通俗易懂的铁路机车车辆制动理论

先廓厘拯笼凯

大家都知道，中国铁路大提速有六次，经过六次大提速，中国走入了高铁时代，并探索性预备了中国高速铁路的技术，现如今，高铁已成为中国人出行首选方式，人人夸中国高铁速度快。但是你知道吗？实际上，高铁动车组跑得快还是次要的，能刹住车才是关键！今天，咱们就来一起聊聊铁路车辆制动理论。


铁路列车制动的概念

制动，按照汉语的构词法，可以给他拆开来理解。制即制止，停止；动即运动，移动。制动的意思就是：通过某种方式使运动体停止运动。按照通俗的话来讲就是刹车。现代汉语词典对制动一词给出的释义是：人为地使列车减速或使其停车。反之，对已经施行制动的列车，解除或减弱其制动作用，则称之为“缓解”。



因此，为使列车能施行制动和缓解而安装于列车上的由一整套零部件组成的装置，称为“列车制动装置”，而由制动装置产生的与列车运行方向相反的外力就是“制动力”。

为什么说：制动很重要，但是却一直没太多的人重视呢？

许多人认为，只要车辆能够正常行驶，制动系统就不会有太大问题。他们可能更关注车辆的动力性能和外观，而忽视了制动系统的维护和检查。普通公众可能缺乏对制动系统工作原理和维护要求的深入了解。在紧急情况下，司机的本能反应和应对能力同样重要。即使制动系统处于最佳状态，如果司机在紧急情况下无法做出正确的判断和操作，也可能导致事故的发生。



如何更好的对标停车是考验一个司机操作水平的重要依据之一

确实，制动系统在铁路运输中扮演着至关重要的角色。它是确保列车安全运行的关键技术之一，其性能的优劣直接关系到列车能否在各种情况下安全停靠。在铁路运输过程中，列车需要在不同的站点停靠，同时也需要应对可能发生的紧急情况，这就要求制动系统必须具备高效、可靠的性能。

列车的制动距离与其牵引距离相比通常要求更短，这是为了确保在紧急情况下能够迅速安全地停车。制动系统在制动过程中所需提供的制动力不仅与列车的运行速度相关，还与列车的载重质量密切相关。速度越快、载重越大，制动系统需要提供的制动力就越大。

随着铁路运输的发展，列车的速度不断提高，载重也在不断增加，这对制动系统的性能提出了更大的挑战。因此，制动系统的技术进步和创新变得尤为重要。



物体在高速运动中，需要力来使物体停止——这个力就是制动力。那么制动力是如何产生的呢？



电影《盗梦空间》中旋转的陀螺

一个在旋转的物体以一定的转速在旋转，而让这个物体停止旋转的办法有很多，最简单的方法就是切除动力，即便因为惯性继续旋转，直到能量耗尽为止。

但如果讨论如何以最快最简单的形式停止，那么有些人会这么做：用手指摁住旋转体的边缘或者用两根手指夹住旋转体的两侧并逐渐使劲，最终会停止转动。



实际上，摁边缘或者夹住两侧的行为，就是制动，在这个过程中所用的力，就是制动力。这也是现在通用的制动手段，不管是老式自行车的橡胶闸皮摩擦车圈，还是较好的自行车所用的刹车钳夹和碟片，都是这个原理。

停止旋转体旋转的两个方法是在边缘施加外力或者在两侧施加外力。自行车的闸皮通过闸线或杠杆来压紧车圈摩擦，将动能转化为内能，这就是在边缘施加外力的形式。山地自行车多采用的碟刹，通过钳夹夹住闸盘两侧来实现能量转换，这就是两侧施加外力的形式。
铁路列车制动力的形成

我们假设列车在轨道上运行时，要想停车，就得用想办法获得制动力。最简单的是一块闸瓦，在运行中（缓解状态），它与车轮是有一定的间隙，这个间隙为缓解间隙。而在制动的过程中，这个间隙会消失，闸瓦在外力的作用下压紧车轮踏面，产生一个阻止车轮继续转动的力，形成制动作用。



