70年來我國鐵路機車車輛制動技術的發展歷程

李和平， 嚴霄蕙

(1 中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所， 北京 100081；2 北京電子科技職業學院 經濟管理學院, 北京 100176)

(一)

自1876年中國大地上出現第1條營業鐵路--吳淞鐵路建成通車之日起，到1949年解放前夕，舊中國在70余年僅僅修建了2.7萬余公里鐵路,其中能夠維持通車的只有2.2萬公里。新中國建立后，作為國民經濟的大動脈，鐵路得到快速發展，截止2018年底，我國鐵路總里程已達到13.1萬公里，其中高速鐵路2.9萬公里，占全世界總里程的2/3。2017年6月26日代表著世界先進水平、被命名為復興號的兩列中國標準動車組在京滬高鐵亮相，開啟了中國鐵路技術裝備新時代。回眸70年來我國鐵路機車車輛制動技術的發展和變化，每一步都印證著我國鐵路的發展和技術進步。

1 制動機簡統化及仿制階段

新中國剛剛成立時，所有的鐵路運輸設備均為國外生產。機車車輛制動裝置型號也十分繁雜,蒸汽機車大多裝備ET-6 型制動機。客車大多為PM 型和LN 型制動機和少量的AV 型制動機。貨車則以K1、K2型制動機為主, 其他則為QA、Q SL P、H、Q SHU 等雜型閥。這些制動閥基本上是20世紀20年代之前的國外產品。據1950年的統計，客貨車輛中只有一部分安裝了制動閥，其余有的只安裝了過風管、有的安裝了手制動機或者安裝了過風管及手制動機，還有很多車輛沒有任何制動設施，給運用和檢修帶來了很大困難。

為適應鐵路運輸的需要，車輛安裝空氣制動機成了首要工作。20世紀50年代初齊齊哈爾車輛廠建立了制動機車間，先后生產出客車用的P型和LN型三通閥、貨車用K型三通閥和蒸汽機車用的ET-6制動機，改寫了我國不能生產制動機的歷史。經過整修和改造,全部車輛陸續裝備了空氣制動裝置。在此基礎上，對空氣制動機進行了簡統化，客車統一采用P型和LN型三通閥、貨車統一采用K型三通閥，逐步淘汰了各種雜型閥。1951年第一次公布了制動機檢修規則，建立了檢修制度，設置了試驗設備。

隨著國民經濟的恢復和發展，鐵路運輸的客貨運量均大幅提高，貨車的載質量由30 t提高到50～60 t，客運列車編組也由12輛增加到13～15輛。1953年鐵道科學研究院大連鐵道研究所曾在120輛貨車制動試驗臺上對K型三通閥進行了制動、 緩解和充風性能試驗。試驗表明列車牽引120 輛、機車使用ET-6 型制動機操縱, 制動時突出的問題是列車施行小減壓量時尾部車輛不發生制動作用, 這是因為K型三通閥制動波速低, 列車緊急制動時其波速只有180 m/s, 常用制動只有85 m/s。K型三通閥由于沒有空重車裝置，載重50 t以上的貨車在重車時制動率只有20%左右，不能滿足制動的要求，而且存在靈敏性差、緊急制動作用不可靠、制動時列車制動力不均勻造成縱向沖動大等問題。客車使用的L3型三通閥由于緊急制動作用靈敏度低，導致列車僅前部車輛發生緊急制動作用，列車后部車輛不起緊急，無法保證列車安全。P型三通閥常用制動不穩定，往往在常用制動時發生緊急制動，給列車造成沖擊，同樣影響行車安全。

