軌道交通制動原理概述及專利申請分析

汪煜婷 靳宇 王成

摘要：本文主要針對輪式制動、其它制動方式的制動原理進行概述，并選擇了VEN專利索引數據庫和中國專利文摘數據庫（簡稱：CNABS）作為檢索基礎，針對二者專利申請情況進行統計分析。

關鍵詞：輪式制動;其它制動方式;專利申請

前言

軌道交通制動方式有很多種類型，其中輪式制動是本領域中最常見、應用最普遍的類型之一。近些年，軌道交通領域還出現了一些其它的制動方式類型，如翼板制動、電阻制動、再生制動等，它們一般作為輔助的制動方式，以與軌道車輛主要的制動方式如輪式制動配合使用，以進一步保證制動效果。本文主要針對輪式制動、其它制動方式的制動原理進行概述，并就其專利申請情況進行統計分析。

1.制動原理概述

輪式制動，指的是制動元件與輪緣、鼓輪或類似元件的內、外圓周相互作用的制動方式，其根據作用位置的不同可分為：與外圓周相互作用、與內圓周相互作用兩類。其中與外圓周相互作用的制動方式根據制動元件的類型不同又可分為帶式制動、閘瓦制動;與內圓周相互作用的制動方式主要體現為鼓式制動。

1.1輪式制動原理

與外圓周相互作用的制動方式根據制動元件的類型不同又可分為帶式制動、閘瓦制動。帶式制動，指的是采用制動帶作為制動元件，其與輪緣、鼓輪或類似元件的外圓周相互摩擦作用的制動方式，圖1示出了帶式制動的結構示意圖，車輪外側設有帶式制動器，帶式制動器的內部為制動片，外部為制動帶，制動帶的一端通過固定軸固定，另一端通過制動桿和制動缸連接在一起，通過外層的制動帶對內層制動片的壓縮，進而緊壓車輪外圓周表面，實現摩擦制動。閘瓦制動，指的是采用閘瓦作為制動元件，其與輪緣、鼓輪或類似元件的外圓周相互摩擦作用的制動方式，圖2示出了閘瓦制動的結構示意圖，制動缸通過制動杠桿連接車輪上的閘瓦，從而帶動閘瓦緊壓車輪外圓周表面，實現摩擦制動。

與內圓周相互作用的制動方式主要體現為鼓式制動，一般為內張式，也即制動塊設置在制動輪內側，在制動的時候制動塊向外擴張開來，進而緊壓在制動輪的內圓周表面，達到制動目的。圖3示出了閘瓦制動的結構示意圖，凸輪軸的旋轉可驅動剎車襯墊的往外張移，利用剎車襯墊上所設的剎車片對車輪鼓產生磨擦制動力，以達到剎車作用。

1.2其它制動方式制動原理

其它制動方式一般作為輔助的制動方式，以與軌道車輛主要的制動方式如輪式制動配合使用，以進一步保證制動效果，其主要包括翼板制動、電阻制動、再生制動等。以下對上述三種制動方式的制動原理進行概述。

翼板制動，指的是從車體上伸出翼板來增加空氣阻力的制動方式，若翼板的位置適當，列車運行時的空氣阻力可增加3-4倍。圖4示出了翼板制動的結構示意圖，在列車機車和車廂頂部安裝翼板，翼板通過驅動器的伸縮進行開閉控制，在列車正常運行時，翼板處于收起關閉狀態，與車頂外表面融為一體，不會帶來額外阻力;當列車進站需要制動時，翼板由驅動器打開，與來流方向成一定角度（一般呈60°～90°），提供空氣制動阻力。

電阻制動，是指在制動時將原來驅動輪對的牽引電動機變為發電機，由輪對帶動發電，并將電流通往專門設置的電阻器，采用強迫通風使熱量耗散于大氣，從而產生制動作用，該制動方式已在各國動車組上被大量應用。圖4示出了電阻制動的結構示意圖，制動電源、制動電阻和牽引電機三者順序連接成閉合回路，其中制動電源可為機車主電路原有的晶閘管、整流管等構成的半控橋牽引電源，牽引電機由勵磁繞組和電樞組成，電阻制動時牽引電機轉變為發電機，電流通往制動電阻，機械能轉化為電能，進而轉化為制動電阻產生的熱能，從而達到制動效果。

與電阻制動相似，再生制動也是將牽引電動機變為發電機。不同的是，它將電能反饋回電網，使本來由電能變成的列車動能再生為電能，而不是變成熱能耗散掉。顯然，再生制動比電阻制動更加經濟。因此，20世紀90年代后再生制動在各國動車組上獲得了廣泛應用。圖5示出了再生制動的結構示意圖，在軌道車輛的再生制動工況，牽引電機工作在發電機狀態，對軌道車輛進行制動，回饋的制動能量一部分通過隔離轉換單元向蓄電池充電，一部分通過牽引逆變器、四象限整流器、牽引變壓器、交流開關回饋至接觸網中，從而達到制動效果。

2.專利申請情況概述

圖5示出了輪式制動各技術分支分別在華和全球的專利申請情況，圖6示出了其它制動各技術分支分別在華和全球的專利申請情況，。

可見，閘瓦式制動在所有輪式制動中具有很大的占比，該制動方式也是目前軌道車輛中使用最為廣泛的制動方式;翼板制動在其它制動方式中具有相對較大的專利申請量。

結語

輪式制動中的閘瓦式及盤式制動中的軸盤式是目前軌道交通制動系統中最常用的制動方式;翼板制動在其它制動方式中具有相對較大的專利申請量。

參考文獻：

[1]彭俊彬等，動車組牽引與制動[M].中國鐵道出版社，2009，3-11.