速列车的动车 （具有牵引动力装置的车

3、辆） 一般是在前两类粘着制动中各取 12 种配 合使用。例如法国的 TGV A 高速列车的动车就是采用“闸瓦制动+电阻制动”；日本新干线的 0 系和 100 系高速列车的动车则采用“盘形制动 +电阻制动”；日本的 300 系、德国的 ICE 高速列车的动车则采用“盘形制动 +再生制动”。高速列车的拖车， 因没有牵引动力装置， 无法采用动力制动， 故一般是在第一类和第三 类中各取 1种配合使用。 例如日本新干线的 100系和 300系高速列车的拖车则采用 “盘形制 动+线性涡流制动” ；德国的 ICE 高速列车的拖车则采用“盘形制动 +磁轨制动”或“盘形制 动+轨道涡流制动” 。当然，也有些例外

4、：法国的 TGV S 高速列车的拖车采用“闸瓦制动 + 盘形制动”，全是第一类的，法国的 TGV A 高速列车的拖车连闸瓦制动都不用，只用盘形 制动。高速列车的制动有三个明显的发展趋势：1粘着制动始终是基础，盘形制动终究要替代闸瓦制动，因盘形制动的“摩擦副”在结构和材质上都可以双向选择，能承受较大的热负荷，车轮踏面的磨耗也可以减轻。2在动力制动中，电阻制动逐渐被再生制动所替代，因后者可以节能，经济性比较好。3非粘着制动是特别需要的一种制动方式。在非粘着制动中，摩擦式和涡流式基本上 平分秋色。前者要磨损电磁铁和钢轨，而后者虽无此磨损但耗电较多。由于粘着制动始终是基础， 为了充分利用粘着， 高速列

5、车普遍装有防滑器。 多种制动方 式的协调配合和装有防滑器， 只能缩短有效制动距离， 为了缩短制动空走时间从而缩短空走 距离， 高速列车的主要控制方式已由空气压力控制 （气控）普遍转变为电控， 即由空气制动 机转变为电空制动机， 由自动式转变为电磁直通式， 甚至转变为电气指令式 （即采用微机控 制）。高速列车制动的总目标是控制列车的制动距离， 使它不至于随着列车速度的增大而增大 得太多， 但制动距离应随列车速度的提高而适当延长。 否则制动时列车减速度就会太大， 使 旅客难以承受。二、高速列车新型制动技术ICE3 高速列车于 2000 年秋天首次进入商业运营。轨道通过安装在列车转向架上相互串联的感

6、应电磁铁使轨道1技术概述 采用轨道涡流制动技术的德国 涡流制动利用线性电机的工作原理， 产生涡流，涡流在钢轨上生成了与列车转向架上的制动磁铁相互反作用的电磁力来对运行着的列车实施制动。悬挂在列车转向架上的制动电磁铁正对着轨道面。由于轨道涡流制动避免了列车高速运行时车轮与闸瓦或盘形制动装置中闸片与制动盘等部件的机械磨损，以及噪 音、摩擦热应力和维修工作量，从而延长了使用寿命。轨道涡流制动技术除了无摩擦的优点之外， 另一个优点就是在列车高速运行时获得恒定 的制动力，进一步优化运行质量，改善乘车的舒适度。但轨道涡流制动技术的使用是有条件 的，当列车以较低的速度运行时还要配合使用常规的摩擦制动。但人们

7、发现，即使是高标准的高速铁路线， 在频繁实施涡流制动的线路区段也会发生制 动温度超过钢轨限制温度的现象。 因此在实际应用中，需要一种车载或轨道线路专用设备来 监测轨道的实际温度。2 技术改进为了实现商业化应用，德国铁路制定了轨道涡流制动技术的开发战略，与相关公司结成合作伙伴，并得到了联邦铁路研究院的支持。通过研究开发，他們在车辆的基础设计上使用集合式的转向架，将每个转向架构架重量降至870kg，采用牵引电动机的再生功率技术，免去了备用电池。为了克服电磁场对轴计数器等装备的影响，德国铁路技术工人分别对两套方案进行了实验。首先是对在制动磁铁上加装作用天线的改造方案进行了实验，并取得成效。而后又直接