當時迫切需要解決的首先是貨車制動性能不能滿足貨運量急劇增長的問題。起初曾嘗試在60 t貨車上每輛車安裝兩套K型三通閥的方法(空車時使用一套、重車時使用兩套)。但是這種方式既不經濟也不合理。1954年鐵道部在大連召開制動專業會議，會議的重點是討論K型三通閥改造問題。在這次會議上，蘇聯專家介紹了蘇聯的制動技術，恰逢全社會各行各業大張旗鼓掀起學習蘇聯經驗熱潮，會議轉而決定引進和采用蘇聯的MTЗ-135分配閥。然而在采用MTЗ-135分配閥的車輛與采用K型三通閥車輛混編時出現制動性能不協調等問題。這主要是因為K型三通閥(包括客車用的P、L型三通閥)屬于二壓力控制的軟性制動機，這種制動機是利用列車管與副風缸的壓力差來控制制動機的制動、保壓和緩解作用的(見圖1)。 軟性制動機具有階段制動和一次緩解性能，列車緩解較容易。當列車需要緩解時，只要列車管壓力比副風缸壓力高10～15 kPa就能使車輛達到緩解的目的。而MTЗ-135分配閥屬于三壓力控制的硬性制動機，這種制動機是利用列車管、工作風缸和制動缸的壓力差控制分配閥的作用, 具有階段制動和階段緩解性能，但必須把列車管壓力升到制動之前的壓力值才能使列車完全緩解(見圖2)。兩種制動機性能不同，制動和緩解作用不一致。尤其是緩解作用差異更大，軟性制動機只要列車管一充風，列車就能夠緩解了，而硬性制動機必須等到列車管充風至定壓才能徹底緩解。

圖1 二壓力制動機示意圖(圖中：4-副風缸、6-直接連通列車管)

圖2 三壓力制動機示意圖(圖中：3-工作風缸、9-制動缸、12-列車管)

應該指出，MTЗ-135分配閥本身具有良好的制動性能，但該閥屬于歐洲普遍使用的三壓力硬性制動機，而我國鐵路普遍使用的是二壓力軟性制動機，兩種制動機混編時制動性能無法匹配。當時國內對硬性制動機性能認識不足，也缺乏運用經驗，盲目引進，導致失敗。最終只能停止引進和使用MTЗ-135分配閥及類似空氣制動機，而把重點轉移到對K型三通閥的改進工作。

K型三通閥的改進工作由(當時為鐵道部鐵道研究所)大連分所(1952年成立了制動研究室)和齊齊哈爾車輛廠承擔。在改進K型三通閥的同時，增設手動空重車調整裝置、采用直徑φ356 mm的制動缸。1957年完成了試制工作，1958年4月完成了靜止試驗、運行試驗和大坡道試驗。在1958年5月鐵道部組織召開的制動專業會議上通過了技術鑒定，并決定推廣應用。這就是至今仍在使用的GK型貨車制動機。GK型制動機可實現制動力分階段上升，減少了列車的縱向沖動，基本上解決了50～60 t貨車制動技術問題。

1958年當時鐵道科學研究院機車車輛研究所和金屬化學研究所合作開始研制中磷鑄鐵閘瓦。在此之前，我國鐵路均采用灰生鐵閘瓦。相對于鑄鐵閘瓦，中磷閘瓦摩擦系數可提高20～25%，耐磨性提高50%。1960年中磷閘瓦通過了鐵道部組織的鑒定，1962年開始全路推廣應用。GK型制動機與中磷閘瓦成了20世紀60年代貨車的標配。GK型制動機與中磷閘瓦配合使用，使當時以50t載重貨車為主的貨運列車運行速度由40～50 km/h提高到80 km/h，為我國鐵路運輸做出了重要貢獻。

上世紀50年代末，對客車P型三通閥的結構進行了改進，將棒型節制桿改為平面型的滑閥(見圖3)，解決了常用制動不確定的問題，在全國推廣后取得了良好的效果。

圖3 P型三通閥的結構改進

上世紀50年代，我國鐵路機車只有蒸汽機車，機車普遍采用ET-6制動機。該制動機是上世紀初出現在美國并開始使用。ET-6制動機總風缸容量小，越來越不適應長編組列車的要求。早期國內生產的ET-6制動機關鍵部件H-6自動制動閥由于缺乏經驗，閥座的緊急排風口通路太小，導致排風速度太慢，使列車經常出現不起緊急制動現象，雙機重聯時問題更為嚴重。鐵科院調查了全國各機務段853臺機車制動閥，排風合格的只有112臺，合格率只有13.1%。此外，機車基本上沒有配置壓縮空氣干燥及凈化裝置，供給車輛制動機的壓縮空氣混雜許多油水，嚴重影響列車制動機的性能和使用。上世紀50年代后期，我國開始研制內燃機車和電力機車，這些機車要求能夠雙端操作，ET-6制動機也無法滿足這一要求。

