早期的火车及其制动方式：

18世纪60年代人类开始了第一次工业革命，并创造了巨大的生产力，人类进入“蒸汽时代”。从瓦特改良的蒸汽机开始，人类的工业生产全面围绕着蒸汽机为原动力的方式，交通运输工具也因蒸汽机的出现而产生了巨大的变革与突破。1825年9月27日，乔治·史蒂芬孙驾驶着自行设计并制造的“旅行”号蒸汽机车，共运行了31.8公里，时速在20公里左右，世界上第一条铁路正式建成通车，也标志着近代铁路运输业的开端。

当时，也就是19世纪早期的火车的铁路机车以蒸汽机车为主，这类机车挂载车辆少，速度较慢，当时火车的制动主要依靠蒸汽机车的逆汽运动以及以人力为原动力的闸瓦制动，即运用人力带动一系列杠杆等传动机械机构的手工闸制动方式。这种制动方式制动效果差，随着铁路运输的不断发展，列车变得更长更重，运行速度大幅度提高，此时人工闸的制动已经满足不了列车的制动需求，列车运行的安全与可靠性需要新制动技术的发展来保障。1866年，美国一位年轻人乔治·威斯汀目睹了一起铁路事故，了解到既有制动装置的不足。1869年，当时年仅23岁的乔治·威斯汀豪斯通过大量的研究和试验，成功研制了世界上第一套“直通空气制动机”。

这套制动系统包括了一台空气压缩机，它将空气加压到压强为每平方英寸50-70磅的压缩空气并储存在总风缸内，进行制动时，司机打开阀门，让压缩空气流通过车辆之间的列车管，进入分别安装在每节车厢的制动缸内，而压缩空气将制动缸内的活塞推出，再通过一系列拉杆和杠杆作用迫使闸瓦压向车轮，实现制动的目的；而在缓解时，司机通过操纵阀门，使制动缸和管路中的压缩空气排向大气，从而令制动缸内的复原弹簧将活塞压回到风缸内，使闸瓦离开车轮。当时的安装实例表明空气制动机效果良好，弥补了人工闸制动力的不足，大大提升了列车的制动性能。

第二次工业革命：进入电气时代和内燃机车地进一步提速

100多年后人类社会生产力发展又有一次重大飞跃。人们把这次变革叫做“第二次工业革命”，今天所使用的电灯、电话都是在这次变革中被发明出来的，人类由此进入“电气时代”。

一方面，随着当时科技水平的进步，主要是电气、电子以及控制理论科学的飞速发展，出现了用电来控制机械动作的各种方式。人们在传统空气制动机的基础上加以改良，引入了电气控制的技术，利用电磁阀控制各节车辆上空气制动机的制动和缓解动作。这种以电来控制压缩空气的制动方式称作“电空制动”，按作用原理可分为：直通式，电磁阀直接控制压缩空气进入或排出制动缸；自动式，电磁阀控制制动管压力增减，使自动空气制动机起作用。使用电空制动机可使列车前部和后部的车辆动作一致，能有效地减弱列车的纵向冲动，缩短制动距离，在提高制动效果的同时也提升了乘客的乘坐体验，因此广泛用于地下铁道车辆、动车组和高速旅客列车。

另一方面，在第二次工业革命中内燃机车得到迅速的发展。无论是运用在汽车上还是运用在火车上，内燃机在动力输出方面远远超过蒸汽机。因此，内燃机车的发展使得火车的速度得到很大的提升。火车速度的提升同时也带来了制动上的问题，过去无论是直通蒸汽制动方式还是电空制动方式，制动操作的最终方式都是闸瓦制动的方式，其结果就是制动片与车轮直接接触摩擦制动。这种制动方式在列车高速运行时，制动效率非常低下，且在日常工作中无论是制动片还是车轮磨损非常严重，需要频繁的检查、维护和保养。为了解决此问题，盘形制动被应用在了列车上。闸瓦制动与盘形制动都为接触式机械摩擦制动，依靠摩擦力做功消耗列车的机械能，转换为热能消散在大气中。但两者也有很大的不同之处，原本的闸瓦制动直接将制动闸片贴合在车轮踏面上与车轮摩擦产生制动力，而盘形制动类似于汽车上使用的“碟刹”，用特设的制动盘和闸片作为摩擦副取代传统的车轮踏面和闸瓦摩擦，多用于时速超过160公里的车辆上，可免于制动时产生过高的热负荷而使车轮踏面热裂，同时也减少了车轮的磨损，1930年德国在柏林地铁车辆上首次采用这种制动方式。

