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坐着观光车一遇下坡连续刹车,我闻到了谜之烧烤味道

图片:Amogh Manjunath / CC0

有什么关于火车或者铁路的冷知识?

Siyao Luan

一遇下坡连续刹车,四周弥漫烧烤味道?

大事不妙紧急制动,全线停运火炬救援?

轨道交通冷知识之——旧金山缆车制动篇,倾情为您呈现!

我看其他的答主也有写城市轨道交通的,于是我也写一个城市轨道交通的吧。

美国加利福尼亚州旧金山的缆车(Cable car)是一种在铺设在路面的铁轨上行驶、使用铁轨中间、路面下方的钢缆作为牵引力来源的低速轨道交通。由于下坡的车辆和上坡的车辆连接在同一条钢缆上,下坡车辆一定程度上可以拉动上坡车辆上坡,所以非常节能,相当适合地形起伏的城市。世界上现存的使用钢缆传递动力的路面缆车系统基本绝迹,位于旧金山的缆车系统作为这种轨道交通形式最为闻名遐迩的代表,穿梭在旧金山别具一格的街道上,俨然与这座风情万种的都市融为一体,与金门大桥、九曲花街一道成为了旧金山名扬四海的名片。

今日份的冷知识,主要是关于旧金山缆车的制动系统的。

熟悉轨道交通的朋友都知道,轨道交通车辆的制动方式种类繁多,分类方式也是五花八门。

按照接触形式分,可以分为接触式制动和非接触式制动:接触式制动,基本为摩擦式制动,主要有踏面制动、盘式制动、抱轨制动等摩擦制动方式;非接触式制动主要有电阻制动(动态制动)、再生制动、电涡流制动(轮盘式和直线式)等;有时人们还会把液力制动看作是半接触式制动;

按照制动力来源分,可以分为电制动、空气制动、液力制动等;

按照实施位置分,可以分为电机制动、轴制动、轮制动、铁轨制动等。

从最原始的踏面制动、电阻制动和抱轨制动,到原始形式的改进型盘式制动、再生制动、磁轨制动,再到新技术加持的轮盘式电涡流制动、轨道电涡流制动,以及在小众领域大有作为的液力制动,和充满未来感的风阻制动… 火车跑得快,全靠车头带;刹车不好使,一车人 go die。(前面一句是我瞎写的)制动技术的沿革是轨道车辆技术发展史当中举足轻重的一章,管中窥豹,可以瞥见这一个多世纪以来轨道交通演变的沧海桑田。

路面缆车全靠钢缆提供牵引力,钢缆的运行速度决定了缆车接入状态下的最大运行速度。受限于整个系统中极为复杂的钢缆传送结构,以及缆车与钢缆连结与分离时产生的摩擦折耗,钢缆的运行速度不得不被限制在极低的级别。旧金山缆车钢缆的运行速度为 9.5 英里 /15.3 公里每小时。当速度成为硬伤时,这种交通方式就注定无法在今天的城市轨道交通领域享有一席之地,只好偏安一隅,主攻特色交通观光旅游业务,成了一个不过气的网红,倒也是无心插柳柳成荫。

旧金山的缆车可谓是城市轨道交通的活化石。时至今日,主要技术也与 1878 年第一条线开通时别无二致。可以想见,旧金山缆车上的制动装置,也是制动技术里的元老级别。其实不仅如此,旧金山缆车的制动不但老,而且别具一格

旧金山缆车的车,本身不带任何动力装置。牵引力从钢缆上取得;除了利用钢缆限速以外,其余所有制动力,全都来自人力,经过机械优势放大后施加于相应位置;车上没有自动门、雨刮器、喇叭,更没有报站器、空调,所以没有空气压缩机或者发电机,只有车外的几盏车灯(前照灯、后位灯和棚角灯)由和汽车相同的 12 伏特蓄电池供电。

那么缆车是怎么在下坡时保持速度,以及实现停车的呢?

小小的缆车看似结构简单,钢架子上装上个木房子,但它的制动形式却有四种之多,其中三种为真正的“制动”:

钢缆限速

由于钢缆速度是 9.5 英里每小时恒定,下坡的缆车只要夹住钢缆就可以保证匀速下坡,不需要借助任何其他制动方式,但很显然钢缆只能起限速作用,但除非钢缆停转,不然无法提供让车完全停下的制动力。

踏面制动

旧金山缆车系统有单头车(鲍威尔 - 海德线和鲍威尔 - 梅森线,尽头在转车盘上调头)和双头车(加利福尼亚大街线)两种车型,全部装有两架两轴转向架,每轴左右两侧各装有一个踏面制动器,全车共八个。踏面制动的制动靴为钢制。