為改進機車制動機, 1958年齊齊哈爾車輛廠(以下簡稱齊廠)試制EL-14型制動機(該型制動機源自美國)，首先在韶山型電力機車上試用, 發現制動缸壓力偏低, 單機制動和緩解時間偏長。后幾經改進, 并于1965年由鐵道部組織鑒定, 在部分電力機車上安裝使用。但由于該制動機基于ET-6制動機，其結構和作用原理與ET-6制動機基本相同，具有ET-6制動機的缺點, 仍然存在初充風和再充風時間長、操縱長大列車時前部車輛產生自然緩解等缺點而未能推廣。

2 自主研發的初級階段

1958年有13個鐵路局先后研制出了各種電空制動機樣機，鐵道部決定由鐵科院主持總結分析各方案的優缺點并對電空制動機進行研制和試驗。并決定四方機車車輛廠(以下簡稱四方廠)負責客運機車電空制動機，天津廠負責客車電空制動機；唐山機車車輛廠負責貨運機車電空制動機。1959年1月經制動專門委員會的同意成立了電空制動機研制小組, 對電空制動機制定了技術條件, 提出了電空制動機的具體方案。

1959年安裝電空制動機的1008號人民型蒸汽機車及安裝了由L3型三通閥改裝的電空制動機旅客列車在北京至天津間進行運行試驗，并在蘭州鐵路局烏稍嶺的20‰長大下坡道進行運行試驗，最高速度達到80 km/h，這在當時是空氣制動機很難達到的速度。試驗表明電空制動機具有制動力不衰退的優點，尤其是在長大下坡道顯示了電空制動機的優越性。同年，安裝了電空制動機的蒸汽機車及60輛安裝了電空制動機的貨車在鄭州鐵路局進行運行試驗，后續也在烏稍嶺的20‰長大下坡道進行了運行試驗。試驗結果表明電空制動機比純空氣制動機制動距離短、列車停車平穩、列車縱向沖擊力小，編組越長優勢越明顯。雖然電空制動機有明顯的優點，但由于當時條件限制，推廣應用比較困難，相關工作中斷。然而這些研制工作積累了許多經驗，為后續新產品開發創造了條件。

2.1貨車制動機的初期開發

鑒于當時機、客、貨車制動機中,貨車制動機的問題比較突出, 一直是影響貨運的關鍵,迫切需要予以解決。1962年鐵道部下發了新型貨車制動機設計任務書，要求必須實現下述主要技術條件:

①適應速度120 km/h；

②消除漲圈與滑閥等研磨件；

③適應最大牽引長度1 250 m，最大牽引噸位6 000 t(貨車)；

④緊急制動波速250 m/s以上；

⑤適應外界溫度-50 ℃～+50 ℃；

⑥能與直徑φ203～456 mm的制動缸匹配；

⑦能與既有制動機混編使用；

⑧盡可能作到客、貨車通用。

1962年6月鐵科院機輛所和齊齊哈爾廠共同著手研制新型空氣分配閥，于1963年2月完成空氣分配閥設計。根據圖號定名為101型分配閥，寓意為我國第一個自主開發的空氣制動分配閥。該分配閥采用全橡膠膜板、橡膠止閥和“O”圈結構，沒有滑閥和漲圈。樣機在室內試驗時，存在常用制動保壓時發生自然緩解等問題，而在討論改進方案時出現了分歧，一種觀點認為應該采用全膜板及橡膠止閥，另一種觀點是采用模板帶滑閥方案。在此期間，試制了一個主閥為模板帶滑閥結構的試驗樣品，試驗效果令人滿意，取名為102型分配閥。為了配合貨車制動閥的開發，1964年在鐵科院東郊試驗基地新建了100輛編組的貨車制動試驗臺(1985年擴展為150輛)。同年9月在鐵科院機輛所召開了技術方案討論會，考慮到采用膜板帶滑閥的方案能比較快的實施, 也比較可靠,決定先按這個方案研制，同時不放棄采用止閥的方案。1965年鐵科院機輛所和齊廠合作進行新閥設計，1966年初完成樣機試制，試驗證明性能基本達到設計要求。這就是20世紀60年代在貨車上推廣的103型分配閥(見圖4)。103型分配閥屬于二壓力控制閥，可以與既有制動閥混編；采用間接作用方式，能適應不同直徑的制動缸；采用橡膠模板結構，提高了靈敏度；為避免緊急制動和常用制動混淆，增設了緊急制動閥。空重車調整裝置具有自動調整功能。在72輛貨車編組時的常用制動波速為180 m/s，緊急制動為波速240 m/s，明顯高于GK閥。1978年采用103空氣制動機的C62A重載敞車獲全國科學大會優秀科技成果獎。