闸瓦作用于车轮的压力为K，闸瓦与踏面之间的动摩擦因数（俗称摩擦系数）为φ，则K引起闸瓦作用于车轮的摩擦力为K×φ；而由于车轮又是旋转体，故这个摩擦力会以轮心为中心，车轮半径为长度R形成一个法向力矩，其值为：

K×φ×R

这个力矩的方向与车轮旋转方向是相反的，故其为一个阻止车轮继续转动的反作用力。



制动力的产生源自于两个显著的物理现象。首先，当制动系统启动时，车轮会受到一个与其旋转方向相反的力矩，这个力矩导致车轮产生角减速度α，使得车轮的转速逐渐降低。由于车轮边缘的线速度与其角速度成正比，因此随着角速度的减少，线速度也随之减小，直至车轮停止转动，进而使整个列车平稳停靠。其次，列车的重量通过车轮与钢轨紧密接触，制动时车轮不仅受到反向力矩，还在轮轨接触点产生一个与列车运动方向相反的纵向水平作用力，即静摩擦力。这个静摩擦力是车轮对钢轨的作用，同时钢轨也会对车轮施加一个大小相等、方向相反的反作用力，这两种力都是静摩擦力。这个由车轮产生的静摩擦力对列车而言是一种外力，它与列车的运动方向相反，起到了阻碍列车继续前进的作用。根据牛顿第二定律，这种力会导致列车产生减速度α，使得列车的速度逐渐降低，直至完全停止。

因此，列车制动力实际上是对运行的列车车轮产生反向力矩和因此而产生的静摩擦力及衍生的减速度。

列车的制动力主要是通过压缩空气推动一套制动装置产生的（另有机车或者动车组电阻制动作为辅助制动力），铁路人习惯把压力空气简称为“风”，空气的压力值称为“风压”。



内燃机车



电力机车

为了让每一节车厢都能同时产生制动力，机车和车厢都设有制动装置，并通过一根名为“列车管”的橡胶软管串联。





刹车时，司机操纵制动手柄，改变列车管内空气压力，机车和车厢的制动装置同时作用，使整列火车产生制动效果。



普速列车的制动装置一种是闸瓦制动，通过闸瓦抱紧车轮制动（类似于自行车），常用于内燃机车和货运车厢。



闸瓦是用铸铁或其他材料制成的瓦状制动块，在制动时抱紧车轮踏面，通过摩擦使车轮停止转动。制动过程中，闸瓦将巨大的动能转变为热能消散于空气之中。车速越高，制动时车轮的热负荷也越大，因此闸瓦制动不适合用于高速列车。



另一类是盘型制动。通过闸片抱住制动盘制动（类似于汽车），常用于电力机车和客运车厢。



盘形制动是在车轴上或在车轮辐板侧面安装制动盘，通过闸片紧压制动盘侧面产生的摩擦力制动。盘形制动大大减轻了车轮踏面的热负荷和机械磨耗，制动平稳，几乎没有噪音，适用于时速120公里以上的高速列车，是目前各国铁路列车普遍采用的一种制动方式。



粘着与滑行

闸瓦制动的制动力在列车运行中是通过控制闸瓦压力来调节的。在正常情况下，制动力随着闸瓦压力的增大而增大。而所谓的正常情况，是指的车轮没有发生滑行，或者说，车轮仍然是处于滚动状态。但是实际情况往往比这些理想化模型要复杂许多。这里面就有了“粘着”的概念。



粘着又写为“黏着”，读音为nián zhuó，可不是粘zhe。火车在轨道上往前行走靠的是粘着和滑移，列车重量加载在钢轮上，和钢轨之间通过微小形变产生相互作用力，其实和制动盘的原理是类似的。指的是火车动轮与钢轨接触处，由于正压力而出现的保持轮轨接触处相对静止、而不相对滑动的现象。下面这张图可能读懂有难度，但其实原理很简单。



