下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
制动系统设计时需要满足一定的要求，对于轨道交通车辆、汽车、飞机而言，它们的制动系统的一般设计原则如下。
1）制动系统的设计目标是使运动中的载运工具减速、停止、阻止其加速或使交通运输工具保持静止；
2）制动系统需在不给乘客、第三者造成风险的情况下，用可接受的加速度水平，使载运工具停止；
3）制动系统不应要求过度的或者不现实的黏着水平；
4）制动系统一般应具有行车制动、驻车制动及应急或备用制动的功能；
5）制动系统应具有较高的安全性和可靠性。
此外，制动系统还应满足对温度、湿度、冲击振动、水、尘、电磁等环境的耐受程度等要求。
1.轨道车辆制动系统功能要求
轨道交通车辆制动系统在世界范围内的主要标准体系有EN欧洲标准，UIC国际铁路联盟标准，ISO国际标准化组织标准，JIS日本工业标准和TB中国铁道行业标准这几大体系。此外，欧盟法规还规定了技术标准的互联互通（即TSI）。制动系统设计时可参考欧洲标准EN 13452:2005、EN 14198:2019、EN 15179:2010、EN 15734:2010、EN 16185:2015，德国标准化学会标准DIN 27205—2017，法国标准NF F11-910—2003等。
本节主要从城市轨道交通车辆和高速动车组的实际运用要求的角度出发，同时结合上述标准的要求，介绍轨道车辆制动系统一般应具备的功能。
（1）常用制动功能
常用制动是正常情况下为调节或控制列车速度，包括进站停车所施行的制动。常用制动的制动能力根据列车运行需要可在最大常用制动范围内调节，通常最大常用制动的制动能力一般为列车制动能力的80%。常用制动的特点是制动力上升比较缓和；常用制动指令可由司机控制器、列车自动驾驶系统或保护装置下达。动车组制动系统应能按减速度模式曲线控制列车减速或停车。
（2）快速制动功能
快速制动也称非常制动或紧急制动EB，是制动能力比常用制动更大的一种制动工况，其指令传输途径和制动方式与常用制动相同。
（3）紧急制动功能
紧急制动也称紧急制动UB，是在紧急情况下（如列车严重超速、分离等）为使列车尽快停住而施行的制动。它的特点是使用列车制动能力的100%，且制动力上升迅速。紧急制动通过控制紧急制动安全环路得、失电发出制动或缓解的指令，一般采用安全环路失电制动的模式。紧急制动指令除由列车运行控制系统或司机室紧急制动按钮发出外，也可以由其他的自动检测、防护系统（如总风压强不足、列车分离、列车失电等）发出。为保证紧急制动的可靠实施，通常只采用盘形或踏面制动方式，紧急制动一旦触发则在列车停止前一般不能缓解。
列车应设有紧急制动UB按钮。紧急制动UB按钮应为蘑菇头的双稳态型按钮。
（4）停放制动功能
停放制动是为了使列车停放在一定坡度的线路上不发生溜逸而施加的制动，应能保证在一定时间内，使一定载荷的列车停在一定坡度的线路上。停放制动可利用专门的机械方式（如弹簧停放装置）实施，也可将铁鞋放在车轮踏面下阻止列车运动。
（5）保持制动功能
制动系统应具有保持制动功能，列车停稳后，制动系统自动施加能确保超员情况最大坡道下保证列车不发生溜滑的制动力。起动牵引力克服保持制动的制动力后，保持制动缓解。
（6）多种制动方式的制动力协调功能
当列车中有多种制动方式（见列车制动方式）共存时，常用制动和快速制动过程往往采用复合制动的方式实施，即制动过程由多个制动方式共同协调完成。这种情况下一般动力制动优先，尽最大能力充分发挥动力制动作用，当动力制动能力不足时，使用踏面或盘形制动，制动方式间过渡时需保证制动力的平稳性。