圖4 103空氣制動機

2.2客車制動機初期開發

為適應旅客列車增加編組的需要，解決GL三通閥作用靈敏度低、緊急制動作用不可靠、常用制動不能轉入緊急制動、緊急制動時縱向沖動大等問題，1968年鐵道部要求在103型閥基礎上，研制客車用空氣分配閥。1969年10月鐵科院機輛所和齊齊哈爾廠合作試制成功104空氣分配閥(見圖5)。104分配閥與103型分配閥的主要差別是取消了空重車調整裝置，其總體組成基本相同。104分配閥經過多年的反復試驗、優化，于1975年通過了鐵道部組織的技術鑒定，并在全路推廣應用，成為我國鐵路旅客列車主型空氣制動機。103分配閥也于1978年通過了鐵道部組織的技術鑒定。103及104分配閥的研制成功和推廣應用，為提高我國鐵路鐵路運輸做出了重要貢獻。

圖5 客車上104空氣制動機示意圖

1979年四方所與天津廠合作開展F8制動機研制工作。F8制動機(參見圖6)主閥屬于三壓力機構，可以實現階段緩解。由于主閥屬于三壓力機構，緩解時需要列車管壓力達到接近工作風缸壓力時，制動缸壓力才能降到零，因此緩解時間長。這與二壓力分配閥有較大差異。為了解決這一問題，輔助閥設計成二壓力機構，通過轉換蓋板轉換。F8型制動機采用全橡膠密封結構，取消了金屬研磨件，有利于制造和檢修，并延長了檢修期。在25輛客車編組時，常用制動波速為213～236 m/s，緊急制動波速為234～246 m/s。其制動缸壓力直接受列車管控制，制動和緩解時縱向沖動小，適合于長編組列車。

F8型分配閥1989年通過了鐵道部鑒定。目前104型分配閥和F8型分配閥均在客車上使用，且可混編使用。

針對此類業務，無論是采用一般計稅還是簡易計稅，納稅人都可以自行選擇是否采用差額計稅方法 （也就說可以采取通常采取的進項稅額抵扣制）。

圖6 F8分配閥在客車是管路安裝

2.3機車制動機初期開發

我國機車制動機的發展與牽引動力的變化息息相關。在蒸汽牽引為主的年代里，僅適應于單端操縱的ET-6型空氣制動機是唯一的機車制動機。20世紀60年代初期，由ET-6型演變成適應雙端操縱的EL-14型機車空氣制動機首先在電力機車裝用，然后用于內燃機車。隨著內燃機車和電力機車的發展，原有的機車制動機已經不能滿足要求。為了解決舊機車制動機初充風及再充風時間長、操縱長大列車時前部車輛產生自然緩解等問題，四方所和天津廠于1973年正式開始JZ-7型機車空氣制動機的研制。該制動機是在20世紀60年代為非洲坦贊鐵路研制的空氣-真空兩用制動機的基礎上，借鑒了美國26-L型機車制動機的26-C分配閥的經驗。分配閥采用了二壓力和三壓力混合結構，設置了客車位和貨車位的轉換閥，分別適用于二壓力或三壓力的車輛制動機，可客貨兩用，在客車位時有階段緩解作用。既可以雙端操作也可以單端操作。制動機采用橡膠膜板等結構，取消了需研磨的回轉閥和漲圈等配件。具有充風及再充風快、自動保壓性能。為適應長大貨物列車的需要設有過充位，縮短了列車管和副風缸的初充風和再充風時間。1974年底JZ-7型機車空氣制動機(見圖7)開始在東風4型內燃機車上運用考核。1978年通過了鐵道部組織的技術鑒定，開始推廣使用，成為我國內燃機車的主型機車制動機(JZ-7型機車空氣制動機研制工作早于F8客車制動機，因此F8制動機的設計更多的借鑒了JZ-7制動機的經驗和結構)。

