2.1.2 空气制动

随着工业革命的发展，轨道车辆制动系统也迎来了机械时代。此时，列车制动机的特点为使用压缩空气作为制动源动力。1869年，在美国宾夕法尼亚铁路上，首次出现压缩空气来操纵实物列车制动机——直通式空气制动机。从此，列车制动开始摆脱托人力制动，转入机械制动的初始阶段。机械制动为发展长大列车的安全运行提供了可能性。

1.真空制动机

真空制动机以负压空气作为介质，以大气压力作为制动源动力，通过改变真空度来施加制动力。真空制动机系统在机车上设有真空泵、制动阀和真空制动缸，在车辆上则仅有真空制动缸。全列车制动部件全部用制动管连通。司机操纵制动阀，改变制动管中的真空度，真空制动缸中便产生压力差，从而起阶段的制动或缓解作用。这种制动机是英国铁路在1844年首先应用的。它的优点是构造简单，但制动力不大，而且海拔越高制动力越小。制动作用由列车头部车辆向后传播，空气波速度不高，故空走时间较长，列车的纵向冲击较大。英国铁路企业自1964年起逐步改用自动空气制动机。使用真空制动机的国家日益减少。

真空制动机的原理如图2.1所示。机车上装有真空泵（抽气机）1、真空制动阀2，真空制动主管3贯通全列车（又称真空列车管），每车都装有1～2个真空制动缸4，它的左侧装有支管（与主管相连通），缸内有制动缸活塞5，其左侧装有球形止回阀6。

当制动阀手柄置2于缓解位时，真空泵与列车管3连通。真空泵将列车管和制动缸内的空气抽走，并保持高度真空，车辆上制动缸上方的空气可经过活塞上的止回阀6，流向制动主管最终达到活塞5上、下方真空度相等，活塞5依靠自重下降到缓解位。此时，滚圈位于止回阀室小孔的上方，当制动管由于泄漏或其他原因而缓慢降低真空度时，由于止回阀6的铜球与阀座硬性接触，有一定泄漏量，不产生制动，从而具有一定的稳定性。

当制动阀手柄置于制动位时，列车管与大气相通，大气进入列车管和制动缸活塞下方。由于大气压力将止回阀关闭，大气不能进入活塞上方，活塞上下形成压力差，推动活塞向上移动，滚圈首先遮盖止回阀室小孔，然后滚动到小孔下方，保证大气不经止回阀泄漏到上方。往上移动，带动杠杆推动闸瓦产生制动作用。

真空制动机在许多国家曾经是主要制动机，如巴基斯坦、孟加拉国、斯里兰卡、泰国、赞比亚等国。但是，真空室制动机的使用受大气压强、真空泵的抽气能力和管路泄漏等因素限制，只能够用在编组小于40辆，长度不超过600m的列车。

2.空气制动机

空气制动机是以压缩空气作为源动力，改变制动缸内气压施加制动力。其制动力大、操纵控制灵敏便利，现广泛应用于货物列车。

（1）直通式

1869年，美国乔治·威斯汀豪斯发明了直通式空气制动机。直通式空气制动机是总风缸直接给制动缸供气的一类制动机，其基本特点是：列车管直接通向制动缸（直通），列车管充气（增压）时制动缸也充气（增压），发生制动；列车管排气（减压）时制动缸也排气（减压），发生缓解。制动过程为：先用空气压缩机产生压力空气并储存在总风缸中，司机操纵制动阀位置，实现总风与制动缸的连通（制动充风）或制动缸和与大气的连通（缓解排风）。总风缸只存在于机车上，车辆上只存在制动缸，各车制动机由列车管连接。由于压缩空气由前向后逐车输送，列车前后车辆制动机动作时间差较大。它的优点是构造简单，并且既有阶段制动，又有阶段缓解，操纵非常灵活方便。缺点是当列车发生分离事故、制动软管被拉断时，将彻底丧失制动能力，而且列车前后部发生制动作用的时间差太大，纵向冲击较大。

图2.2所示为直通式空气制动机。空气压缩机1产生压缩空气，储存到总风缸2中。当司机操纵制动阀使其置于制动位Ⅰ时，总风缸的压力空气（简称“总风”）与全列车的制动管连通（简称“列车管”）5并进入其中。总风进入每辆车的制动主管、端部的制动软管和软管连接器，以及由每根主管中部接出的制动支管。进入列车管的总风直接充入各车的制动缸（简称“闸缸”）6，克服弹簧7的背压并推出活塞杆8，使得制动杠杆动作及闸瓦10贴靠压紧车轮，产生制动作用。

