浅谈高速列车的制动形式

浅谈高速列车的制动形式

毛凤强,申志超,郝凯

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东 青岛 266111）

摘要:从能量的观点来看，制动的实质就是将列车动能转变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，使列车产生较大的减速度，尽快减速或停车。制动方式问题采取什么方法将动能转化或转移，通过什么方法产生，这是制动的一个基本问题。

关键词:高速列车  闸瓦制动 盘型制动 磁轨制动

1.前言

根据列车动能消耗的方式不同，制动方式可分为摩擦制动和动力制动。摩擦制动包括闸瓦制动、盘型制动和磁轨制动等。动力制动包括电阻制动、再生制动、电磁涡流转子制动等。

2.摩擦制动

摩擦制动是指通过机械摩擦来消耗列车动能的制动方式。其优点是制动力与列车速度无关。无论列车是在高速还是低速时都有制动能力，特别是在低速时能对列车施行制动直至停车。可以说摩擦制动始终是列车最基本的制动方式。摩擦制动的缺点是，制动力有限，这是受热能散发的限制而直接影响制动功率增大的缘故。

2.1闸瓦制动

闸瓦制动也称踏面制动，是自有铁路以来使用最广泛的一种制动方式。它用铸铁或其他材料制成的瓦状制动块（闸瓦）紧压滚动着的车轮踏面，通过闸瓦与车轮踏面的机械摩擦将列车的动能转变为热能耗散于大气，并产生制动力。

由于滑动摩擦系数比粘着系数小得多，故制动力将突然迅速减小。在强大的闸瓦摩擦力矩作用下，车轮转速将显著降低，直至停止转动。但列车速度并未同时显著降低，已停止转动的车轮在钢轨上滑行，使车轮踏面发生局部擦伤。

当闸瓦压力一定时，制动力的大小取决于闸瓦摩擦系数。闸瓦摩擦系数与闸瓦的材质、列车运行速度、闸瓦压强和制动初速有关。

2.2盘型制动

盘型制动（摩擦式圆盘制动）是在车轴或车轮辐板侧面安装制动盘，用制动夹钳使两个闸片紧压制动盘侧面，通过摩擦产生制动力，将列车动能转变成热能，消散于大气。

与闸瓦制动相比，盘型制动有下列主要优点：

（1）可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”。盘型制动的制动盘可以设计成带散热筋的，它旋转时具有半强迫通风之作用，以改善散热性能，为采用摩擦性能较好的合成材料闸瓦提

供了有利条件，与闸瓦制动相比，它更适宜于高速列车。

（3）制动平稳，几乎没有噪声。

高速列车的空气制动系统普遍采用盘型制动方式取代踏面制动，后者即使被使用也仅仅是作为踏面清扫装置的作用。如众所周知，盘型制动具有较好的摩擦性能和更大的制动能力，后者不仅取决于盘型制动的制动盘数，也取决于其散热性能和耐磨性。这些性能需要通过设计合理的制动盘结构形式和制动闸片材料才能取得。

“轴装式”制动盘结构广泛采用在非动力轴上，其优点是安装、维修方便和散热性能好，并可根据制动力的不同要求，在每根车轴上安装2~4个制动盘。但在高速列车动车的动力轴上，由于受到牵引电机安装空间及转向架簧下质量的制约而不得不采用“轮装式”制动盘结构，即将制动盘直接装在车轮的轮辐上，与“轴装式”相比，其缺点是散热条件较差,导致热胀冷缩的应力状态恶化，在同等制动功率条件下摩擦表面的热密度增大而容易引起热裂纹。对于200km/h以上的高速列车，制动盘的闸片通常采用粉末冶金摩擦材料，该类材料由基体组元、润滑组元和摩擦组元所合成，不仅具有良好的导热性而能承受较大的热负荷，而且摩擦系数在高温时无明显衰减，受气候和温度条件的影响小，又具有优于高摩合成材料闸片的耐磨性，因此虽然制造成本较高，仍被高速列车所广泛采用。

盘型制动的不足之处是车轮踏面没有闸瓦的摩刮，轮轨粘着将恶化，因此还要考虑加装踏面清扫器，或采用以盘型制动为主，盘形加闸瓦的混合制动方式。否则既使安装有防滑器，制动距离也比闸瓦制动要长。