圖7 JZ-7制動機組成

1974年底，鐵科院機輛所、株洲電力機車廠(當時名為田心機車車輛工廠)和株洲電力機車研究所合作開展DK-l型機車電空制動機研制工作。1975年6月試制了第1臺樣機，并進行了系統的地面試驗。在改進了結構及工藝后，1976年5月試制成第2臺樣機，同年8月安裝在SS1型135號電力機車上進行運用考核，同年年底至1977年初在鐵科院環行線進行單機靜止和運行試驗，并與60輛裝有GK型制動機的貨車編組進行靜止和運行試驗，取得了良好的效果。1977年5月開始在寶成線(我國第一條電氣化鐵路)運用考核。DK-1制動機是通過電空制動控制器操縱電空閥，向均衡風缸充風或排風，從而控制中繼閥向列車管充風或排風，實現機車及列車的制動或緩解(見圖8)。它用電空制動控制器代替空氣制動機的自動制動閥(大閘)，具有減壓準確、充排風快，可與電阻制動或再生制動起聯鎖作用,結構簡單，便于維修。在電氣發生故障而失電時可立即轉入常用制動并通過故障轉換裝置轉換為空氣制動, 以保證列車運行安全。1982年通過了鐵道部組織的技術鑒定，并開始在電力機車上推廣應用，成為我國鐵路電力機車主型制動機。

圖8 DK-1制動機控制關系示意圖

3 旅客列車制動技術

改革開放以后，鐵路客運量和貨運量大幅增加。旅客列車嚴重超員，雖然列車編組擴編到20輛甚至更長，仍不能滿足客運量日益增長的要求。迫切需要提高客運列車運行速度。1994年12月22日廣深準高速鐵路正式開通運營，成為中國第1條準高速鐵路，拉開了我國鐵路旅客列車提速的序幕。從1997年4月1日至2004年4月18日的短短8年間，全路連續實施了5次大面積提速，主要干線客車最高速度達到160 km/h，部分區段最高速度達到200 km/h，全面加快了鐵路技術進步。

我國鐵路在實施提速之前，主要干線客運列車的最高運行速度長期低于110 km/h，列車速度的大幅度提高給制動系統帶來了以下問題：

(1)首先是原有客車和機車均采用自動空氣制動機，由于制動波速的限制，列車前后制動和緩解存在不一致問題，而且隨著列車編組長度增加，首尾車開始制動及緩解的時間差增大，造成列車在加速和減速時出現很大縱向沖動。1985年在鐵科院環形試驗線進行了旅客列車擴編至16輛、20輛、25輛、30輛的制動性能試驗(配置104分配閥、15號車鉤、1號緩沖器)。試驗表明，20輛編組比16輛編組縱向沖動嚴重的多，25輛和30輛編組在緊急制動時縱向加速度對于旅客的身體健康已構成潛在的威脅。由于制動波速偏低，并隨著列車長度的增加呈下降趨勢。這不僅僅影響旅客舒適度，同時也給列車運行安全造成隱患。

(2)空氣制動機制動時，空走時間長，難以滿足制動距離要求

圖9 機車及機后15位客車制動缸壓力曲線圖

圖10 機后1位及15位客車制動缸壓力曲線

圖9是采用JZ-7制動機的機車與采用F8制動機的15輛客車組成的列車制動時，機車及第15輛客車的制動缸壓力上升曲線。圖10是同一列車的第1輛客車及第15輛客車的制動缸壓力上升曲線。從圖中可以看出，編組越長后部車輛制動缸升壓越慢。