当制动阀置于保压位Ⅱ时，总风缸、列车管和大气三者之间的通路均被隔断，制动缸中原有的压力空气被封在缸中，空气压强保持不变。如果在制动过程中，交替改变制动阀位置，在制动Ⅰ和保压Ⅱ之间切换，可实现制动缸的呈阶段式充气，这种作用称为“阶段制动”，如图2.3左半部所示。

当制动阀置于缓解位Ⅲ时，制动缸空气与大气连通，制动缸内的压缩空气排向大气，实现制动缸的缓解。如在制动缸降压过程中将制动阀手柄反复地置于缓解位和保压位。可使制动缸压强呈阶段式下降，这种作用称为“阶段制动”，如图2.3右半部所示。

（2）自动式

在直通式空气制动机问世以后，由于当时美国铁路的列车广泛使用简单的链子钩和销接连接，因而列车分离是经常发生的。为使列车中的所有车辆在意外分离时，都能够自动制动，威斯汀豪斯于1872年又发明了自动空气制动机。自动空气制动机比直通制动机优越得多，也安全得多。在列车意外分离的情况下，保证所有车辆的制动机都能够自动制动，而且制动作用更快，更一致。自动式与直通式相比，在组成上每辆车多了一个三通阀和一个副风缸。三通阀的“三通”是指通列车管，通制动缸和通副风缸。按照参与主活塞平衡压力的多少，自动空气制动机可分为二压力机构和三压力机构两种。按照列车管压强和主活塞动作是否直接控制制动缸的制动与缓解，又分为直接作用式和间接作用式。

二压力机构直接作用式制动机的基本组成和基本原理参见图2.4。二压力机构的含义是指其主活塞的动作只取决于活塞两侧压力是否平衡。

当制动阀手柄置于缓解位Ⅲ时，总风缸的压力空气经过制动阀进入列车管（充风增压），并进入三通阀6，将三通阀内的活塞（通常称为“主活塞”）推至右极端（缓解位），并经三通阀“活塞套”上部的“充气沟”进入副风缸8。此时，制动缸7则经三通阀（缓解槽和排气孔）通大气。如果制动缸原来在制动状态，则可得到缓解。

当制动阀手柄置于制动位工时，列车管经制动阀通大气（排风减压），副风缸8的风压将三通阀6的主活塞推向左极端（制动位），从而打开了三通阀上通往制动缸的孔路，使副风缸的空气可通往制动缸，产生制动作用。

当制动阀手柄置于保压位Ⅱ时，列车管不通总风缸不通大气，列车管空气压强保持不变。此时，副风缸仍继续向制动缸供气，副风缸空气压强仍在下降。当副风缸空气压强降至比列车管空气压强略低时，列车管风压会将三通阀主活塞向右反推至中间位置（中立位或保压位），刚好使三通阀通制动缸的孔被关闭（遮断）；副风缸停止给制动缸供气，副风缸空气压强不再下降，处于保压状态；制动缸空气压强不再上升，也处于保压状态。如在制动缸升压过程中将手柄反复置于制动位和保压位，则制动缸空气压强亦可分阶段上升，即实现阶段制动。

但是，如果在制动缸降压过程中将制动阀手柄由缓解位移至保压位，则列车管和副风缸虽能停止充风增压（保压），三通阀主活塞却仍停留在右极端（缓解位），制动缸的气压仍继续加大，直至完全缓解。这种二压力自动空气制动机可以通过制动阀手柄反复在缓解位和保压位之间移动，实现列车管和副气缸的气压呈阶段式上升。二压力空气制动机的副风缸既参与主活塞的平衡，又在制动时向制动缸供气，由于列车管是副风缸唯一气源，故二压力机构的空气制动机不能实现阶段缓解。如果能使副风缸的气源多元化，即制动后列车管充气（增压）时还有别的气源也帮助向副风缸充气，则阶段缓解也可以实现。

三压力机构的自动空气制动机主活塞的动作取决于三种压力的平衡与否，除了列车管一侧与主活塞另一侧工作风缸的压力以外，还有制动缸的空气压力也同样决定了主活塞的平衡。由于其副风缸只承担制动时向制动缸供气，而不必承担主活塞的平衡（主活塞平衡由工作风缸承担），故具有阶段缓解的性能。三压力机构直接作用式制动机如图2.5所示。

