制動系統

說到制動系統，相信最為普及的便是空氣制動（Air Brake，又稱「風控制動」）了，而本港的鐵路車輛幾乎全部也是採用這種煞車方式為主，所以本章會集中探討這方面的技術。

而最簡單的空氣制動系統，莫過於是以下所介紹的單管式系統了：

首先，裝置在列車上的空氣壓縮機（Air 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，駕駛室的煞車手柄會將主風缸與煞車喉（Brake Pipe）接通，使其氣壓上升，並且會透過三通閥（Triple Valve）令輔助風缸（Auxiliary Reservoir）也一起跟煞車喉接通，從而將壓縮空氣也送往輔助風缸內儲存；因此，煞車活塞（Brake Cylinder）此時便會因為三通閥的相互作用而接通外間的空氣（大氣），並同時使煞車活塞內的彈簧將閘瓦（Brake Shoe）拉離車輪，使其能夠轉動，如右圖所示：
當司機拉動煞車手柄時，煞車喉的空氣會被放出，使氣壓減少，從而令輔助風缸內擁有較高氣壓的壓縮空氣把三通閥內的閥門推動並且進入煞車活塞，去推動閘瓦壓向車輪，使閘瓦和車輪間產生摩擦力從而將列車煞停。
到煞車活塞注滿指定數量的壓縮空氣後（視乎司機拉動煞車手柄的程度），三通閥便會因煞車喉和輔助風缸的氣壓達至平衡而將它們一併封鎖（如右圖所示），使煞車活塞內的氣壓不再增加，直至司機再次拉動煞車手柄為止。

當列車需要重新開動時，司機只須將煞車手柄推回原來位置，使煞車喉重新充氣，從而令閘瓦鬆離車輪。

值得一提的是，當需要緊急煞車時，司機會把煞車手柄拉到最後，亦即是把煞車喉裏面的壓縮空氣全部放出，從而令輔助風缸內的壓縮空氣能夠以最快速度全數送往煞車活塞，使閘瓦產生最大的制動效果。而我們在昔日東鐵客卡上所見到的緊急煞車手柄，也是利用這原理運作的，倘若車上發生事故需要停下時，乘客便能使用這個手柄將列車煞停。

但由於緊急煞車會對列車造成異常強大的阻力，因此使用緊急煞車時倘若列車同時遇上某些極端因素（例如正在轉急彎或者碰上障礙物），便有可能會導致脫軌等嚴重後果。

設於車廂內的緊急煞車手柄

故障安全保護（Fail Safe）：大家可能會問，為什麼在煞車時不索性將主風缸裏的壓縮空氣直接送往煞車活塞去推動閘瓦呢，使用這方式不是比上述的系統簡單得多嗎？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煞車活塞了，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類似事故時會自動變成緊急煞車狀態，令發生故障的列車即時停下，故此這種煞車系統便一直通用至今了。

由於單管式的系統只有一條氣喉作為傳送壓縮空氣之用，使輔助風缸充氣需時，倘若用於停站次數頻密的列車上，輔助風缸內的壓縮空氣便會很快耗盡。為了解決這問題，於是後來便增設多一條氣喉，用以將主風缸內的壓縮空氣源源不絕地送往輔助風缸。

新加上的一條風喉稱為主氣喉（Main Pipe），它與煞車喉平衡裝設，如上圖所示。但與單管式系統不同的是，這系統使用分風器（Distributor）來代替三通閥。而它的運作原理亦與單管式系統相近，但分風器則會把主氣喉送來的壓縮空氣不斷地注入輔助風缸內，使壓縮空氣不愁耗盡。值得一提的是，為便於識別這兩種氣喉，所以氣喉的接口處通常都會被漆上顏色：主氣喉為黃色而煞車喉則為紅色。因此，行內人亦普遍稱呼它們作「黃喉」及「紅喉」。

在東鐵電氣化前一直是使用單管式系統的，但當電氣化後便改用雙管式系統，以滿足電氣化後鐵路提升為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。

電控風制動（Electro Pneumatic Brake，簡稱「EP Brake」）系統的工作原理其實和上述介紹的煞車方式差不多，但不同的是壓縮空氣閥門改用電磁來控制，當列車行駛時，電流會將線圈激磁並關閉閥門，使壓縮空氣不能到達煞車活塞從而令閘瓦鬆離車輪，如右圖所示：
在煞車時，司機拉動設有電子感應器的煞車手柄，從而令線圈斷磁，閥門因彈簧的推力而開啟，讓壓縮空氣進入煞車活塞，推動閘瓦去制停車輪。

