 俗话说：火车跑得快，全靠车头带。其实火车跑多快还在其次，关键是怎么让它平稳的刹住车。我国高速列车作为高速铁路新技术的核心，其技术进展日新月异，在350km/h速度级高速列车中，最难解决的核心技术之一是制动系统的研制。今天我们就来揭秘一些动车组制动系统。  为抵消前进时巨大的惯性力，常用制动情况下，高速列车使用复合制动，即多种制动方式同时采用，制动力分别来自空气制动、电制动和非黏着制动。空气制动方式主要采用轮盘式制动和轴盘式制动。电制动方式主要采用电阻制动和再生制动。非黏着制动方式主要采用盘形涡流制动、磁轨制动和轨道涡流制动。 高速列车制动时，采用电气信号传送制动指令，由计算机进行数据处理和控制，根据检测到的列车速度设定制动力的大小。 动车使用再生制动加上空气制动，拖车使用空气制动。制动控制装置判断制动力大小是否足够，当再生制动的制动力不足时由空气制动补充。 由于车轮的高速转动，列车制动时，制动盘和闸瓦的磨损极为严重，会减少制动盘和闸瓦的使用寿命。为减少制动盘和闸瓦的磨损，需要采用延迟控制方式：先是动车优先实施再生制动，当再生制动的制动力不足时，通过电磁控制的紧急制动放风阀，控制拖车再实施空气制动，如果制动力还不足，动车再实施空气制动。这样才可以确保高速动车组在设计的制动距离内减速到零，并且减少车辆之间的冲击力，提高旅客的乘车舒适性。 01 空气制动 空气制动方式中，高速列车现在一般采用的是盘形制动。空气制动属于机械制动，会有机械磨损。空气制动最常见的结构形式也是盘形制动，就是利用压缩空气使制动闸片或制动闸瓦抱住制动盘，从而产生制动力。制动闸片和制动闸瓦需要有很强的摩擦力，其材料包括有机材料、烧结材料和柔性材料。  高速列车的盘形制动原理图  有机材料的制动闸片  烧结材料的制动闸片 盘形制动分为两类，轮盘式制动是制动盘贴在车轮侧面，轴盘式制动是制动盘独立安装在车轴上。轮盘式制动常用于动车，轴盘式制动常用于拖车。盘形制动可以减小车轮踏面的机械磨耗，制动平稳，几乎没有噪声。车轮踏面是车轮上与轨道的接触面。  制动盘贴在车轮侧面的轮盘式制动  TGV高速列车的轴盘式盘形制动系统  轴盘式制动用的制动夹钳 02 电制动 电制动是电动机停转过程中，产生一个与电动机转向相反的电磁力矩作为制动力，使电动机停止转动。电制动由于没有附加的机械装置，使用成本比较低。电制动不仅减少了空气制动产生的闸瓦粉尘，还有助于提高列车自动驾驶的精准度，减少车轮磨损。但是电制动在低速和高速运行的时候效果比较差，在时速小于10公里时，列车只能采用空气制动来制动，一般在时速大于160公里时也需要空气制动介入，来达到要求的制动效果。 高速列车制动装置采用的电制动又分为电阻制动和再生制动。 1.电阻制动 电阻制动又称动态制动，广泛应用于电力机车和电传动柴油机车。在列车需要减速或停车时，停止给原来驱动车轮的牵引电动机供电，同时将一个电阻器接入牵引电动机。列车失去动力后，由于惯性力，仍将继续前进，带动牵引电动机转动，将原来驱动车轮的牵引电动机转变为发电机。原来消耗电能的牵引电动机继续转动，转变为输出电能，从而产生一个与牵引电动机原来的转动方向相反的反转力矩。这个反转力矩的大小与列车速度成正比，消耗列车的动能，产生制动作用。牵引电动机转变为发电机后发出的电流通过专门设置的电阻器，使电阻器发热。电阻制动把回馈不回去的电能用电阻器发热的形式消耗掉。  电阻制动原理图 2.