8、对轴计数器进行改造，并重新设计了一个三块的多层涡流磁铁GRP箱体，摒弃了金属材质的轴计数器箱体，效果则更好。德国铁路将涡流制动机装置安装在编有8节拖车的ICE3高速列车的转向架上。每一节SGP500拖车的转向架上安装有两条1540mm长的带有8个线圈的磁铁，并由牵引变压器的降压经变流器提供励磁电流。正常情况下，该制动磁铁处于上部的位置，当实施制动时，制 动磁场就会下降到距离轨道顶面7mm高的。当然，该制动磁铁的制动间隙必须要随着轮缘的磨耗而进行调整。当涡流制动磁铁被激活时，随着列车速度的降低， 会产生一个很大的向上的吸力作用到轨道上，其结果是引起转向架的集合支撑构架向下发生一些弯曲。德国铁路规

9、定涡流制动装置使用的速度范围最低点为50km/h，为此他们从设计上提高了转向架构架的刚度，另一方面，当列车速度降为10050km/h之间时，相应地将涡流制动电流控制在常用直的65%左右。3 轨道涡流制动技术使用条件(1) 在ICE3高速铁路上使用涡流制动技术要对线路基础设施进行相应的改造，更换 轴计数器、磁铁接触器和速度检测等设备。(2) 由于只有当轨道能够承受因频繁实施涡流制动，而轨道温升在其材料稳定的允许范围以内时才能使用该装置。因此，要对高速铁路的基础设施进行相应的改造，装备监视轨道实际温度的LZB列车感应控制装置和速度检测等设备。(3) 装备涡流制动装置的ICE3高速列车将在两种模式的

10、线路上运行，一种是容许使用涡流制动进行紧急制动的高速线路；另一种是装有LZB列车感应控制装置的线路，条件是：B70W型轨枕、UIC60型轨道、平直线路，轨道温度不超过75C，石渣轨道线路，列车速度大于160km/h。(4) 实际应用中，ICE3型高速列车的涡流制动装置是与常规的动能制动和空气制动结合使用的。 对于标定重量为 465 t ，时速 300 公里的 ICE3 高速列车而言，动能制动和涡流制 动并用。在列车速度为 230km/h 以上时，涡流制动装置产生的制动力起主导作用，这种制 动效应将一直持续到使列车速度降到50km/h 。此后，安装在驱动轴和从动轴上的盘形空气制动装置再将列车进一

11、步减速，直到列车停车为止。项目二 准高速列车的电空制动机广深线是我国第一条列车速度达到160km/h （准高速）的线路。根据有关会议精神，广深线 160km/h 旅客列车的电空制动机应是自动制动机，在电操纵为主的同时要保持原空气 制动机的全部作用， 在电路发生故障时， 空气制动机应仍然有效， 并能在列车尾部加挂非电 空制动的车辆。广深线 160km/h 旅客列车的制动机还应满足下列各项技术要求：1 机车用的 DK-1 型电空制动机或加装电控以后的 JZ-7 型空气制动机 （即 JZ-7 + 电控）， 应能同时适用于操纵“ F8+电控”和“104+电控”，而且两者应能混编运行。2电空制动系统采用

12、自动制动式、得电作用式，并具有阶段缓解和自动补风的性能。 3采用“单管制” （即制动管） ，贯通全列车，并应能满足制动机性能要求。 4控制线路采用五线制，并具有故障显示功能。各车辆电空制动连接线及插座的结构 尺寸及安装位置要统一。5.电操纵电源电压为 DC110V，蓄电池供电时不应低于 DC77V。6车辆制动方式采用盘形制动 + 踏面制动，以盘形为主，并加装防滑器。7. 采用统一的闸瓦、闸片和闸片托，统一制动盘基本尺寸和安装位置尺寸。8. 防滑器采用轴控制式，输入电源为AC220V。 下面介绍各种准高速列车的电空制动机：一、 JZ7 + 电控JZ 7 +电控是一种以电控为主、气控为辅的机车电空

