2.1.2 空氣制動

隨著工業革命的發展，軌道車輛制動系統也迎來了機械時代。此時，列車制動機的特點為使用壓縮空氣作為制動源動力。1869年，在美國賓夕法尼亞鐵路上，首次出現壓縮空氣來操縱實物列車制動機——直通式空氣制動機。從此，列車制動開始擺脫托人力制動，轉入機械制動的初始階段。機械制動為發展長大列車的安全運行提供了可能性。

1.真空制動機

真空制動機以負壓空氣作為介質，以大氣壓力作為制動源動力，通過改變真空度來施加制動力。真空制動機系統在機車上設有真空泵、制動閥和真空制動缸，在車輛上則僅有真空制動缸。全列車制動部件全部用制動管連通。司機操縱制動閥，改變制動管中的真空度，真空制動缸中便產生壓力差，從而起階段的制動或緩解作用。這種制動機是英國鐵路在1844年首先應用的。它的優點是構造簡單，但制動力不大，而且海拔越高制動力越小。制動作用由列車頭部車輛向后傳播，空氣波速度不高，故空走時間較長，列車的縱向沖擊較大。英國鐵路企業自1964年起逐步改用自動空氣制動機。使用真空制動機的國家日益減少。

真空制動機的原理如圖2.1所示。機車上裝有真空泵（抽氣機）1、真空制動閥2，真空制動主管3貫通全列車（又稱真空列車管），每車都裝有1～2個真空制動缸4，它的左側裝有支管（與主管相連通），缸內有制動缸活塞5，其左側裝有球形止回閥6。

當制動閥手柄置2于緩解位時，真空泵與列車管3連通。真空泵將列車管和制動缸內的空氣抽走，并保持高度真空，車輛上制動缸上方的空氣可經過活塞上的止回閥6，流向制動主管最終達到活塞5上、下方真空度相等，活塞5依靠自重下降到緩解位。此時，滾圈位于止回閥室小孔的上方，當制動管由于泄漏或其他原因而緩慢降低真空度時，由于止回閥6的銅球與閥座硬性接觸，有一定泄漏量，不產生制動，從而具有一定的穩定性。

當制動閥手柄置于制動位時，列車管與大氣相通，大氣進入列車管和制動缸活塞下方。由于大氣壓力將止回閥關閉，大氣不能進入活塞上方，活塞上下形成壓力差，推動活塞向上移動，滾圈首先遮蓋止回閥室小孔，然后滾動到小孔下方，保證大氣不經止回閥泄漏到上方。往上移動，帶動杠桿推動閘瓦產生制動作用。

真空制動機在許多國家曾經是主要制動機，如巴基斯坦、孟加拉國、斯里蘭卡、泰國、贊比亞等國。但是，真空室制動機的使用受大氣壓強、真空泵的抽氣能力和管路泄漏等因素限制，只能夠用在編組小于40輛，長度不超過600m的列車。

2.空氣制動機

空氣制動機是以壓縮空氣作為源動力，改變制動缸內氣壓施加制動力。其制動力大、操縱控制靈敏便利，現廣泛應用于貨物列車。

（1）直通式

1869年，美國喬治·威斯汀豪斯發明了直通式空氣制動機。直通式空氣制動機是總風缸直接給制動缸供氣的一類制動機，其基本特點是：列車管直接通向制動缸（直通），列車管充氣（增壓）時制動缸也充氣（增壓），發生制動；列車管排氣（減壓）時制動缸也排氣（減壓），發生緩解。制動過程為：先用空氣壓縮機產生壓力空氣并儲存在總風缸中，司機操縱制動閥位置，實現總風與制動缸的連通（制動充風）或制動缸和與大氣的連通（緩解排風）。總風缸只存在于機車上，車輛上只存在制動缸，各車制動機由列車管連接。由于壓縮空氣由前向后逐車輸送，列車前后車輛制動機動作時間差較大。它的優點是構造簡單，并且既有階段制動，又有階段緩解，操縱非常靈活方便。缺點是當列車發生分離事故、制動軟管被拉斷時，將徹底喪失制動能力，而且列車前后部發生制動作用的時間差太大，縱向沖擊較大。

圖2.2所示為直通式空氣制動機。空氣壓縮機1產生壓縮空氣，儲存到總風缸2中。當司機操縱制動閥使其置于制動位Ⅰ時，總風缸的壓力空氣（簡稱“總風”）與全列車的制動管連通（簡稱“列車管”）5并進入其中。總風進入每輛車的制動主管、端部的制動軟管和軟管連接器，以及由每根主管中部接出的制動支管。進入列車管的總風直接充入各車的制動缸（簡稱“閘缸”）6，克服彈簧7的背壓并推出活塞桿8，使得制動杠桿動作及閘瓦10貼靠壓緊車輪，產生制動作用。