再生制动 再生制动是在电阻制动的基础上进一步发展而成的一种制动方式，将电阻制动过程发出的电能反馈回电气化铁路供电网，使本来由电能变成的动能再生为电能，得到再循环使用，而不是变成无用的热能消散掉。  再生制动原理图 动车组列车通常是把产生的电力输回电网，再生循环使用。一般的再生制动会把约30%的动能再生使用，其余的动能还是成为热量而散发掉。这种转化效率根据不同的使用环境而有所不同。高速列车使用复合制动，来提供快速、强力的制动，也就是多种制动方式同时用，因此，使用再生制动的车辆仍然还需要使用轮盘式制动和轴盘式制动等传统的空气制动。 03 非黏着制动 非黏着制动方式主要有盘形涡流制动、轨道涡流制动和磁轨制动，是多种制动方式并用时的一种辅助制动方式，主要用在轮轨黏着状态下制动力不够的高速列车上。非黏着制动的制动力不受轮轨间黏着力的限制。制动时，制动力不通过车轮与钢轨的滚动接触点（黏着点）。 在涡流制动装置中，磁场可能是由永磁体（能够长期保持其磁性的磁体）或电磁铁产生的，因此，可以通过改变电磁铁绕组上的电流来开启或关闭制动力。 涡流制动的优点是由于制动没有摩擦，所以制动表面没有磨损，不需要更换。涡流制动的缺点是由于制动力与运动物体的相对速度成正比，当运动物体静止时，制动力不能保持，所以涡流制动必须与轮盘式制动和轴盘式制动等摩擦制动同时使用。 1. 盘形涡流制动  日本新干线700系列车的盘形涡流制动装置 盘形涡流制动的原理是：钢质的涡流制动圆盘安装在车轴上，涡流制动线圈安装在制动圆盘两侧。制动时电流通过涡流制动线圈，涡流制动线圈成为电磁铁，涡流制动圆盘随车轴转动时，涡流制动圆盘感应产生涡流；在电磁铁磁场的作用下，会在制动圆盘上产生一个与车轴转动方向相反的电磁制动力矩，来抵消车轴转动力矩，使列车减速。  2.轨道涡流制动  轨道涡流制动也属于非黏着制动，利用电磁铁和钢轨的相对运动使钢轨感应出涡流，产生电磁吸力作为制动力。轨道涡流制动的电磁铁在制动时只放下到距离钢轨表面几毫米处而不与钢轨接触，对钢轨没有直接的磨损。 轨道涡流制动与盘形涡流制动的原理是一样的，不同之处是轨道涡流制动的制动力施加在轨道上，而盘形涡流制动的制动力施加在拖车车轴的制动圆盘上。  上面说到了，轨道涡流制动既不通过轮轨黏着，也没有磨耗问题。但是，轨道涡流制动消耗电能非常多，约为磁轨制动的10倍，电磁铁发热也很厉害，所以，它也只是作为高速列车紧急制动时的一种辅助制动方式。 3.磁轨制动 磁轨制动是指制动时把列车转向架上的磁铁放下，让磁铁接触轨道，利用磁铁与轨道之间的吸引力来产生较大的摩擦力，从而使列车减速。磁轨制动属于非黏着制动，所以制动力不受轮轨黏着力的影响，其制动力比较稳定，常用于紧急制动，据计算可以使列车制动距离减少20%。磁轨制动时，磁轨直接与轨道摩擦，会产生很大的热能，导致轨道升温，对钢轨的磨损比较大。  上图讲述了磁轨制动的原理，升降气管向升降气缸充气，电磁铁落下，励磁电流流入励磁线圈，电磁铁的磁力把铸铁极靴吸在钢轨表面，从而产生摩擦制动力。 磁轨制动与上述轨道涡流制动很相似，也是把电磁铁悬挂在转向架下面同一侧的两个车轮之间；不同的是，磁轨制动的电磁铁接触并且紧贴轨道，而轨道涡流制动的电磁铁在制动时只放下到距离钢轨表面几毫米处而不与钢轨接触。 (部分内容来源：知乎·中国铁路、铁道知识局/高铁科普120问) |
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