13、制动机。它是在原有的JZ 7型空气制动机基础上加装空电转换阀、继电器控制箱、电空阀（有时也称为电磁阀，共有6个闭式电空阀： 1 个电空制动限流电空阀、 1 个电空制动排气电空阀、 2 个总风遮断电空阀 和 2 个紧急制动电空阀） 、压力开关（包括均衡风缸压力开关、过充管压力开关、制动管压 力开关和紧急制动压力开关） 、导线等部件而组成的。空电转换阀安装在每个司机室的操纵 台内靠副司机侧， 其膜板的一侧通均衡风缸， 另一侧通制动管， 具体作用是把空气的压差迅 速转换成电信号，以便用它来操纵车辆电空阀的的动作。导线为五线制，即导线有五根，分别为：制动导线、缓解导线、保压导线（供 104+电控用）、

14、紧急（制动）导线（ 104+电控把 它作为检查线）和 110V 的电源负线。JZ7 +电控型电空制动机在操纵时，手柄操纵方法与 JZ7 型空气制动机一样。但在 操纵前，首先要确认自动制动阀中的客货车转换阀必须置于“客车位”，使之具有阶段缓解性能；其次把电空制动机的电源开关闭合。JZ7 +电控型电空制动机各位置的作用原理简介如下： 当自动制动阀手柄置于运转位时， 均衡风缸充风， 同时也进入空电转换阀膜板的均衡风 缸侧， 推动膜板向制动管侧移动， 从而使缓解继电器得电， 电流经缓解导线使车辆缓解电空 阀得电， 从而使车辆制动机缓解。 当制动管充风增压到与均衡风缸平衡时， 空电转换阀膜板 反向移动到

15、保压位， 使保压继电器得电。 保压导线得电， 保压电空阀得电， 缓解继电器失电， 使车辆制动机实现缓解保压。 当制动管压力达到或接近定压时， 制动管压力开关的作用可使 保压电空阀失电，这样可使自阀手柄在运转位正常运用时所有电空阀都不得电。当自动制动阀手柄置于常用制动区时， 均衡风缸减压， 空电转换阀膜板的均衡风缸侧也 减压， 膜板向均衡风缸侧移动， 从而使制动继电器得电， 并通过制动导线使车辆的制动电空 阀得电， 于是使全部车辆发生制动作用。 当制动管压力减压到与均衡风缸平衡时， 空电转换 阀膜板反向移动到保压位， 使保压继电器、 保压导线和保压电空阀得电， 使车辆制动机实现 制动保压作用。

16、当自动制动阀手柄由最小有效减压位分阶段向右移动，空电转换阀将反复由制动继电器得电到保压继电器得电， 从而形成阶段制动作用； 如果手柄由最大有效减压位分 阶段向左移动， 空电转换阀将反复由缓解继电器得电到保压继电器得电，从而形成阶段缓解作用。当自动制动阀手柄置于紧急制动位时，均衡风缸减压，空电转换阀膜板的均衡风缸侧也减压，膜板向均衡风缸侧移动，从而使制动继电器、制动导线和制动电空阀得电；同时由于自动制动阀在紧急位， 进入撒砂管的总风也进入紧急压力开关，使紧急继电器得电， 经紧急导线传到车辆紧急电空阀，从而得到紧急制动作用。当自动制动阀手柄置于过充位时，由于均衡风缸只能达到定压，而制动管可过充到比