（7）防滑控制功能
制动系统应具有防滑控制功能，在上述常用、快速和紧急制动工况下都应保证列车的防滑能力，摩擦制动的防滑控制应与动力制动的防滑控制综合考虑，确保车辆尽快恢复再黏着。一般制动控制单元进行摩擦制动的防滑，牵引控制单元进行动力制动的防滑。当防滑控制功能失效时，制动功能仍需保证，只是此时没有滑行保护，同时监控系统应向司机提示并上传。
防滑控制系统应能检测出发生抱死的轮对，根据国际铁路联盟标准UIC 541-05的要求，每辆车均应设置冗余的DNRA（车轮不旋转检测）装置。
（8）冲动限制功能
与汽车和飞机不同，轨道车辆一般不设置安全带，乘客可在车厢内自由走动，所以其对减速度变化率有明确规定，即冲动限制（纵向冲击率限制）。当减速度的变化率不超过0.6m/s 3 时，乘客不会产生明显的不适感；当减速度的变化率大于0.6m/s 3 但不超过0.75m/s 3 时，基本可以接受；当减速度的变化率超过1m/s 3 时，对于没有准备且无依靠站立的乘客来说，存在着摔倒的危险。所以，当EBCU收到制动指令信号时，应使制动力的输出为“缓升式”，以确保旅客乘车的舒适性。动车组列车在常用制动、紧急制动EB（快速制动）时的冲动限制为≤0.75m/s 3 ；地铁列车技术条件要求纵向冲击率≤1.0m/s 3 ，但实际运用中各地铁项目制动系统的招标技术条件一般仍要求≤0.75m/s 3 ；紧急制动UB一般无冲动限制要求。
同时，TSI也规定了列车制动时所有制动力产生的减速度之和必须小于2.5m/s 2 。
（9）载荷调整功能
制动系统应具备载荷调整功能，根据车辆的实际载荷调整或限制制动力。
（10）手动缓解功能
制动系统应为停放制动设置手动缓解功能。
（11）制动隔离功能
制动系统应具备对列车某一部分（某辆车、转向架、轴等）进行制动隔离的功能，被隔离部分应缓解制动力且缓解后不再施加制动力。
（12）间隙调整功能
踏面或盘形制动方式的制动装置一般需具备间隙调整功能（视实际需要可双向或单向调整），并能够手动调整。避免因摩擦副磨耗引起制动间隙变化过大，即使闸片和制动盘磨耗后，闸片与制动盘之间的间隙应均匀。
（13）轮径修正功能
在惰行时制动微机控制单元能检测列车速度并计算出各轮对的直径。在每次轮径改变或镟轮后，可将新的轮径值也应储存在制动控制单元中。
（14）基础制动摩擦副热容量控制
制动盘热容量需满足动车组最高运营速度下连续两次紧急制动的热负荷要求，并需满足最高试验速度下的紧急制动能力要求。
（15）制动状态反馈功能
制动系统需具备对制动力施加、制动力缓解、停放制动施加、停放制动缓解等状态的检测和显示、上报的反馈功能。
（16）救援/回送功能
当列车遇到无法牵引等严重故障时，需要通过救援机车进行救援/回送作业。救援机车一般采用带有列车管的自动空气制动机，其连挂地铁或动车组时，被救援车辆上通过制动控制装置或专门的救援/回送装置采集救援机车列车管的压力，根据列车管压力变化控制被救援列车的制动施加和缓解。回送模式一般可通过司机台上设定的开关激活。采用电机械制动系统的被救援列车在救援/回送过程中，不需要救援机车提供压缩空气，但可能需要其供电。
（17）自检功能
制动系统应具备自检功能，可以对系统功能和关键部件状态进行自检，并返回自检结果。
（18）状态监测、诊断和存储功能