當制動閥置于保壓位Ⅱ時，總風缸、列車管和大氣三者之間的通路均被隔斷，制動缸中原有的壓力空氣被封在缸中，空氣壓強保持不變。如果在制動過程中，交替改變制動閥位置，在制動Ⅰ和保壓Ⅱ之間切換，可實現制動缸的呈階段式充氣，這種作用稱為“階段制動”，如圖2.3左半部所示。

當制動閥置于緩解位Ⅲ時，制動缸空氣與大氣連通，制動缸內的壓縮空氣排向大氣，實現制動缸的緩解。如在制動缸降壓過程中將制動閥手柄反復地置于緩解位和保壓位。可使制動缸壓強呈階段式下降，這種作用稱為“階段制動”，如圖2.3右半部所示。

（2）自動式

在直通式空氣制動機問世以后，由于當時美國鐵路的列車廣泛使用簡單的鏈子鉤和銷接連接，因而列車分離是經常發生的。為使列車中的所有車輛在意外分離時，都能夠自動制動，威斯汀豪斯于1872年又發明了自動空氣制動機。自動空氣制動機比直通制動機優越得多，也安全得多。在列車意外分離的情況下，保證所有車輛的制動機都能夠自動制動，而且制動作用更快，更一致。自動式與直通式相比，在組成上每輛車多了一個三通閥和一個副風缸。三通閥的“三通”是指通列車管，通制動缸和通副風缸。按照參與主活塞平衡壓力的多少，自動空氣制動機可分為二壓力機構和三壓力機構兩種。按照列車管壓強和主活塞動作是否直接控制制動缸的制動與緩解，又分為直接作用式和間接作用式。

二壓力機構直接作用式制動機的基本組成和基本原理參見圖2.4。二壓力機構的含義是指其主活塞的動作只取決于活塞兩側壓力是否平衡。

當制動閥手柄置于緩解位Ⅲ時，總風缸的壓力空氣經過制動閥進入列車管（充風增壓），并進入三通閥6，將三通閥內的活塞（通常稱為“主活塞”）推至右極端（緩解位），并經三通閥“活塞套”上部的“充氣溝”進入副風缸8。此時，制動缸7則經三通閥（緩解槽和排氣孔）通大氣。如果制動缸原來在制動狀態，則可得到緩解。

當制動閥手柄置于制動位工時，列車管經制動閥通大氣（排風減壓），副風缸8的風壓將三通閥6的主活塞推向左極端（制動位），從而打開了三通閥上通往制動缸的孔路，使副風缸的空氣可通往制動缸，產生制動作用。

當制動閥手柄置于保壓位Ⅱ時，列車管不通總風缸不通大氣，列車管空氣壓強保持不變。此時，副風缸仍繼續向制動缸供氣，副風缸空氣壓強仍在下降。當副風缸空氣壓強降至比列車管空氣壓強略低時，列車管風壓會將三通閥主活塞向右反推至中間位置（中立位或保壓位），剛好使三通閥通制動缸的孔被關閉（遮斷）；副風缸停止給制動缸供氣，副風缸空氣壓強不再下降，處于保壓狀態；制動缸空氣壓強不再上升，也處于保壓狀態。如在制動缸升壓過程中將手柄反復置于制動位和保壓位，則制動缸空氣壓強亦可分階段上升，即實現階段制動。

但是，如果在制動缸降壓過程中將制動閥手柄由緩解位移至保壓位，則列車管和副風缸雖能停止充風增壓（保壓），三通閥主活塞卻仍停留在右極端（緩解位），制動缸的氣壓仍繼續加大，直至完全緩解。這種二壓力自動空氣制動機可以通過制動閥手柄反復在緩解位和保壓位之間移動，實現列車管和副氣缸的氣壓呈階段式上升。二壓力空氣制動機的副風缸既參與主活塞的平衡，又在制動時向制動缸供氣，由于列車管是副風缸唯一氣源，故二壓力機構的空氣制動機不能實現階段緩解。如果能使副風缸的氣源多元化，即制動后列車管充氣（增壓）時還有別的氣源也幫助向副風缸充氣，則階段緩解也可以實現。

三壓力機構的自動空氣制動機主活塞的動作取決于三種壓力的平衡與否，除了列車管一側與主活塞另一側工作風缸的壓力以外，還有制動缸的空氣壓力也同樣決定了主活塞的平衡。由于其副風缸只承擔制動時向制動缸供氣，而不必承擔主活塞的平衡（主活塞平衡由工作風缸承擔），故具有階段緩解的性能。三壓力機構直接作用式制動機如圖2.5所示。