17、定压高3040kPa左右，这样，空电转换阀膜板就会移动到制动位去，从而使制动继电器得电，为此在电路上安装了过充压力开关，过充时可切断制动继电器通向制动导线的电流，使它不起制动作用。二、F8 +电控F8+电控是一种以电控为主、气控为辅的客车电空制动机。它是在原有的F8型空气制动机的基础上加装一个电空阀箱而成的。电空阀箱是单独设置和安装的，它与原F8阀之间只用管路连接，如图 81所示。F8+电控制动机共有三个闭式电空阀（如图11 2所示）：常用制动电空阀 SV、缓解电空阀RV和紧急（制动）电空阀EV。前两个装在一个连接阀体上，紧急电空阀安装在另一个阀体上， 这个阀体中又包含有放大阀和限压阀。放大阀

18、增加了一条由副风缸至制动缸的通路，相当于放大了紧急制动时副风缸与制动缸间的通路截面。限压阀用来限制紧急制动时制动缸的空气压力，避免滑行擦伤。图11 1 F8+电控制动管路连接图图11 2 F8+电控的电空阀示意图电空阀和阀体都安装在电空阀箱内。箱盖为密闭式，可保证尘土和雨水不会进入箱内。电控制动采用五线制，即在每个车辆端墙的左、右两侧各装一个五芯电缆插座，这五芯（4X 4+1 X 2.5）分别接制动、缓解、保压、紧急电空阀和110V的电源负线。相邻车辆（或机车）的插座之间再用独立的、两端具有插头的电缆连接线相连接。实际上，F8+电控只用四线：制动、缓解、紧急和负线，但为了保证与104+电控混编

19、，保压线仍应保持贯通。常用制动时，常用电空阀得电，制动管压力空气除经机车电空制动控制阀排风外，同时还经每个车辆的常用 （制动）电空阀排入大气，使全列车各车辆的分配阀同时发生常用制动 作用。当制动管压力减到预定值时，制动管停止减压，各个分配阀进入保压状态。常用制动后施行缓解时，缓解电空阀得电，工作风缸压力空气经缩孔堵和缓解电空阀流向制动管，用不着像104+电空那样需要另外加装“加速缓解风缸”就起到了使全列车同时实现“加速缓 解“（局部增压）的目的。紧急制动时紧急电空阀得电，副风缸压力空气经过紧急电空阀口进入放大阀鞲鞴上方， 使鞲鞴下移，鞲鞴杆下端压开放大阀口， 使副风缸压力空气经过较大截面的通路

20、进入制动缸。 当制动缸空气压力达到限压阀调整弹簧的限压值时，限压阀上部的鞲鞴被顶起，限压阀下部的阀口被关闭，切断副风缸由此通往制动缸的通路。三、104 +电控制动机104+电控制动机是一种以电控为主、气控为辅的客车电空制动机。它是在原有的104型空气制动机的基础上加装一个电空阀安装座、三个开式电空阀（制动电空阀、缓解电空阀和保压电空阀）、一个40L缓解风缸及相应的管路、导线、插头、插座等分线盒组成。如图11 3、11 4 所示。simT.fFfWkl _u主關0/IT>3104+电控制动机的原理图图保庄側动韜解图11 4104+电控的导线连接示意图104+电控制动机也采用五线制，导线分别

21、为：制动、缓解、保压、检查和110V的电源负线。由于原来的104型空气分配阀无阶段缓解作用，所以电空制动的阶段缓解必须靠另外加装一个保压电空阀来实现，而且，主阀作用部d3排气口要通过管路与电空阀安装座上的保 压电空阀相连接。这样一来，除非用四个电空阀（比 F8 + 电控多一个） ，否则 104+电控就 没有可能再有紧急电空阀。104+电控制动机的作用原理见图11 3 所示。在主阀和中间体之间新加了电空阀安装座，它的顶端是缓解风缸的充气止回阀。 在制动管向副风缸充风的同时， 可以经此阀向缓解 风缸充风；制动时副风缸因向制动缸供风而减压时，缓解风缸的压力空气不能经此阀逆流， 电空阀安装座下部有一个