制动系统应连续监测和诊断制动系统的主要零部件和信号状态，可以接收和发送数据给相关诊断系统。制动系统应具备自诊断及数据存储和读取功能，能够监控制动设备的状态，在故障发生瞬间保存当前故障，并允许维护人员读取和下载故障数据。制动系统应具备状态监测、故障诊断与报警、数据存储与上传等功能。
（19）通信接口要求
制动系统应具有MVB等车辆总线接口并能与列车控制系统等进行通信，接口应满足列车通信网络标准或相关国际标准。
2.汽车制动系统功能要求
在汽车领域，制动系统可以简称为制动系。汽车制动系的设计需要符合相关标准的要求，如美国汽车工程师学会（SAE）标准中的SAE J992:1998、SAE J1224:1982、SAE J135:2013、SAE J937B:1978、SAE J155:1978、SAE J1404:2019，对各类型汽车的制动系功能和性能进行了规范。虽然不同类型汽车的制动系结构和原理有所区别，但一般而言，汽车制动系统的设计要能平稳、迅速、可靠减速，在紧急情况时要能保证在保持行驶动态稳定性条件下施加制动，并具有尽可能短的制动距离。其基本功能可以描述如下：
1）制动系统必须以可控和可重复的方式降低车速，在需要时能将车停下来；
2）制动系统应在下坡时让汽车保持等速行驶；
3）制动系统在平坦的路上或在坡道上必须能保持汽车驻车。
汽车制动系必须具备易操作性，必须能够由驾驶员在座椅上符合人机工程地随时直接操纵，且在驾驶汽车时不允许妨碍制动系的操纵。
制动系统的设计必须达到所要求的制动性能。要满足法规要求的在最大脚踏力时的制动因数（也称制动器效能因数，表示制动器在单位输入压力或力的作用下所能输出的力或力矩）或制动距离。所要求的值按制动系和汽车等级分级。对乘用车行车制动系，欧洲要求在500N脚踏力时制动减速度为0.6 g 。GB 12676—2014和GB/T 13594—2003规定不超过9座的载客汽车在制动初速为50km/h时的制动距离不超过19m；其他总质量不超过4.5t的汽车制动初速为50km/h时的制动距离不超过21m。行车制动的制动力应在各轴之间合理分配。
3.飞机制动系统功能要求
飞机制动系统除主要对飞机的着陆滑跑制动控制外，还有在地面滑行的方向控制、转弯以及停放制动的作用。为完成这些任务，制动系统必须具备下列功能：保证制动过程中不会出现拖胎而使轮胎爆胎，而是有一定的滑动量来保持得到最大的地面摩擦力；保证在各种跑道状态下，特别是有水或冰覆盖的跑道上有较好的制动效果和方向控制能力；保证制动平稳和柔和，不会引起乘员的不舒适和起落架的共振等。
制动系统按其作用分为正常（或主）制动系统、应急（或备份）制动系统、起飞停机制动系统、停放制动系统和起落架收上机轮停止系统共五个部分。一般飞机必设置有前两个系统，而现代民航机还设有停放制动系统和收上机轮停止系统。停机制动系统必须保证飞机发动机在起飞工作状态下，能停住机轮而不会在跑道上滚动，常与正常制动系统共用，仅制动压力增大（如碳制动装置的机轮就要求加大制动压力，才能保证在发动机起飞推力状态下停住飞机）。停放制动系统能保证长时间低压停住飞机不会被风吹动或推动。起落架收上机轮停止系统在起落架收起后停住机轮，保证不会飞胎打坏轮舱的管路或线路，也能免除收上的机轮转动不平衡而引起振动。
飞机制动系统应按GJB 3063A—2008《飞机起落架系统通用规范》、GJB 1184A—2010《航空机轮和制动装置通用规范》、HB 5648—1981《航空机轮和制动装置设计规范》、HB/Z 126—1988《航空机轮设计指南》、HB 6080—1986《航空机轮防滑制动控制系统通用技术条件》、GJB 2879A—2008《飞机机轮防滑制动控制系统通用规范》、HB 6550—1991《民用航空器机轮及机轮-制动装置最低性能要求》、CCAR-25-R4—2011《中国民用航空规章第25部运输类飞机适航标准》等规范设计。
