制動系統
Brake System
說到制動系統 , 相信最為普及的便是空氣剎車了 , 而本港的鐵路車
輛幾乎全部也採用這種剎車方式為主 , 所以本章會集中探討這方面
的技術。
空氣剎車系統----單管式
最簡單的空氣剎車系統 , 莫過於是以下所介紹的單管式系統了 :
單管式剎車系統基本構造圖
首先 , 裝置在列車上的空氣壓縮機 (Compressor) 會把空氣壓縮 , 再
將其送往主風缸 (Main Reservoir) 儲存 , 當列車行駛時 , 駕駛室的剎
車手柄會將主風缸與剎車喉 (Brake Pipe) 接通 , 使其氣壓上升 , 而此
時三通閥 (Triple Valve) 會因此而令副風缸 (Auxiliary Reservoir) 也和
剎車喉接通 , 亦即是經過壓縮的空氣 , 會被送往副風缸內儲存 ; 剎
車筒 (Brake Cylinder) 也因此被三通閥接通外間空氣 (大氣) , 而剎車
筒內的彈簧便會把閘瓦 (Brake Shoe , 或稱 Brake Block) / 剎車碟 (Brake
Disc) 拉離車輪 (Wheel) , 使其能夠轉動 , 如下圖所示 :
剎車筒(左)及閘瓦(右)
剎車碟
當司機拉動剎車桿時 , 剎車喉的空氣會被放出 , 使氣壓減少 , 令副
風缸的壓縮空氣把閥門推動並因此而進入剎車筒 , 推動閘瓦壓向
車輪 , 使閘瓦和車輪間產生摩擦力從而將列車剎停。
閘瓦緊韌時的狀態
到剎車筒注滿指定數量的壓縮空氣後 (視乎司機拉動剎車手柄的程
度) , 三通閥便會因剎車喉和副風缸的氣壓達至平衡而將它們一併
封鎖 (如下圖) , 使剎車筒內的氣壓不再增加 , 直至司機再次拉動剎
車手柄為止。
當列車須重新開動時 , 司機只須將剎車手柄推回原來位置 , 使剎車
喉重新充氣 , 從而令閘瓦鬆離車輪 , 列車便可重新開動了。
值得一提的是 , 當需要緊急剎車時 , 司機會把剎車手柄拉到最後 ,
即是會把剎車喉裏的壓縮空氣全部放出 , 從而令副風缸的壓縮空氣
能夠以最快速度全數送往剎車筒 , 使閘瓦產生最大的制動效果 , 而
我們在舊款的東鐵客卡上所見到的緊急剎車手柄 , 也是利用這原理
運作的 , 當列車上發生事故時 , 乘客便能使用這個手柄將列車剎停。
設於車廂內的緊急剎車手柄
Fail Safe
大家可能會問為什麼在剎車時不直接將主氣缸裏的壓縮空氣直接
送往剎車筒去推動閘瓦呢 , 使用這方式不是比上述的系統簡單得
多? 沒錯 , 這樣去制動列車看來不會有什麼問題 , 但是當系統發生
故障時 (例如氣喉漏氣或脫卡時把氣喉拉斷) , 壓縮空氣便不能到達
剎車筒了 , 對行車有欠安全 (亦即是不Fail Safe了) , 而上述所介紹的
系統在發生事故時不但不會因此不能操作 , 而且還能發揮緊急剎車
的功用 , 故此這種剎車方式便一直盛行了。
空氣剎車系統----雙管式
由於單管式的系統只有一條風喉作為傳送壓縮空氣之用 , 使副風缸
充氣需時 , 倘若用於停站次數頻密的列車上 , 副風缸內的壓縮空氣
會更快耗盡。為了解決這問題 , 於是便增設多一條風喉 , 用以將主
風缸內的壓縮空氣源源不絕地送往副風缸。
雙管式剎車系統基本構造圖
新加的一條風喉稱為主氣喉 (Main Pipe) , 它與剎車喉平衡裝設 , 如
圖中所示。但與單管式系統不同的是 , 這系統用分風器 (Distributor)
來代替三通閥。而它的運作原理亦與單管式系統相同 , 但分風氣會
把主氣喉送來的壓縮空氣不斷注入副氣缸 , 使壓縮空氣不愁耗盡。
在東鐵電氣化前一直是使用單管式系統的 , 但當電氣化後便予以
廢止 , 所有新購列車均改用雙管式系統 , 以滿足電氣化後鐵路提升
為一高速集體運輸系統的需要 , 而原有的柴油機車和貨卡上的舊
系統 , 均被改為雙管式系統。
東鐵列車上的主風缸(左)和副風缸(右)
空氣剎車系統----電控制動
電控制動 (Electro Pneumatic Brake , 簡稱「EP Brake」) 系統的工作
原理其實和上述介紹的剎車方式差不多 , 但不同的是壓縮空氣閥
門改用電來控制 , 當列車行駛時 , 電力使線圈激磁並關閉閥門 , 使
壓縮空氣不能到達剎車筒而令閘瓦鬆離車輪 , 如下圖所示 :
在剎車時 , 司機拉動設有電子感應器的剎車手柄 , 便會令線圈斷磁 ,
閥門因彈簧的推力而開啟 , 令壓縮空氣進入剎車筒 , 從而推動閘瓦
制停車輪。
閥門開啟時的情形
從上圖我們不難發現電控制動系統和傳統的空氣制動 (或稱「風控
制動」) 系統分別不大 , 只不過在原有的系統上加裝了電控的閥門 ,
好處是當電控系統失靈時列車還可以使用傳統的風控系統繼續行駛
。現時東鐵列車的制動系統便是採用這種設計的 , 司機可在駕駛室