22、缩孔堵，下部右侧为三个电空阀：中间的一个为制动电空阀， 当它得电时可将制动管压力空气经过它的阀口和缩孔堵排入 大气，使全列车各个车辆和机车同时发生常用制动作用；上面的一个电空阀为缓解电空阀， 当它得电时缓解风缸的定压空气可经过它的阀口充入 制动管，产生局部增压作用，使全列车各个车辆和机车同时发生缓解作用；下面的一个为保压电空阀，当它失电时， 104 阀容积室排气口经过外接管接到该电空阀 的通路可通过它与大气相通，也即该电空阀为二位二通常通电磁阀；当它得电时， 104 阀容 积室排气口的外接管不能通过此电空阀口和缩孔堵排风， 从而可以在电空制动的缓解过程中 通过保压电空阀的得电而切断容积室排风通

23、路，实现缓解保压作用。项目三 重载列车制动 重载列车运输起源于美国，它是在 20 世纪 20 年代初发展起来的。 重载列车是指利用加大车辆自身载重量和列车长度的方法，编组牵引重量达到或超过 5000t 以上的列车。根据其编组方式，对机车、车辆、站长、装卸机械等技术设备的要求及 运行的特点， 分为长大牵引列车、 合并列车和组合列车。 重载列车从货源的装车点按单一品 种整列装车， 中途不再解体编组作业直接拉到港口或其它卸车点卸车， 然后再将列车拉回到 原货源处装车。如此往返循环运输。在制动基础理论知识一章我们分析了空气制动机在施行制动或缓解时所产生的空气波 （制动管减压波或增压波） 有一个沿制动管

24、由前向后扩散或传播的过程， 列车越长， 其前后 部开始制动或缓解的时间差就越大；并总结出“沿列车长度的制动或缓解作用的不同时性” 是列车制动或缓解时发生强烈纵向动力作用的主要原因。 对于重载 （扩编）列车来说，这个 问题尤其突出。除了纵向动力作用这个首要问题之外，重载（扩编） 列车由于编组辆数特别多，副风缸 也特别多，制动管也特别长，制动管总容积很大，从而还带来下列其它问题：初充风时间特别长； 在同样的机车制动阀排风和充风速度下， 制动管减压和增压速度都很低； 制动 管的减压和增压速度沿管长方向的“衰减”都较严重。所以，重载列车制动装置必须具有下列特点：1要有很高的制动波速和较高的缓解波速。为

25、此必须加强和改进每辆车的局部减压性 能，增填局部增压性能，这样，沿制动管长方向的衰减问题也可迎刃而解。2在大力提高制动波速的同时，采用制动缸先快后慢的变速充风方法，适当的延长制 动缸充风时间，以达到大大减轻制动冲击、又不延长制动距离的目的。3采用摩擦系数较大的闸瓦，同时改用较小的制动缸和副风缸。这样既可以在保证同 样的闸瓦压力条件下， 使重载列车的初充风时间不致太长； 又由于闸瓦压力较低， 可以减轻 闸瓦磨耗。4采用性能良好的空重车自动调整装置，保证空车不滑行，重车具有足够的制动力。 5制动管内壁和各个连接管器具有较小的气体流动阻抗。6要有密封式制动缸和良好的压力保持性能。在长大下坡道制动保压

26、时，能保持制动 缸不漏泄， 即使有一点漏泄， 副风缸也能及时给予补风， 总风缸也能经制动管给副风缸补风， 保持制动缸压力不致因漏泄而衰减。7牵引组合列车的处于列车中部的机车应当装有 “中继制动装置” 或“同步制动装置” ： 前者可以把前面传来的已经衰减得很微弱的制动指令加以放大，然后再向后传送； 后者可以接受列车头部的制动指令，并把它同步向后传送。项目四 盘形制动装置一、概述 盘形制动（摩擦式圆盘制动）是在车轴上或在车轮辐板侧面装上制动盘，一般为铸铁 圆盘， 用制动夹钳使合成材料制成的两个闸片紧压制动盘侧面，通过摩擦产生制动力， 把列车动能转变成热能，消散于大气。盘形制动属于粘着制动。其结构如