(3)由于速度的提高，制動熱負荷大幅度增加，踏面制動方式已經無法適應；

(4)列車速度提高后，為了盡可能縮短制動距離，必須充分利用輪軌黏著系數，增大制動力，而輪軌黏著系數是隨著列車速度的增加呈下降趨勢，導致列車制動時抱死滑行的可能性增大。為了防止車輪滑行，必須采取防滑措施。

3.1旅客列車電空制動技術

為了解決這些問題，國家科委和國家經委將“旅客列車電空制動技術”及相關配套技術列入“七五”國家重點科技攻關項目。1985年9月鐵道部在鐵科院召開了旅客列車電空制動機方案討論會，擬定了方案、原則及技術條件，決定旅客列車電空制動系統采用104型分配閥加電空制動方案，即104電空制動機。

104電空制動機是在104空氣制動機的基礎上增設了控制用電磁閥，用電來操縱制動系統的制動、緩解和保壓等作用。圖11是104電空制動機組成示意圖。

相對于104空氣制動機，104電空制動機增設了制動、緩解、保壓3個電磁閥，1個40 dm3緩解風缸(緩解時緩解風缸的空氣進入列車管，起到加速緩解和加速充風的作用)及控制電纜。通過機車電空制動機控制各車輛的電磁閥，進而控制制動管壓力增減，使自動空氣制動機起制動和緩解作用(F8電空制動機與104電空制動機控制原理基本一致)。104電空制動機采用了經過改進的104C分配閥，其常用制動波速達到174～213 m/s、緩解波速為174～194 m/s、緊急制動波速為270 m/s左右。

電空制動的使用使列車的制動性能有了很大的改善，列車幾乎可以同步制動和緩解，減少了列車的縱向沖動，使列車的運行更加舒適平穩。同時實現了階段緩解的功能，縮短了列車的制動距離，尤其是縮短了列車的常用制動距離。而且自動空氣制動系統可作為備用制動系統，當電空制動失效時，列車自動地轉為空氣制動系統，增加了列車的安全冗余。

3.2盤形制動技術

鐵路機車車輛傳統的制動方式是采用閘瓦與車輪產生摩擦的踏面制動(閘瓦制動)方式。由于閘瓦摩擦面積小，大部分的制動熱負荷由車輪來承擔。速度越高車輪承受的制動熱負荷也越大，車輪踏面溫度也會越高。這不但會加快踏面磨耗，甚至有出現裂紋或剝離的危險，同時由于溫度上升，使得閘瓦磨耗加劇、摩擦系數下降。上述情況既影響使用壽命也影響行車安全。一般情況下，踏面制動只適用于速度120 km/h以下的列車。顯然，傳統的踏面制動已經不能滿足提速旅客列車對制動系統的要求。

圖11 104電空制動機組成

盤形制動是在車軸或車輪輻板兩側安裝制動盤，用制動夾鉗使閘片夾壓制動盤側面，通過摩擦產生制動力(如圖12所示)。由于盤形制動作用力不在車輪踏面上，可以大大減輕車輪踏面的熱負荷和機械磨耗，而且制動平穩、噪聲小。盤形制動的摩擦面積相對較大，可根據需要安裝若干套，其制動效果明顯高于踏面制動，因此速度120 km/h以上的列車普遍采用盤形制動。

圖12 踏面制動及盤形制動示意圖

盤形制動方式于1935年開始在法國鐵路應用，我國鐵路首次應用盤形制動是1958年，當年四方廠邀請鐵科院機輛所和上海交通大學參與設計、1961年生產的低重心客車采用了輪裝制動盤。由于當時客車技術水平和經驗不足，低重心客車并沒有投入使用。四方廠在1961年生產了我國第1列、也是我國第1代雙層客車上采用了鑄鋼軸裝制動盤，該車一直運行到1982年。