當在無氣狀態下，主活塞及活塞桿會因自重下落，切斷供排氣閥和充氣止回閥，使得制動缸經過活塞桿中心孔和徑向孔直接通大氣。制動時，列車管減壓，工作風缸的壓力推動主活塞桿上移，使得活塞桿上端接觸供排氣閥，并將活塞桿上的排氣口關閉。隨著活塞桿繼續上移，頂開供排氣閥，打開副風缸和制動缸的供氣通路，使得制動機處于制動狀態。此時，制動風缸的壓力也向下作用于第二活塞，當列車管停止減壓后，第二活塞上下的受力保持平衡后，供排氣閥在其上方的彈簧作用下關閉供氣閥口，使得制動缸壓力不再上升，處于制動保壓的狀態。緩解時，列車管加壓，向下作用于主活塞的力變大，主活塞下移，打開了活塞桿上端排氣口，制動缸壓力空氣經過活塞中心孔和徑向孔排向大氣。當列車管停止加壓，向下作用于第二活塞的力便會減小，直到抵消列車管增壓的影響后，主活塞上移，回到保壓位，關閉排氣閥口，使得制動缸停止向大氣排氣，制動機處于緩解保壓階段。重復控制列車管的減壓與增壓，可以實現階段制動與階段緩解。

總的來說，自動式空氣制動機的基本特點與直通式截然相反，它是列車管減壓制動，增壓緩解。它的優點是，當列車發生分離事故、制動軟管被拉斷時，列車管的壓力空氣排空，列車直接施加制動。由于存在副風缸給制動缸供氣，各車的制動緩解一致性比較好，適用于編組較長的列車。因此，這種制動機廣泛應用于世界各地。

3.電空制動機

1886—1887年，美國車輛制造協會在勃林頓鐵路進行了一系列制動試驗。列車由50輛空車或重車的貨車混編組成，長約550m。試驗表明，自動空氣制動機和真空制動機制動性能都比較好，但是在緊急制動時，列車出現了很大的沖動。這種沖動的根源，是在車輛連接系統中存在間隙和游間的結果，實驗證明這種壓縮或伸長的沖擊速度為60～120m/s。這個數值是很有意義的，在列車制動過程中，如果制動波速能夠大于這個沖擊速度，那么列車的縱向沖擊就能夠得到控制。在采用三通閥以前，緊急制動波速只有84m/s，在采用三通閥以后，緊急制動波速能夠達到150～170m/s。但是隨著鐵道車輛的載重量和速度不斷提高，空氣波速也漸漸跟不上制動的需求。電空制動機實際上是與空氣制動機同時出現的，但是由于空氣制動機的發展及其結構簡化，各國并未大規模研究和使用電空制動機。

鐵道牽引動力的電氣化始于電力機車。早在1879年德國西門子公司就試制了第一臺電力機車。采用電力牽引的車輛牽引功率大、效率高、環境污染小，現已成為主流的客貨列車。電氣技術的發展更是推動了電空制動機的完善，在一些旅客列車上出現了電氣指令式和ATC的制動控制裝置。

（1）電氣指令氣壓控制型

直到20世紀30年代，在歐美地區和日本出現了電氣指令氣壓控制型制動系統，這是制動系統的一次變革。電空制動機為電控空氣制動機的簡稱，它是以壓縮空氣為動力，利用電磁閥控制各節車輛上空氣制動機的制動和緩解作用的制動系統。它的特點是制動作用的操縱用電控制各車輛上電磁閥，但制動作用的源動力還是壓縮空氣。在制動機的電控因故失靈時，它仍可以實行空氣壓強控制（氣控），臨時變成空氣制動機。

20世紀50年代，國外軌道交通車輛在大規模使用電空制動機的同時，還應用電氣指令式制動控制系統，協調動力制動和空氣制動，使得制動控制技術達到一個新的水平。最近幾十年，由于電力電子變流技術和計算機技術的發展，使得電氣指令式制動控制系統不斷改進和發展，大功率的電力電子元件的出現使得電氣再生制動成為可能，計算機技術的應用使得制動控制、防滑控制等系統更加精密。

直通式空氣制動機采用列車管中的空氣波傳遞制動指令，電空制動機直接用電信號傳遞制動指令，控制各車位于列車管上的電磁閥，實現列車管的壓力控制。在制動機電控系統因故失靈時，它仍然可以實行氣控（壓力空氣控制），臨時變成空氣制動機。如圖2.6所示，在制動時各車的制動電磁閥6打開，將列車管1中的壓力空氣排空，實現制動。在緩解時各車的緩解電磁閥8的通路也同時打開，使各車的加速緩解風缸5同時向列車管1充氣（加速緩解風缸5的氣是在列車管1經過三通閥2向副風缸3充風時經過止回閥9充至定壓的，由于止回閥的作用，制動時加速緩解風缸的氣沒有使用）。在列車施行階段緩解，緩解電磁閥8關閉，列車管的壓力保持不變，保壓電磁閥7和三通閥的氣路被切斷，此時的三通閥活塞停留在充氣緩解位，制動缸經三通閥與排氣孔相通，制動缸的空氣壓強保持不變，可以實現階段緩解。