从机械制动进入到电气制动的标志性变革：电阻制动方式

火车的出现最初是用于货运，之后发展为客运交通工具。与客运列车追求高速、舒适、安全相比，货运列车的特点是大牵引力，挂载列车长度长载重。在制动方面，旅客列车和货运列车相比也有着一些不同：旅客列车的制动要求平稳、安全、可靠，而货运列车由于自身的质量大，惯性大，从正常运行速度到完全停止需要很长的制动距离和制动时间，制动相对旅客列车而言更为困难。

以重载货运列车的经典线路大秦线为例，机车在这样的线路上运行时，重车下岭，它的制动性能比牵引性能显得更为重要。在长下坡，车载重的情况下，以20km/h的规定速度下岭，这样的要求对于空气制动来说难以达到，因为空气制动在长时间制动的情况下，风缸压力消耗过快，此时需要停车待风缸填充压缩空气数分钟后方可继续行驶，这样耽误了时间。并且，在装满煤炭的重联机车长大下坡的过程中，依靠机械制动，无论是闸瓦制动还是盘式制动，在持续的制动中制动片与车轮温度升高、磨损严重。

电阻制动的方式弥补了机械制动的这些缺点。所谓电阻制动方式，就是运用电机自身的特性，将机械能转换为电能再通过电阻发热消耗能量。电阻制动过程中，列车牵引电机与主电路断开，利用列车的惯性带动牵引电机的转子，此时电机工作于发电机状态，从而产生反转力矩，消耗列车的动能，达到产生制动作用的目的。电机电枢回路产生的电流通入专门设置的制动电阻器，采用通风散热的方式将电流在电阻上产生的热能消散于大气。同时，由于在低速状态下牵引电机转速较低，产生的电动势和电流太小，从而得到的用于反转的电磁转矩不足，制动效果会大幅度降低。在此情况下通过主电路为电枢回路提供正向电压与电枢电动势叠加，使制动电流增大，相应的制动力便会提高，这种加馈的方式提高了机车在低速情况下的减速能力，称作低速制动情况下的“加馈电阻制动方式”。目前，大秦线的重车下岭就通过加馈电阻制动的方式得以解决。

我国对第一台装有电阻制动方式的研究起源于1964年，加装于“东风型”内燃机车中。从1984年的东风8型0001号机车开始，新出产的机车全面使用独立通风的电阻制动。据丰台至张家口区段的不完全统计，采用电阻制动后的内燃机车，比只使用空气制动时的行车速度最少可提高10km/h， 每趟所节约的闸瓦费用130元，一年估计可节约闸瓦费200万元以上。电阻制动的使用充分体现出其优越性，起到了提高通过能力，节省闸瓦，安全运输的目的。

能量的合理利用：再生能源制动方式

现代的社会强调环保、能源的合理利用，以往无论是机械制动的方式还是电阻制动的方式都把机械能转化为内能而消耗掉，这部分能量完全流失于大气中而无法加以利用。因此，人们在电阻制动的方式基础上，对制动产生的电能加以回收利用。在城市之间的长距离铁路客货运轨道交通运输中，由于列车运行速度较为稳定，且站与站距离远，列车启动和制动不是很频繁；而城市轨道交通相对于干线铁路来说，站与站之间的距离非常短，列车起停频繁，因此，对制动能量的回收利用可以大幅度节省能源。

再生制动主要分为两种形式：一是将电能直接回馈到接触网上，这种方式主要适用于电气化铁路机车、有轨电车等等；二是将制动的电能储存在飞轮、蓄电池和超级电容中，这种储能方式应用于混合动力汽车、地铁等。■