27、图86 所示。图11 6盘形制动1制动缸；2拉杆；3水平拉杆；4 缓解弹簧；5制动块；6制动盘；7 中间拉杆；8水平杠杆拉杆；9转臂。与闸瓦制动相比，盘形制动有下列优点：1. 可以大大减轻车轮踏面的热负荷和机械磨耗。2. 可按制动要求选择最佳 “摩擦副”，盘形制动的制动盘可以设计成带散热筋的旋转时 它具有半强迫通风的作用，以改善散热性能，适宜于高速、重载行车。3制动平稳，几乎没有噪声。但盘形制动有下列不足之处：1车轮踏面没有闸瓦的磨刮，轮轨粘着将恶化。所以，为了防止高速滑行，既要考虑 采用高质量的防滑装置，也要考虑加装踏面清扫器，或采用来盘形为主、盘形+闸瓦的混合制动方式，否则即使安装有防滑器

28、，制动距离也比闸瓦制动要长。2.制动盘使簧下重量及其引起的冲击振动增大；运行中还要消耗牵引功率，速度愈高,此种功率损失亦愈大。二、制动盘的结构形式按摩擦面的配置，制动盘可分为单摩擦面（单面盘）和双摩擦面（双面盘）两类；按盘 本身结构可分为整体式和由两个“半圆盘”用螺栓组装而成的“对半式”；按盘安装的位置可分为轴盘式和轮盘式， 前者装在轴上，后者装在轮上。由于制动盘是一个既受力又受热的 零部件，不宜采用过盈配合直接装在轴上，所以轴盘式通常要采用锻钢盘毂作为车轴与铸铁盘之间的过渡零件， 而且在铸铁盘螺栓连接处要加装弹性套。我国的低重心客车、 双层客车都曾采用过轴盘式盘形制动装置。轮盘式的盘形制动装

29、置一般在动车上采用， 而且都是单摩擦面，这是因为动车的车轴上 要安装驱动装置，没有安装制动盘的位置，制动盘只能安装在车轮的两侧。 我国的低重心客 车和准高速电动车组都曾采用或设计过轮盘式的盘形制动装置。“盘形+踏面”的混合制动装置也得到广泛应用。踏面制动单元由一块闸瓦、一个 制动缸、一根制动杠杆和闸瓦间隙自动调整器组成。盘形制动的一个制动缸带动两个夹钳， 一根车轴上安装两个轴盘式双摩擦面的制动盘。项目五 防滑器一、概述防滑器用在高速机车车辆上， 其作用是防止在车轮滚动过程中轮轨之间纵向发生严重的 相对滑动，以免造成车轮踏面严重擦伤。轮轨间纵向滑动有两种情况：一种是空转，另一种 是滑行。车轮在钢

30、轨上滚动的粘着状态实际上是一种“滚动中有微量滑动”的状态。在制动力小于粘着力时，这种微量滑动不但不会导致机车车辆滑行，相反地，据研究它还可以起清除轮轨接触处污垢和改善轮轨接触表面状态的作用。但是，当制动力大于粘着力时，轮轨接触面的纵向相对滑动就会急剧增大，在过渡阶段纵向滑动由小变大，最后导致车轮被抱死而完全 滑行。在这过程中，闸瓦摩擦力随车轮转速的急剧降低、摩擦系数的急剧增大而急剧增大， 制动力则与其背道而驰，反而随轮轨间的纵向相对滑动的急剧增大而急剧减小。防滑器的作用就是要在这短暂的过渡阶段内检测出车轮即将发生滑行的危险，并及时动作，快速排出制动缸中的压力空气而不排空，使制动力迅速降至小于粘着力，以防止车轮滑行、恢复轮轨间的粘着状态；而且在车轮粘着恢复以后，还要使防滑器立刻由发生作用状态回到停止作用状 态，制动缸及时