（2）微機直通電空型

微機直通電空型制動機是指使用微機處理制動指令，計算分配制動力的制動機。與上一代的電氣指令氣壓控制制動相比，多了微機這個控制器。微機直通電空型制動機的出現，使得列車制動達到了前所未有的高水平，為高速列車的運行，城軌列車的精確停車提供了可能性。當前大多數國家的動車組、城軌列車基本使用了微機控制直通電空型制動系統，它與傳統制動系統的區別是通過電信號傳輸制動指令，反應時間短；在制動指令處理時微機通過收集相關指令，信息容量大、處理快、制動力精確；在自診斷與故障保護方面，微機實施全系統的自診斷，同時顯示相關故障數據。鐵道車輛中，鐵路貨車由于其運營成本低，還需編組解編等復雜工作，一直沿用120型等空氣制動機，但現今鐵路貨車也提出微機電控ECP的概念。這些制動系統均采用微機直通電空型制動系統。

現今的城市軌道交通車輛，大多采用Knorr公司推出的一種基于架控的制動系統EP2002，其原理如圖2.7所示。EP2002閥相當于常規制動控制系統中制動電子控制單元EBCU和制動控制單元BCU的集成部件。根據功能的不同，EP2002閥可以分為智能閥、RIO閥（遠程輸入/輸出閥）和網關閥3種，每節車設有2個EP2002閥，每個EP2002閥都安裝在其控制的轉向架附近的車體底架上，所有的EP2002閥上都提供了多個壓力測試接口，可以方便地測量制動風缸壓力、制動缸壓力、載荷壓力、停放制動缸壓力等。

進入21世紀以來，隨著我國經濟的飛速發展和城市化進程的加快，城市軌道交通也進入大發展時期。由于城市軌道交通車輛的制動系統長期依賴進口，阻礙了我國的自主研發進程，這不僅不利于提高城市軌道車輛的國產化，也影響整車成本及維修成本。經國家計委（現國家發展改革委員會）批準，四方車輛研究所、鐵道科學研究院、上海鐵道大學（現并入同濟大學）等單位共同研制制動系統。我國現已研制出先鋒號MDB-1型制動系統和中華之星制動系統兩種微機控制直通電空型制動系統。

微機控制直通電空型制動系統有模擬指令式和數字指令式兩種，常用制動時模擬指令式為無級或多級控制，而數字指令式一般為7級控制。城市軌道交通的車站之間距離短，站臺長度相對列車的裕度不大，要求停車準確，為便于精細調整制動力，并且同列車自動駕駛系統ATO配合，所以一般采用模擬指令式。

模擬指令式是指用模擬電量反映司機制動控制器的級位信息。模擬電量可以采用電壓、電流、頻率、脈沖寬度、相位等信號來傳遞制動指令，以這些模擬量的大小來表示制動要求的大小（圖2.8）。

模擬指令式采用連續變化的物理量傳遞制動指令，可以實現無級控制，但是無級操作容易受各個司機人為操作的影響，且采用模擬式指令對指令傳遞的設備性能要求較高。一旦設備性能不能滿足要求，可能造成制動指令精度下降，影響制動效果。

數字指令式是指使用數字量傳遞制動指令。如圖2.9所示，數字量以0、1的二進制數值編碼，1位數字量可以表示2種信息，2位的數字量表示4種信息，3位的數字量可以表示8種信息。（如圖2.9所示，有兩種格式，統一采用一種）

動車組的1～7級制動以及緊急制動，僅僅需要3位線就能夠表示出這8種制動級位信息。但是數字指令式的抗干擾能力并不強，2個級位之間只要某根線串入干擾電平，就有可能引起高低位之間的錯碼。但這種方式簡單，需用的導線數較少，在備用指令中可以采用（如2線編碼、3位制動）。

此外，對于標準的鐵路機車車輛，如果其走行裝置或轉向架的空間很狹小，則可安裝氣液制動裝置。氣液制動系統是將原有的空氣閥類組件，替換為液壓力為驅動力的組件，如圖2.10所示。這些氣液制動裝置可以利用增壓缸將列車的空氣壓力轉換為液壓力，從而響應制動指令對列車施加制動。例如，日本的新干線高速列車和西班牙的Talgo高速列車。