1989年8月第2代速度120 km/h雙層旅客列車開始在滬寧線投入運營。該車采用了鐵科院研制的H300型大功率制動盤、帶閘片間隙自動調整功能的制動夾鉗單元及匹配的合成閘片(如圖13所示)。在此之前，國內鐵路車輛使用的制動盤主要是進口產品。上世紀70年代鐵科院等單位開始對制動盤進行深入研究，鐵科院曾經對包括普通灰鑄鐵、高強度灰鑄鐵、球墨鑄鐵、25號鑄鋼、40號鑄鋼、稀土合金鑄鐵、鎳鉻鉬合金鑄鐵、鉻鉬銅合金鑄鐵等進行了各種常溫機械性能、物理性能試驗、高溫機械性能 (最高溫度達到800 ℃) 及高溫疲勞性能試驗。選擇了在常溫及高溫下機械性能較好、熱膨脹系數較小、熱傳導系數較高的一種特種鑄鐵作為雙層客車及后續提速客車的制動盤材質。

圖13 H300型制動盤及制動夾鉗單元

1982年鐵科院機輛所首次在1∶1試驗臺對制動盤溫度場進行了實物測試，并采用在制動盤嵌入熱電偶的方法，對制動盤面溫度及梯度進行測量。在H300制動盤研制過程中,鐵科院在國內首次利用計算機對制動盤進行了溫度場及熱應力場仿真模擬計算。1990年鐵科院機輛所在國內首次在1∶1制動動力試驗臺上進行了制動盤的熱應力場測試。

H300型制動盤為分體式結構，為適用于更高速度的需要，鐵科院又研制了雙金屬整體式結構的H3200型制動盤(如圖14所示)。H3200型制動盤摩擦環采用雙金屬鑄造，摩擦部分為合金鑄鐵，摩擦環中間與盤轂的連接部分為鋼芯，將鑄鐵熔鑄在鋼芯上。這種結構既可以發揮鋼的強度及韌性的優點，又可以利用合金鑄鐵良好的摩擦特性，可用于速度超過200 km/h的客車。盤形制動的摩擦盤與閘片間的摩擦系數是影響其制動性能的關鍵因素。與H3200型制動盤匹配的是半金屬合成閘片，臺架試驗表明摩擦副的摩擦系數具有比較好的穩定性。

1992年6月在鐵科院環行線分別對安裝了鐵科院盤形制動裝置的浦鎮廠準高速雙層客車、長客廠和四方廠生產的準高速客車，進行單車溜放制動試驗，最高試驗速度為162 km/h，盤形制動裝置具有良好的制動性能。鐵科院盤形制動裝置自1993年開始在準高速客車和提速客車推廣應用。

3.3電子防滑技術

我國鐵路機車車輛牽引力和制動力實現的基礎是輪軌間的黏著。因此，目前采用的制動方式均屬于黏著制動。對于黏著制動而言，制動時輪軌間產生最大縱向力Fmax(制動力)與黏著系數μ必須滿足下述關系才能保證制動力的實現(式中Q為制動時輪軌間的垂直力)。

Fmax≤Qμ

當制動力小于黏著力時不會發生滑行。反之，將導致制動力急劇下降，可能出現滑行甚至輪對抱死現象，不僅使制動距離延長，而且影響列車的運行安全。在設計制動系統時，總是希望盡可能利用輪軌黏著，以實現盡可能短的制動距離。但是輪軌黏著狀態是復雜多變的，使制動力可能接近甚至大于黏著力。解決這一問題的有效途徑就是采用防滑控制裝置。

早期的防滑技術是采用機械式防滑裝置。1966年四方廠和四方所共同研制了我國第1代機械防滑器，并裝在1967年出廠的25.5 m客車和發電車上。鐵科院也曾經進行了機械防滑器的研制。機械防滑器基本原理如圖15所示。當車輛出現滑行時，車輪轉速會突然下降，防滑器內的飛輪及凸輪盤因其慣性離心力作用，與主動桿產生相對轉動，使主動桿沿凸輪盤斜坡上移，進而推動移動桿左移，使與制動缸相連接的排風閥室壓力空氣迅速排向大氣。

圖14 H3200型制動盤及摩擦副的摩擦系數曲線

1-轉動桿；2-軸承套筒；3-飛輪；4-凸輪盤；5-主動桿；6-移動桿；7-排氣閥桿；8-排風閥柱塞；P-排氣閥口；C-制動缸接口；D-分配閥接口；R-副風缸接口；G-排風閥G口，接傳感器；F-小孔。圖15 機械防滑器基本原理