從上圖中我們不難發現電控風制動系統和傳統的空氣制動系統分別不大，只不過在原有的系統上加裝了電控的閥門，好處是當電控風系統失靈時列車還可以使用傳統的風控系統繼續行駛。

另外，由於電控風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，並使自動列車操作（ATO）系統能夠易於準確地控制煞車程序（因為電腦是不會曉得計算變化無常的反應時間的），因此電控風制動系統廣為現時的鐵路車輛所採用。

值得一提的是，地鐵的組合式列車所採用的電控風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，而車上亦沒有三通閥等設備。它不但有著反應靈活、結構簡單、能應付頻繁的煞車次數的優點外，在緊急煞車時，它亦是透過電控閥門去把輔助風缸的壓縮空氣送到煞車活塞中，因此在進行緊急煞車後不需要像傳統的設計那般，要等待各風缸重新充氣後才能將閘瓦鬆開，大大地節省了等候的時間之餘，也減少了阻礙其他列車行駛的機會，而它的運作原理可參考下圖：

閘瓦鬆離車輪的系統狀態

煞車時的系統狀態

在傳統上，把車輪制停的工具主要是靠上面所提及的閘瓦，利用與車輪踏面所產生的摩擦力將車輪制停。早期用來製造閘瓦的主要材料是生鐵（Cast Iron），但廉價的生鐵容易對昂貴的車輪造成磨損，長期使用便會很不化算，因此，後來改用皮革作為閘瓦的摩擦表面，以減輕損耗。到現代，由於物料科技發達，令閘瓦可以由更耐用和經濟的合成聚脂造成，而一些閘瓦的合成物料內更包含會在高熱時釋放異味的物質，當閘瓦過熱或車輪被鎖死* 時便會產生氣味，讓車務人員及時發現有關問題，避免意外發生。

除了閘瓦之外，還可以利用碟式煞車（Disc Brake）方式，它的構造主要包括固定在車輪和車軸上的鋼製煞車碟（Brake Disc），以及其兩側的制動卡盤（Brake Calipers）。在煞車時，煞車活塞會透過機械方式將制動卡盤壓在跟車輪同步轉動的煞車碟上，藉著所產生的摩擦力將車輪制停。由於在煞車時不會對車輪踏面造成損耗，再加上反應靈活，因此廣泛被現代的鐵路車輛採用，而本港所有的本地客運列車均採用這種設計。

* 即是閘瓦發生故障不能與車輪鬆開，當車輪仍然強行轉動的話，便有可能因劇烈摩擦產生高熱而鑲成火警，而轉動不暢順的車輪亦有可能會對軌道或其本身造成損壞，危害行車安全。

除了上述所介紹的煞車系統外，還有一些輔助性的系統去協助煞停列車，但它們大多都不能單獨使用，只會配合空氣制動系統從而使煞車程序獲得最佳功效。

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。而動態制動便是利用這個原理去運作的：由於在列車煞車時，馬達不會獲得電力供應，故此這時候仍然在轉動的馬達便會變成發電機，並且利用當中所產生的電磁感應（俗稱「殘磁」）將列車剩餘的動能轉變成電能，然後再把這些電能送往牽引電阻器變成熱能消耗掉，透過不斷的把動能消耗，列車便會逐漸被拖慢的了。

牽引電阻器（圖中所見到的風扇為散熱用）

這種煞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，而這種系統則稱為「再生制動」。

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由殘磁所提供的電能時，供電系統的電壓會因為列車使用再生制動而上升，而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。

不知大家有沒有發覺，輕鐵車輛的轉向架前後車輪之間會設有一塊金屬板呢？而這塊金屬板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，當需要緊急煞車時，電流便會通過它的線圈，並使其產生磁力吸住鋼軌，利用所產生的摩擦力去加快列車的停止。它的優點是能夠直接利用與鋼軌之間的摩擦力去制停列車，避免因車輪減速太急而造成打滑* 現象。但因為它所產生的磨損大，所以在緊急時才會使用。