两种车型的踏面制动都可以由操作钢缆夹的司机员(Gripman,实际为“司缆员”)和主司乘务的售票员实施。其中单头车在车头的钢缆夹拉杆旁边设置踏面制动踏板供司缆员操作,在车尾设置手柄供售票员辅助司缆员操作;双头车在两端各设一套驾驶装置,司缆员使用前进方向前端的踏板,售票员使用前进方向后端的踏板。

抱轨制动

抱轨制动由司缆员利用抱轨制动拉杆操作,拉力经由机械放大,通过制动靴施加在铁轨轨面上。抱轨制动器位于转向架侧架内侧、前后两只车轮之间,全车共四个。制动靴每条大约长 2 英尺 /60 厘米,材料为蒙特利冷杉木

抱轨制动缓解时,制动靴悬于轨面上方(具体间隙视制动拉杆位置变化)。实施时,制动靴直接像铁轨轨面施加压力,利用摩擦将机械能转换为热能。制动拉杆机构具有限位齿,可以固定施加压力的大小,防止制动突然跳开。一般情况下,抱轨制动是在踏面制动不足以提供足够制动力时使用的

需要说明的是,抱轨制动在低速城市轨道交通例如有轨电车上运用很广,甚至不乏在地铁和轻轨上的运用。但是,这些抱轨制动和旧金山缆车的抱轨制动截然不同

首先,由于有轨电车、地铁列车等车辆本身具有强大的电制动和气动(或更少见的液力)行车制动,绝大多数情况下不需要抱轨制动补充制动力,抱轨制动一般仅仅作为紧急制动使用;第二,在近一个世纪以来,电力驱动的轨道车辆的抱轨制动,其实大多并非纯粹利用机械压紧,而是采用如下方式之一:一种方式为,先利用驱动机构(一般为气动)把制动靴压向轨面,再向制动靴上的电磁铁通电,利用磁铁和钢轨之间的吸力增大制动靴和轨面之间的摩擦将制动靴固定,在一些资料中也被称为“磁轨制动”;另一种方式为弹簧储能制动,通过电磁铁通电或其他机械阻力形成而缓解,通过电磁铁断电或机械阻力消失而实施,制动靴上带有永磁铁,是一种“故障导向安全”的设计,可以防止全车断电时车辆溜逸。

但旧金山缆车的抱轨制动,就是纯粹的机械压紧,施加压力实施,释放压力缓解,没有电磁铁,也没有弹簧储能,因为缆车除了照明用的 12 伏特蓄电池以外不带其他动力源。

旧金山缆车的木制抱轨制动靴,是钢缆夹的钳口以外的另一大消耗品,一般两三天左右更换一次。由于抱轨制动实施时产生大量的热,有时甚至会使木头发烟,闻起来就像是在烧烤

“楔入制动”

这种带有点自爆意味的制动,一般直接被称为“紧急制动”,但紧急制动是一种运用情景分类,显然与之前的原理分类格格不入,所以我自己根据原理给它起了这个“楔入制动”的名字。

旧金山缆车路线中最大坡度为 21%,试想,缆车运行沿线游人如织、车水马龙,如果有缆车制动失灵发生溜逸,发生事故则难以避免,损失难以估量。于是,在踏面制动和抱轨制动都失效的情况下,必须还有一根救命稻草,那就是一块约 1.5 英寸 /4 厘米厚、18 英寸 /45 厘米长的钢条了。

旧金山缆车的钢缆在两组铁轨中央、路面以下,铁轨之间的路面沿钢缆方向在钢缆正上方开槽,供缆车的钢缆夹伸入,夹住钢缆。先前提到的钢条,正悬于这条开槽的正上方。实施紧急制动时,司缆员拉动紧急制动拉杆,直接将这条钢条楔入钢缆上方的开槽。开槽的内缘是有钢板做内衬的,当制动钢条楔入开槽内衬钢板中间的间隙时,钢铁之间巨大的挤压力造成了巨大的摩擦力,消耗缆车的动能,从而使车速得到控制。

利用杠杆把这段钢条顶进开槽容易,但由于缺乏施力点,想要把这段钢条取出来可远远不止扳动拉杆这么简单。巨大的挤压力把制动钢条严丝合缝地嵌在开槽里,妄图通过反推拉杆把钢条提出开槽,往往是痴心妄想。那当然——能力拔千钧让一辆缆车停下来,这压力的能耐怎容小觑?这块和轨道“融为一体”的制动钢条闹不好就算是取不下来了。因为钢条堵住了缆车与钢缆之间的开槽,后续的缆车无法通过,可能会造成全线停运!这对于全线只有 2、3 公里长、单一票制 7 美金的吸金神器来说,是不可接受的!(对于旧金山繁忙拥挤的城市交通来说也是不可接受的……)