1）制动能力要求。军机和民机的制动能力要求是不同的，《飞机设计手册》分别列出了各规范的详细要求，包括美国宇航起落架系统委员会推荐的标准AS227的要求，美国宇航起落架系统委员会会同工业部门推荐的标准ARP1493的要求等。
2）制动寿命要求。制动装置应完成制动寿命试验，以得到与设计要求相一致的制动盘磨损数据，为外场使用寿命的确定和维护周期提供依据。
3）防滑控制相关要求在本书第7章进行阐述。
1.轨道车辆制动系统安全要求
（1）制动系统的控制冗余
制动系统应具有冗余的列车级主控EBCU，来执行列车制动力的管理和分配。每个MVB网络单元内，应具有冗余的单元级主控EBCU，来执行MVB网络单元的制动力管理和分配。当列车通信网络故障时，通过紧急制动和（或）常用制动列车线可维持列车有限制地运行。
（2）安全保护及故障导向安全性能
制动控制系统应按照“故障导向安全”的原则进行设计。
紧急制动应达到一个确定级别的性能和一个高的安全水平。安全制动是紧急制动的一种特殊形式，它应该有一个高的安全水平，但不必有性能的高级。
在没有动力制动的情况下，摩擦制动的能力仍应满足列车正常运行性能的要求。
主制动系统要确保连续性和自动性。连续性是指制动指令线贯穿全列车，能够传递控制信号；自动性是指当制动指令线发生易被忽视的损坏（即失去完整性）时能够激活制动装置。
制动性能应当符合TSI：2011/291/EU条款4.2.4.2.2中规定的安全要求，以防止易被忽视的制动控制线的损坏，以及制动能量供应不足、能量来源失效等。列车上要有足够的可利用能量（储存的能量），其分布与制动系统设计应一致，以保证制动力的施加。保证制动力不衰竭性，即考虑连续地施加制动和缓解，两列车分离后，要使得两部分能够停止，当然，不要求其制动性能与正常模式下的制动性能相同。
紧急制动触发条件如下：
①触发司机室中的警惕装置；
②按下司机室控制台上的紧急制动按钮（击打式按钮）；
③列车脱钩；
④紧急制动电气列车线环路中断或失电；
⑤DC110V控制电源失电；
⑥信号系统发出紧急制动指令；
⑦司机主控制器在紧急制动位。
在列车每节车的明显位置处应设乘客手动紧急制动设施，设施的安放位置应避免任何意外的操作。如果乘客触发乘客紧急制动设施，将在司机室中产生声光报警信号并可显示具体车辆位置，自动或由司机实施列车制动。
（3）基础制动摩擦副热容量要求
制动盘热容量需满足列车最高运营速度下连续两次紧急制动的热负荷要求，并需满足最高试验速度下的紧急制动能力要求。
2.汽车制动系统安全要求
与轨道车辆一般都拥有独立路权不同，汽车一般没有独立路权，在行驶中可能会对其他道路使用者和行人构成潜在致命威胁。为了确保汽车尽可能安全，对人和环境的不利影响最小化，各国政府和国际组织通过立法规定了制动系统及相关元件性能的最低标准。
汽车制动系统必须符合所在国的法规要求，这也成为制动系统设计的重要参考。大多数国家有自己的制动系法规。最早的法规是1904年英国颁布的汽车指令（Motor Cars Order）。这一法规后来被欧洲大陆认同并加入到联合国欧洲经济委员会（ECE）法规ECE R13中。所有已签订1958年互相承认型号批准协议书（日内瓦协议书）的国家都可以采用ECE法规，但并非强制性要求。