停放制動器（Parking Brake）的作用是把一列需要長時間停留的列車固定，避免它胡亂溜走。而一般的停放制動器主要是由一套連接著主風缸的專用閘瓦（不是平常用來煞車那套）和彈簧組成，當列車需要作長時間停留時，司機會把主風缸內的壓縮空氣全部放出（這個程序現時多由電腦自動進行），而閘瓦會因為不再受到壓縮空氣的壓力而被彈簧壓向車輪，從而令它不能隨便轉動。

而我們平時乘坐東鐵的中期翻新型列車抵達尖東或羅湖總站時，列車停下後不久便會聽到一聲「次～」的巨響，這便是因為主風缸內的壓縮空氣被一下子放出並且啟動停放制動器而發出的聲音了。

Hand Brake：大家有沒有察覺，在貨卡或舊式車卡的車架旁都會有一個金屬轉盤的呢？這個轉盤其實是一套稱為「Hand Brake」的手動煞車裝置。當它被轉動時，會藉著鏈條去將閘瓦緊壓在車輪之上，去阻止其轉動，從而造出類似彈簧壓力的制動效果。

而在未有貫通整列火車的制動系統出現的年代，Hand Brake 一般都會設置在機車或守車（Brake Van）上，負擔起平常煞車的重任，但現時大多也只會設置在沒有風控式停放制動器的車卡上，作為停放制動器使用。

正常來說，車輪轉動時的圓周速度跟列車的實際運行速度是一致的，即是車輪轉了多少，列車就會相應地行走了多少。但在實際上，車輪卻會因為各種不同的力學關係而引致轉數和速度不一，這些情況可依類分為打滑和空轉兩種。

打滑（Wheel Slide）：即是列車的動力大於車輪與路軌踏面之間的黏著力（Adhesion），從而令車輪的圓周速度低於列車的實際速度，甚至出現車輪雖然停下了，但列車仍然向前滑行的情形。

這種情形通常也出現在列車煞車的時候：當進行煞車時，車輪被急速制停，但行駛中的列車仍然擁有巨大的慣性（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黏著力就更低，倘若在此時急速制停車輪的話，便會出現打滑的現象－－這時不但不能煞停列車，而且還使列車失控向前衝，使情況變得更糟；更甚者還會把車輪磨成扁平（Wheel Flat），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。

空轉（Wheel Slip）：即是列車的牽引力大於車輪與路軌踏面之間的黏著力，從而令車輪的圓周速度高於列車的實際速度，甚至乎車輪雖然在轉動，但列車仍然停止不動。

這種情形通常也出現在列車起動或加速的時候：當列車加速時倘若未能把慣性克服，或者所輸出的牽引力過大的話，車輪便會在軌道上空轉，這不但會損害列車的動力設備，也有可能令車輪在路軌上磨出凹坑，損壞車輪和軌道。

所以，列車上便要裝上車輪防滑系統來避免車輪出現打滑和空轉了。

車輪防滑系統－機車：機車上的車輪防滑系統是靠比較車軸的轉數和列車傳動系統所輸出的牽引力，以及比較車軸轉數和列車的制動量去偵測出機車有否出現空轉或打滑。當偵測到這些情況出現時，該系統便會立即發出警告，以提醒司機作出相應行動：例如減低牽引動力輸出、放開閘瓦或落沙（Sanding）等。

現時有些系統更能自動執行上述工作，使列車行駛更加暢順和可靠。

車輪防滑系統－動力分散式列車：它的原理是利用裝設在各條車軸上的感應器，當探測到車軸的轉數不一致時，便會即時將閘瓦鬆開，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煞車系統（ABS）般。就這樣，列車便能在濕滑的軌道上分階段被煞停了。

值得一提的是，動力分散式列車是不能利用落沙去糾正車輪打滑和空轉的，原因是這類列車的動輪並不如機車那樣集中在同一處，而是靠設在不同車卡上的動輪同步提供動力。落沙會令某一部分動輪的黏著力跟其他不一致，從而造成同一列車內的不同車卡出現大小不一的牽引力，令列車難以暢順行駛，甚至會因為車卡之間出現推撞導致車卡損毀或脫軌。


東鐵中期翻新型列車上的主風缸（左）和輔助風缸（右）


東鐵中期翻新型列車上的分風器（左）及煞車活塞（右）


閘瓦（左）和煞車碟（右）