应急处理的办法倒也十分高效带着狂放——旧金山市政交通处的抢险人员会带着火焰焊割机赶来,直接把楔在开槽里的制动钢条切掉,抢险作业完成!缆车们就可以继续抢钱(划掉)挣钱啦。


奖励内容

多说一个跟旧金山缆车有关但和制动无关的。前文提到,旧金山缆车靠钢缆夹仅仅夹住钢缆获得牵引力,但钢缆运行速度恒定,那么缆车在减速、停车时必然要放开钢缆。

这里先介绍几个名词翻译。钢缆夹下部跨在钢缆上的结构叫做"crotch",暂且翻译为“丫杈”,这个丫杈沿钢缆横截面方向,形状就像人的胯部;丫杈内部有一对铰链(hinge),上装有一对钳口,原文叫"jaw",或者"die"(模具)。这对钳口与钢缆的接触面上有钢制内衬。

既然缆车和钢缆保持同速全靠钢缆夹钳口和钢缆表面的摩擦力,那么钳口内衬和钢缆之间一定摩擦系数非常大咯?内衬和钢缆一定非常粗糙咯?

然而正相反。钳口内衬和钢缆的接触表面不但不粗糙,反而钢缆的表面还用松焦油润滑过。这是为什么呢?这样不会减小摩擦吗?

首先回顾一下初中物理知识——摩擦力是压力和摩擦系数的乘积。虽然钳口内衬和钢缆接触表面的摩擦系数较低,但架不住钳口的咬合力惊人,所以摩擦力依然相当可观,可以保证缆车与钢缆的可靠连接。

那钢缆表面为什么要涂松焦油呢?

原因之一是,旧金山缆车系统内,无论是机房内还是街道下的钢缆槽里,有无数个导向滑轮,钢缆和滑轮之间的摩擦力自然是越小越好。

原因之二是,缆车的钢缆夹和钢缆之间其实有四种不同的状态:全咬合、半咬合、滑行,和分离

  • 全咬合(full grip):显然就是缆车与钢缆同速运动时的状态,钢缆夹钳口和钢缆没有相对运动;
  • 滑行(partial release/slip):钢缆夹钳口微微张开,对钢缆施加很小的咬合力或不施加咬合力,缆车与钢缆不连接,但可以快速重新连接,一般在上落乘客、路口等候通行时钢缆夹处于“滑行”位置,方便需要启动时快速连接钢缆;
  • 半咬合(partial grip):是缆车在加速时的钢缆夹处于滑行和全咬合之间的状态,随着钳口施加的咬合力逐渐增大,钳口内衬和钢缆之间的滑动摩擦力随之增大,缆车受到的牵引力也随之增大,缆车加速,直到钳口咬合力足够大,缆车与钢缆之间相对运动停止,钢缆夹即进入全咬合状态。但在半咬合状态下,钳口内衬和钢缆之间的滑动摩擦力做功,不但为缆车增加动能,同时也产生大量的热。这时,钢缆上的松焦油就起作用了——松焦油担当润滑功能,可以平缓摩擦力增大的过程,防止钳口突然抱死,帮助缆车实现平稳加速;松焦油还担当冷却功能,摩擦产生的热可以加热松焦油使其瞬间气化、升华,带走一部分热量,等滑动趋势减小、温度降低后再液化、凝华,保护钢缆、节约钳口内衬;
  • 分离(full release):钢缆钳口张开,钢缆夹丫杈完全提升至钢缆上方。司缆员将钢缆夹提至分离位置的操作叫"let go"。在缆车通过钢缆交叉、道岔和必须分离钢缆夹的弯道(let-go curve)时,钢缆夹和钢缆之间必须处于分离状态。

整个钢缆夹总成重达 260 磅 /118 公斤,但娴熟的旧金山缆车技术人员可以在几分钟内把一套钢缆夹从缆车上拆下再换上新的。要知道钢缆夹钳口内衬是缆车上的第一磨损部件,几天就要更换一副,快速更换是旧金山缆车正常运营迎接四海游客打卡的必要前提!


参考资料:

旧金山缆车博物馆官方网站 San Francisco Cable Car Museum

One Creative Scientist 中的旧金山缆车专题 Cable Car Museum

“旧金山市场街铁路”(旧金山轨道交通资料馆)网站 San Francisco Market Street Railway | We keep San Francisco's Vintage Streetcars on Track

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