機械式防滑器的防滑作用滯后時間長、靈敏度低，可靠性差。而且防滑器一旦動作就會使制動缸壓力排到零 ,不但浪費了大量壓縮空氣，也無法根據輪軌黏著情況的變化調節制動力，延長了制動距離。由于機械式防滑器存在上述缺點，無法從根本上解決防滑問題，因此并沒有得到廣泛應用。

上世紀70年代出現了第1代電子防滑器，是以輪對轉動的速度差為判據，具有較好的靈敏度，但所采用的分立元件有零點漂移現象，性能不穩定。上世紀80年代初期出現了采用微機控制技術的第2代電子防滑器。微機控制防滑器可以對輪對滑行、制動緩解、再黏著的全過程進行動態檢測和控制，并可對控制參數或控制算法進行調整，以適應不同工況的要求。

我國鐵路微機控制電子防滑器的研制啟始于1982年，源于鐵道部立項開展“制訂我國鐵路制動工況黏著系數”研究課題，并向鐵科院下達了“制動黏著測試裝置研制”的任務。鐵科院機輛所經過4年的努力研制成功用于制動黏著系數試驗研究的制動黏著測試裝置。

制動黏著測試裝置中包括基于單板機的輪對滑行檢測及防滑裝置、制動力監控裝置等(如圖16所示)。車軸速度來自安裝在車軸端部的光電脈沖發生裝置。檢測裝置以設置的減速度和(或)兩輪對的轉差率為標準判斷輪對是否發生滑行。制動時一旦檢測到輪對的減速度或轉差率達到設定值時可迅速緩解。

圖16 制動黏著測試系統裝置原理圖

安裝該裝置的黏著試驗車從1988年7月至1991年1月先后在濟南鐵路局、上海鐵路局及哈爾濱鐵路局開展黏著試驗。這3個鐵路局代表了我國3個典型的氣候條件，即干燥的華北地區、多雨潮濕的南方地區和冬季嚴寒的東北地區。通過各種氣候和人工撒水工況下的制動黏著系數測試，獲得了大量的試驗數據，根據試驗結果分析，得出我國鐵路制動黏著系數公式及黏著系數曲線(如圖17所示)。

圖17 我國鐵路制動黏著系數曲線(≤120 km/h)

雖然這次試驗研究和取得的黏著系數公式具有一定的局限性，但是它開創了我國鐵路這一領域內系統試驗研究的先河，結束了我國鐵路沒有自己的制動黏著系數的歷史，為進一步深入開展這項試驗研究奠定了基礎。1991年12月該成果通過了鐵道部組織的技術鑒定。

在制動黏著測試裝置及大量試驗數據的基礎上，鐵科院機輛所研制成功了TFX1系列微機控制電子防滑器(如圖18所示)。其性能達到國外先進水平，打破了過去只有進口產品的局面，填補了我國制動技術的空白。1993年TFX1防滑器開始裝車運用考核，1994年開始推廣應用，成為我國鐵路客車的主型防滑器。

1998年6月8日至25日，由SS8電力機車牽引試驗客車在京廣線鄭武段進行高速試驗，最高試驗速度達到239.7 km/h，創造了當時的“中國第一速”。在這次試驗中，SS8電力機車采用DK-1電空制動機、雙管供風、電阻制動，基礎制動裝置采用踏面制動方式。參加試驗的2輛客車安裝了鐵科院的盤形制動裝置(制動盤為H3200型)和電子防滑器，其余車為進口產品。這次試驗雖然僅進行了常用制動試驗，但是由于每個機車和客車均有一個輪對為測力輪對，另有一輛客車的一個輪對為測速輪對，測力輪對和測速輪對的制動裝置處于關門狀態，因此整列車只有70%左右的制動力，尤其在進行制動初速229.1 km/h的常用制動試驗時，機車的電阻制動出現故障，盤形制動承擔了全部制動負荷，可以說制動盤和閘片經受了嚴峻的考驗。試驗過程中鐵科院的電子防滑器工作可靠，輪對無一擦傷。

圖18 TFX1微機電子防滑器原理圖