当在无气状态下，主活塞及活塞杆会因自重下落，切断供排气阀和充气止回阀，使得制动缸经过活塞杆中心孔和径向孔直接通大气。制动时，列车管减压，工作风缸的压力推动主活塞杆上移，使得活塞杆上端接触供排气阀，并将活塞杆上的排气口关闭。随着活塞杆继续上移，顶开供排气阀，打开副风缸和制动缸的供气通路，使得制动机处于制动状态。此时，制动风缸的压力也向下作用于第二活塞，当列车管停止减压后，第二活塞上下的受力保持平衡后，供排气阀在其上方的弹簧作用下关闭供气阀口，使得制动缸压力不再上升，处于制动保压的状态。缓解时，列车管加压，向下作用于主活塞的力变大，主活塞下移，打开了活塞杆上端排气口，制动缸压力空气经过活塞中心孔和径向孔排向大气。当列车管停止加压，向下作用于第二活塞的力便会减小，直到抵消列车管增压的影响后，主活塞上移，回到保压位，关闭排气阀口，使得制动缸停止向大气排气，制动机处于缓解保压阶段。重复控制列车管的减压与增压，可以实现阶段制动与阶段缓解。

总的来说，自动式空气制动机的基本特点与直通式截然相反，它是列车管减压制动，增压缓解。它的优点是，当列车发生分离事故、制动软管被拉断时，列车管的压力空气排空，列车直接施加制动。由于存在副风缸给制动缸供气，各车的制动缓解一致性比较好，适用于编组较长的列车。因此，这种制动机广泛应用于世界各地。

3.电空制动机

1886—1887年，美国车辆制造协会在勃林顿铁路进行了一系列制动试验。列车由50辆空车或重车的货车混编组成，长约550m。试验表明，自动空气制动机和真空制动机制动性能都比较好，但是在紧急制动时，列车出现了很大的冲动。这种冲动的根源，是在车辆连接系统中存在间隙和游间的结果，实验证明这种压缩或伸长的冲击速度为60～120m/s。这个数值是很有意义的，在列车制动过程中，如果制动波速能够大于这个冲击速度，那么列车的纵向冲击就能够得到控制。在采用三通阀以前，紧急制动波速只有84m/s，在采用三通阀以后，紧急制动波速能够达到150～170m/s。但是随着铁道车辆的载重量和速度不断提高，空气波速也渐渐跟不上制动的需求。电空制动机实际上是与空气制动机同时出现的，但是由于空气制动机的发展及其结构简化，各国并未大规模研究和使用电空制动机。

铁道牵引动力的电气化始于电力机车。早在1879年德国西门子公司就试制了第一台电力机车。采用电力牵引的车辆牵引功率大、效率高、环境污染小，现已成为主流的客货列车。电气技术的发展更是推动了电空制动机的完善，在一些旅客列车上出现了电气指令式和ATC的制动控制装置。

（1）电气指令气压控制型

直到20世纪30年代，在欧美地区和日本出现了电气指令气压控制型制动系统，这是制动系统的一次变革。电空制动机为电控空气制动机的简称，它是以压缩空气为动力，利用电磁阀控制各节车辆上空气制动机的制动和缓解作用的制动系统。它的特点是制动作用的操纵用电控制各车辆上电磁阀，但制动作用的源动力还是压缩空气。在制动机的电控因故失灵时，它仍可以实行空气压强控制（气控），临时变成空气制动机。

20世纪50年代，国外轨道交通车辆在大规模使用电空制动机的同时，还应用电气指令式制动控制系统，协调动力制动和空气制动，使得制动控制技术达到一个新的水平。最近几十年，由于电力电子变流技术和计算机技术的发展，使得电气指令式制动控制系统不断改进和发展，大功率的电力电子元件的出现使得电气再生制动成为可能，计算机技术的应用使得制动控制、防滑控制等系统更加精密。

直通式空气制动机采用列车管中的空气波传递制动指令，电空制动机直接用电信号传递制动指令，控制各车位于列车管上的电磁阀，实现列车管的压力控制。在制动机电控系统因故失灵时，它仍然可以实行气控（压力空气控制），临时变成空气制动机。如图2.6所示，在制动时各车的制动电磁阀6打开，将列车管1中的压力空气排空，实现制动。在缓解时各车的缓解电磁阀8的通路也同时打开，使各车的加速缓解风缸5同时向列车管1充气（加速缓解风缸5的气是在列车管1经过三通阀2向副风缸3充风时经过止回阀9充至定压的，由于止回阀的作用，制动时加速缓解风缸的气没有使用）。在列车施行阶段缓解，缓解电磁阀8关闭，列车管的压力保持不变，保压电磁阀7和三通阀的气路被切断，此时的三通阀活塞停留在充气缓解位，制动缸经三通阀与排气孔相通，制动缸的空气压强保持不变，可以实现阶段缓解。