內選擇採用電控或風控來剎車。
東鐵列車的三通閥
另外 , 由於電控制動系統的空氣閥門直接由電路控制 , 所以它比傳
統的風控系統反應敏捷 , 這使自動列車操作 (ATO) 系統真正能夠在
現實中使用 (因為電腦是不會曉得計算變化無常的反應時間的) , 所
以 , 現時很多通勤型鐵路車輛也是採用電控制動的。
值得一提的是 , 地鐵及機鐵 (只限客車)所採用的電控制動系統並沒
有包含風控系統的 , 所以列車上只有一條主氣喉去供應壓縮空氣 ,
而車上並沒有三通閥等設備 , 所以在構造上比較簡單 , 它的運作原
理可參考下圖 :
閘瓦鬆離車輪的系統狀態
剎車時的系統狀態
除了上述所介紹的剎車系統外 , 還有一些輔助性的系統去協助制停
列車 , 它們大多都不能單獨使用 , 只會配合空氣剎車系統使剎車程
序獲得最佳功效。
輔助制動系統----動態制動/再生制動
相信大家都知道 , 馬達和發電機的結構是一樣的 , 只是在原理上相
反而已。動態制動便是利用這個原理運作的 , 由於在列車剎車時 ,
馬達不會獲得電力供應 , 此時仍在轉動的馬達便會變成發電機 , 將
列車剩餘的動能轉變成電能 , 再把這些電能送往牽引電阻器變成電
能消耗掉 , 動態制動便是透過不斷的把動能消耗掉從而拖慢列車的
了。這種剎車方式的好處是能夠減少車輪和閘瓦等機件的磨損 , 降
低維修保養的開支。到後來 , 這種系統更發展到能把所產生的電能
送回架空電纜 , 供其他行駛中的列車使用 , 這便是「再生制動」了
。但當該電力區間沒有其他列車行走 , 使架空電纜不能再接受電能
時 , 供電系統的電壓會因為列車使用再生制動而上升 , 這系統便會
在探測到電壓上升後自動把電能送回牽引電阻器消耗掉 , 不再把電
流送上架空電纜。而在交流電氣化鐵路中 , 更需要對準相位才能把
電能送回架空電纜 , 以免正負電壓相撞而損壞電力設備。
牽引電阻器 (圖中所見到的風扇供散熱用)
輔助制動系統----電磁軌道制動器
不知大家有沒有發覺 , 輕鐵的轉向架前後車輪之間設有一塊金屬
板呢 ? 這塊便是電磁軌道制動器 (Magnetic Track Brake) 了。它在
構造上其實只是一塊電磁鐵 , 當需要緊急剎車時 , 電流便會通過它
的線圈並使其產生磁力吸住鋼軌 , 利用巨大的摩擦力加快列車的停
止。它的優點是能夠直接利用與鋼軌之間的摩擦力制停列車 , 避免
因車輪減速太急而造成打滑* 的現象 , 但它因為產生的磨損大 , 所
以只會在緊急時才會使用。
* 即車輪在路軌上空轉 , 原因可參閱下文
電磁軌道制動器
輔助制動系統----停方制動器
停方制動器 (Parking Brake) 作用是把一列需長時間停下的列車固
定 , 避免它胡亂溜走。當列車需要作長時間停下時 , 司機會把主
氣缸內的壓縮空氣全部放出 , 而閘瓦 (並不是平時用來剎車那套)
會因為不再受到壓縮空氣的壓力而被彈弓壓向車輪 , 當主氣缸回
復大氣壓力時 , 閘瓦便能牢固的壓著車輪了。而我們平時乘坐東
鐵抵達紅磡或羅湖總站時 , 列車停下後不久便會聽到一聲「次~」
的巨響 , 這便是因為主氣缸內的壓縮空氣被一下子放出並且啟動
停方制動器而發出的聲音了。
Hand Brake : 大家有沒有察覺 , 在貨卡的車架旁都會有一個金屬
轉盤的呢? 其實這個轉盤也是停方制動器的一種 , 而原理也相當簡
單 : 當轉動它時 , 會透過鏈條將閘瓦緊壓在車輪之上 , 防止其轉動 ,
從造出類似彈簧壓力的制動效果。
Hand Brake的轉盤
車輪防滑裝置
大家有沒有想過 , 列車剎停得越劇烈 , 車輪出現打滑現象的機會也
越高呢? 因為當剎車時 , 車輪被急速制停 , 但行駛中的列車仍然擁
有巨大的隋性 (inertia) , 加上它在平滑的鋼軌面上行走 , 尤其在下
雨時 , 車輪與鋼軌面之間的摩擦力就更低 , 此時 , 若果急速制停車
輪的話 , 便會出現打滑的現象: 車輪雖然停下了 , 但列車仍然向前
滑行。不但不能剎停列車 , 而且還使列車失控向前衝 , 使情況變得
更糟 ; 更甚的還會把車輪磨得扁平 , 使用被磨扁的車輪繼續行車的
話 , 不但會產生猛烈振盪而令車上的機件受損 , 還有可能會對路軌
造成損傷。所以 , 列車上便要裝上車輪防滑裝置來避免出現打滑
了。
它的原理是利用裝設在車軸上的感應器 , 當探測到車輪打滑時 , 便
即時將閘瓦鬆開 , 當車輪回復應有的轉速時 , 閘瓦才會再次壓向車
輪 , 即好像裝置在汽車上的防鎖死剎車系統 (ABS) 般。就這樣 , 列
車便能在濕滑的軌道上分階段被剎停了。
東鐵的車輪防滑裝置
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