钢轮和铁轨的接触纵面

钢轮在加载后产生形变，钢轨被加压，钢轮在前进的反方向也挤压，挤压部分前端是粘着区，也就是这个区域的钢轮相对于轨道的速度为零，而后端部分叫做滑移区，这个区域的钢轮相对于轨道有轻微的速度。





上图是钢轮和钢轨的接触面形状，灰色为滑移区，白色为粘着区。



上图纵轴是粘着系数，横轴是速度，速度越快，粘着系数越小，轮轨之间能够承受的牵引力越小，超过这个牵引力就钢轮就会打滑。当牵引力不断增大的时候，滑移区会逐渐扩大，当粘着区完全消失，车轮就会产生打滑下图是滑移率(轮轨相对速度和前进速度的比值)和粘着系数的关系，可以看到差不多在1%滑移率的地方有一个尖峰，此后粘着迅速降低。通常这个1%的位置的粘着是最高，但是不好利用。黏着系数µ并不是轮轨间传力关系的表述，只是客观上轮轨间所能传递的牵引力大小的表征，任何引起牵引力变化的现象都可以表示为黏着系数µ的变化，所以黏着系数µ是电力牵引控制系统的一个重要参量 。

与粘着相对应的词就是滑行，按照拆字法理解，则为：滑动行进。实际上很好理解，就是失去粘着。



那么对于列车来说，滑行是如何产生的？在绝大多数情况下，即在没有发生滑行的时候，车轮都是滚动的。这时，如果不考虑轮对的回转质量惯性，可以认为制动力就等于闸瓦摩擦力，即Bm＝ΣK×φk，它随闸瓦压力K的增大和运行速度v的降低而增大。在汽车上的表现则为：刹车踏板踩的越深，停车速度越快。

而当它增大到按近、甚至等于粘着力时，轮轨间的粘着状态就开始被破坏，出现车轮在钢轨上“连滚带滑”的现象。即在车轮滚动的同时伴随着少量的，但越来越大的纵向相对滑动。此时制动力不仅不再随闻瓦摩擦力的增大而增大，反而开始急剧减小。车轮转速急剧降低，闸瓦摩擦系数剧增，使闸瓦摩擦力儿乎直线上升，终于使轮轨粘着状态完全被破坏，车轮被抱死而不再滚动。

列车在钢轨上滑行，这种车轮因为过大的闸瓦压力而与闸瓦抱死的现象，俗称为“抱闸”。在汽车上也是同理。刹车时如果刹车系统抱死，则会造成很长距离的滑行，进一步扩大事故。因此汽车上都装有ABS系统。


汽车ABS防抱死系统

学了这么多，估计不懂的也能知道个大概了。铁路能取得今天的技术进步，离不开制动技术的提升。但看完这篇只能算对制动技术“略窥门径”，如果想真的掌握学习制动技术，还需要大量学习和实践！

青丝长安

附件内容展示了铁路机车车辆制动理论的核心原理。制动系统通过将列车动能转化为热能实现减速，其性能直接影响运行安全与效率。我国六次大提速及高铁发展历程中，制动技术的持续突破——如从传统空气制动到电空复合制动、再生制动等先进方式的应用——为高速运行下的精准控制与能量回收提供了关键支撑。未来，智能化、轻量化制动技术将进一步推动轨道交通向更安全、高效、绿色的方向发展。

[本文内容由铁道职培APP平台与人工智能深度求索 - DeepSeek辅助生成，仅供参考]

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铁路机车车辆制动理论的核心在于能量转换与控制。通过摩擦制动（闸瓦/盘形制动）将动能转化为热能耗散，或采用电制动（再生/电阻制动）实现能量回收。现代制动系统集成空气制动、电制动及计算机控制，确保列车在高速下安全、平稳停车。中国铁路六次大提速及高铁发展，正是制动技术不断突破——从传统空气制动到再生制动协同控制——的结果，体现了制动效率、可靠性与能量利用率的综合提升。

[本文内容由铁道职培APP平台与人工智能深度求索 - DeepSeek辅助生成，仅供参考]