欧共体[EEC，欧盟（EC）前身]成立后又颁布了EEC指令，制动领域的是Direc-tive 71/320/EEC，其最新修订版为2006/96/EC，EEC或EC指令则是强制性要求，各成员国必须执行。ECE R13和71/320/EEC的文本是一致的，所有成员国都需遵从欧盟的法规。日本和澳大利亚以ECE R13替代他们本国的制动法规。在申请EEC型号批准时，汽车生产厂家可以有选择地按ECE R13或ECE R13H（H表示协调）法规进行试验，而不用EEC法规。美国有自己的制动指令和批准程序，对乘用车制动器规定用FMVSS135法规，该法规要求约相当于ECE R13H的要求。
汽车制动系统的主要功能必须在任何时候都能实现，在系统发生故障时允许制动效果一定程度上变差，但也必须能发挥制动作用。一般乘用车制动系统是由正常制动的主制动器和用于主制动器失效情况下的辅助或紧急制动器以及驻车制动器组成。目前实际做法是允许主制动器部件用于辅助及驻车制动。法规规定汽车至少要配置两个相互独立的制动系，行车制动系和驻车制动系的控制装置应相互独立。按功能，有以下几种制动系：
1）行车（工作）制动系（BBA），由制动踏板操纵，用以将汽车减速直至静止。
2）辅助制动系（HBO），在行驶制动系失效时辅助制动系必须保证汽车减速。
3）驻车制动系（FBA），驻车制动系的任务是在停车后防止汽车滚动。
4）持续制动系（DBA），在较长的坡道上可通过持续制动系减轻行车制动系负担，但只用在重型载货汽车上。
制动系统的设计必须达到所要求的稳定性。稳定性主要包括汽车在制动过程中维持制动能力和行驶方向的能力。维持制动能力包括制动器的热稳定性、水稳定性等；维持行驶方向的能力包括维持直线行驶和转弯的稳定性，主要考虑各轮之间制动力分配的问题，如果分配不均可能导致制动跑偏、侧滑甚至前轮失去转向能力。同时，出于行驶稳定性的原因，大多数的法规中对抱死（闭锁）顺序也提出了要求。如欧盟法规规定在减速度为0.15～0.8 g 时，后桥不应先于前桥抱死。
防抱制动装置中的任何电器故障不应使行车制动器的制动促动时间和制动释放时间延长。在需要电源进行操纵防抱制动装置的挂车上，电源应由专用电源线路供给。
汽车（三轮汽车除外）应具有应急制动功能。应急制动应保证在行车制动只有一处失效的情况下，在规定的距离内将汽车停住。应急制动应是可控制的，其布置应使驾驶人容易操作，驾驶人在座位上至少用一只手握住方向盘的情况下（对乘用车为双手不离开方向盘的情况下），就可以实现制动。它的控制装置可以与行车制动的控制装置结合，也可以与驻车制动的控制装置结合。
采用助力制动系的行车制动系，当助力装置失效后，仍应能保持规定的应急制动性能。
驻车制动使用电子控制装置时，锁止装置应为纯机械装置，发生断电情况锁止装置仍应保持持续有效。采用弹簧储能制动装置做驻车制动时，应保证在失效状态下能方便地解除驻车状态；如需使用专用工具，应随车配备。
3.飞机制动系统安全要求
英国的BCAR D4-5章、美国的FAR. MIL-L-87139、中国的HB 6482—1990等规范对制动系统和制动装置有下面几点重要要求：
1）制动系统内必须有一个应急（或称备份）制动分系统部分。应急制动的液压（或气压）管路同正常制动部分必须是完全隔离和独立的。如实施有困难时，则至少安装在机轮制动装置上的转换阀的上游管路应完全隔离和独立，以保证使用安全。制动装置的最新设计就采用了正常制动和应急制动两套单独动作的活塞。
2）在任意一个连接或传动元件失效或丧失任意一个使用能源情况下，飞机制动系统仍能刹停飞机，此时允许其平均制动负加速度至少相当于正常着陆制动时的负加速度值的50%。