2.3.磁轨制动

磁轨制动也称摩擦式电磁轨道制动或磁轨摩擦制动。磁轨制动是在转向架的两个侧架下面，在同侧的两个车轮之间各安置一个制动用的电磁铁，制动时将它放下并利用电磁力紧压钢轨，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，并把列车动能转变为热能，消散于大气。与闸瓦制动和盘型制动相比，磁轨制动的优点是，它的制动力不是通过轮轨粘着产生的，自然也不受该粘着的限制。在高速列车上使用，可以在粘着力以外再获得一份制动力，使制动距离不致于太长。运用表明，增加磁轨制动后，制动距离可以缩短20%~25%。其缺点是，它仍然靠滑动摩擦来产生制动力，因此，电磁铁要磨耗，钢轨的磨耗也要增大，其寿命仅有几百次，而且滑动摩擦力无论如何也没有粘着力大。所以，磁轨制动只能作为紧急制动时的一种辅助的制动方式。磁轨制动在高速列车上已经得到了应用，在施行紧急制动时，与其他制动一起发挥作用。

3.动力制动

动力制动是指利用某种能量转换装置，将运行中列车的动能转换为其他形式的能量，并予以消耗的制动方式。动力制动的基本原理是使牵引电机作为发电机工作而产生制动力，所产生的电能可以在制动电阻上转变为热能发散（电阻制动）（再生制动

)，在高速列车中的应用以后者为多。其特点是制动力与列车速度有很或反馈至供电网大关系，列车速度越高，制动力越大，随着列车速度的降低，制动力也随之下降。

3.1电阻制动

电阻制动广泛用于电力机车、电动车组和电传动内燃机车。它是在制动时将原来驱动轮对的自励牵引电动机改变为他励发电机，由轮对带动发电，并将电流通往专门设置的电阻器，采用强迫通风，使电阻器产生的热量消散于大气而产生制动作用。

电阻制动的优点如下：

（1）制动力随列车运行速度增高而增大，从而保证高速列车在运行中可靠的制动效能，同时又可以确保列车在长大下坡道上能以允许的最高速度运行；

（2）可以实现良好的制动力特性调节；

（3）可以减小闸瓦和车轮轮箍的磨损，避免因轮箍过热而造成的迟缓；

（4）结构简单，控制方便，作用快，制动平稳。

3.2再生制动

再生制动的工作原理与电阻制动类同，也是利用电力动力车车轮的转动，带动牵引电动机作为发电机运行，产生的电能不是消耗在制动电阻上，而是将电能反馈到供电系统,从而产生制动作用的一种制动方式。电力动力车使用再生制动时，不仅具有制动列车的作用，而且能将列车的动能与位能转变为有用的电能，从能量综合利用角度看，再生制动是一种比较理想的制动方式。

再生制动除具有电阻制动的一些优点外，其最大的优点是在实现列车制动的同时，可以节约大量的电能。但实现再生制动对逆变技术和动力车主电路保护系统的要求比较高。此外，再生制动时，动力车的功率系数较低。

3.3旋转涡流制动

旋转涡流制动也称电磁涡流转子制动，电磁感应体安装在车轴上，也可以直接装在牵引电动机的电枢轴头上，或者直接将车轮作为电磁感应体。并在圆形感应体单侧或双侧沿着圆周方向排列4~8个电磁铁。电磁感应体在电磁铁形成的磁场中旋转被感应出涡流产生电磁吸力，并发热消散于大气，从而产生制动作用。

4.复合制动

由于列车的制动能量和速度的平方成正比，因此传统的纯空气制动能力已不能满足高速列车的需要，高速列车制动不仅受到有制动热容量和机械制动部件磨耗寿命的限制，还有摩擦材料性能对粘着利用的局限性和对旅客乘坐舒适性的不利影响。即使在考虑故障情况的纯空气作用紧急制动条件下，其制动距离也不免要有所延长。因此高速列车必须采用能提供强大制动力并更好利用粘着的复合制动系统。复合制动系统通常由制动控制系统、动力制动、摩擦制动（如盘型制动和踏面制动等)系统、微机控制的防滑器和非粘着制动装置等组成。复合制动力的产生分别来自电气（动力制动）、机械（盘型制动或踏面制动）和非粘着力（磁轨制动或涡流制动)。

参考文献:

[1]铁道概论 / 龚娟主编. --北京：人民邮电出版社，2015.02

[2]车辆工程导论/赵怀瑞主编.中国铁道出版社，2015.09

[3]大国速度：中国高铁崛起之路.湖南科学技术出版社，2017.03

[4]车辆构造与检修（第二版）/袁清武、于值亲主编.中国铁道出版社，2016.01