（2）微机直通电空型

微机直通电空型制动机是指使用微机处理制动指令，计算分配制动力的制动机。与上一代的电气指令气压控制制动相比，多了微机这个控制器。微机直通电空型制动机的出现，使得列车制动达到了前所未有的高水平，为高速列车的运行，城轨列车的精确停车提供了可能性。当前大多数国家的动车组、城轨列车基本使用了微机控制直通电空型制动系统，它与传统制动系统的区别是通过电信号传输制动指令，反应时间短；在制动指令处理时微机通过收集相关指令，信息容量大、处理快、制动力精确；在自诊断与故障保护方面，微机实施全系统的自诊断，同时显示相关故障数据。铁道车辆中，铁路货车由于其运营成本低，还需编组解编等复杂工作，一直沿用120型等空气制动机，但现今铁路货车也提出微机电控ECP的概念。这些制动系统均采用微机直通电空型制动系统。

现今的城市轨道交通车辆，大多采用Knorr公司推出的一种基于架控的制动系统EP2002，其原理如图2.7所示。EP2002阀相当于常规制动控制系统中制动电子控制单元EBCU和制动控制单元BCU的集成部件。根据功能的不同，EP2002阀可以分为智能阀、RIO阀（远程输入/输出阀）和网关阀3种，每节车设有2个EP2002阀，每个EP2002阀都安装在其控制的转向架附近的车体底架上，所有的EP2002阀上都提供了多个压力测试接口，可以方便地测量制动风缸压力、制动缸压力、载荷压力、停放制动缸压力等。

进入21世纪以来，随着我国经济的飞速发展和城市化进程的加快，城市轨道交通也进入大发展时期。由于城市轨道交通车辆的制动系统长期依赖进口，阻碍了我国的自主研发进程，这不仅不利于提高城市轨道车辆的国产化，也影响整车成本及维修成本。经国家计委（现国家发展改革委员会）批准，四方车辆研究所、铁道科学研究院、上海铁道大学（现并入同济大学）等单位共同研制制动系统。我国现已研制出先锋号MDB-1型制动系统和中华之星制动系统两种微机控制直通电空型制动系统。

微机控制直通电空型制动系统有模拟指令式和数字指令式两种，常用制动时模拟指令式为无级或多级控制，而数字指令式一般为7级控制。城市轨道交通的车站之间距离短，站台长度相对列车的裕度不大，要求停车准确，为便于精细调整制动力，并且同列车自动驾驶系统ATO配合，所以一般采用模拟指令式。

模拟指令式是指用模拟电量反映司机制动控制器的级位信息。模拟电量可以采用电压、电流、频率、脉冲宽度、相位等信号来传递制动指令，以这些模拟量的大小来表示制动要求的大小（图2.8）。

模拟指令式采用连续变化的物理量传递制动指令，可以实现无级控制，但是无级操作容易受各个司机人为操作的影响，且采用模拟式指令对指令传递的设备性能要求较高。一旦设备性能不能满足要求，可能造成制动指令精度下降，影响制动效果。

数字指令式是指使用数字量传递制动指令。如图2.9所示，数字量以0、1的二进制数值编码，1位数字量可以表示2种信息，2位的数字量表示4种信息，3位的数字量可以表示8种信息。（如图2.9所示，有两种格式，统一采用一种）

动车组的1～7级制动以及紧急制动，仅仅需要3位线就能够表示出这8种制动级位信息。但是数字指令式的抗干扰能力并不强，2个级位之间只要某根线串入干扰电平，就有可能引起高低位之间的错码。但这种方式简单，需用的导线数较少，在备用指令中可以采用（如2线编码、3位制动）。

此外，对于标准的铁路机车车辆，如果其走行装置或转向架的空间很狭小，则可安装气液制动装置。气液制动系统是将原有的空气阀类组件，替换为液压力为驱动力的组件，如图2.10所示。这些气液制动装置可以利用增压缸将列车的空气压力转换为液压力，从而响应制动指令对列车施加制动。例如，日本的新干线高速列车和西班牙的Talgo高速列车。