多因素条件下高速轮轨关系对轨道电路性能影响.pdf
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1、7技术创新TECHNOLOGICAL INNOVATION多因素条件下高速轮轨关系对轨道电路性能影响张超凡,刘 俊,罗汉冬,蒋晓鸽(中国铁路南宁局集团集团有限公司,南宁 530003)摘要:轨道电路是实现轨道车辆占用监测及通信的铁路信号重要组成部分,对行车安全具有十分重要的意义,其中轮轨电阻对轨道电路性能的影响是一个重要的方向。设计一系列基于滚动试验台的轮轨电阻测量实验,通过对行车中多种常见干扰因素如测量参数、轮重、走行速度和轨道状态等进行对比测试,研究其对轮轨电阻的影响。当电压增大、轴重增大、锈蚀越少、车轮踏面粗糙度越高、轮轨间油污减少时,轮轨电阻随之降低,分路效果变好。关键词:轨道电路;轮
2、轨电阻;等效模拟装置;影响分析中图分类号:U284.2 文献标志码:A 文章编号:1673-4440(2023)11-0007-07Influence of High-speed Wheel-rail Relations on Track Circuit Performance Under Multi-factor ConditionsZhang Chaofan,Liu Jun,Luo Handong,Jiang Xiaoge(China Railway Nanning Group Co.,Ltd,Nanning 530003,China)Abstract:Track circuit is a
3、n important part of railway signal used for monitoring of railway vehicle occupancy and communication,which is of great signifi cance to traffi c safety.The infl uence of wheel-rail resistance on the performance of track circuits is an important direction.In this paper,a series of wheel-rail resista
4、nce measurement experiments based on rolling test bench are designed to study the influence of various common interference factors such as measurement parameters,wheel weight,running speed and track state on wheel-rail resistance.When the voltage increases,the axle load increases,the rust is less,th
5、e wheel tread roughness is higher,and the oil pollution between the wheel and rail is reduced,the wheel-rail resistance decreases and the shunting eff ect becomes better.Keywords:track circuit;wheel-rail resistance;equivalent simulation device;eff ect analysisDOI:10.3969/j.issn.1673-4440.2023.11.002
6、收稿日期:2023-07-17;修回日期:2023-11-13第一作者:张超凡(1990),男,高级工程师,硕士,主要研究方向:铁道通信信号,邮箱:。铁路通信信号工程技术(RSCE)2023年11月,第20卷第11期铁路运输系统中,铁路信号是确保行车安全、完善运行管理水平以及提升线路效率的重要基础设施。其中用于实现轨道车辆占用监测及通信的轨道电路则更是重中之重-。轨道电路是由钢轨线路和钢轨绝缘构成的电路,用于自动、连续检测这段线路是否被机车车辆占用,也用于控制信号装置或转辙装置,以保证轨道车辆的行车安全。同时,轨8T技术创新ECHNOLOGICAL INNOVATION道电路另一个重要作用是能
7、够检测钢轨是否发生断裂,在充当导线的钢轨安全无事时,轨道电流畅通无阻,继电器工作也正常。一旦前方钢轨发生断裂,切断了轨道电流,就会使继电器因供电不足而释放衔铁接通红色信号电路。此时,线路虽然空闲,信号机仍然显示红灯,从而防止列车颠覆事故。由此可见轨道电路系统对行车安全的重要性。目前,世界范围内各方学者都在对轨道电路的性能展开研究,其中对轮轨电阻的研究是一个重要的方向。针对轨道电路的研究目前主要集中于对轨道电路空间域建模及传输特性、轨道电路暂态建模以及对轨道电路基础参数的获取。对于轨道电路的空间域建模及传输特性研究,意大利学者 Mariscotti-研究了轨道电路中轮轨电阻的模型验证和电容补偿问
8、题。赵林海等使用仿真方法研究补偿电容对于车辆信号幅值的影响,并提出对于 ZPW-的电容补偿计算方法,还分析了 TCR 中车辆走行速度与信号频率偏差间的关系。在轨道电路暂态建模方面,赵斌等采用拉式反变换法以及同伦分析法对于轨道电路端面电流进行了求解,还建议利用车辆出/入区段时的信号突变特性对轨道电路的状态进行监测。针对轨道电路基础参数的获取,Mariscotti-提出轨道一次参数的测量模式,并多次试验从而对直流、音频、工频工况中的一次参数进行了参数对比分析。而 Lucca则在边界元计算方法的帮助下对单位长度的轨道电导进行了计算。在上述研究的基础上设计一种基于滚动台的轮轨电阻测量试验,通过对轨道车
9、辆运行过程中常见的多种干扰因素进行测试,研究各种干扰因素对于轮轨电阻的影响。文章第一部分提出基于滚动台的轮轨电阻测量试验原理及装置;第二部分针对测量电路参数对轨道电路的影响进行试验研究,分别测试了电压值、频率值对其的影响;第三部分对轮重、走行速度等轨道车辆运行状态对轮轨电阻的影响进行试验;第四部分则着重研究了轨道状态对轮轨电阻的影响。铁路通信信号工程技术(RSCE)2023年11月1轮轨电阻测量试验针对分路不良问题,对轮轨接触关系的电气特性进行研究,同时开发的试验装置具备模拟静态、动态工况中不同外界因素对接触电阻与分路效果的影响,通过对不同测量电路参数车型、牵引工况、车速等因素对轨道电路影响测
10、试工作,完成数据的分析和规律统计;研究高速条件下,轨道电路轮轨电阻计算方法,完成轮轨接触关系等效模型建立,具备评估轨道电路分路性能的能力。等效电路如图 1 所示,图中两轴转向架各轮对形状相同,有相同电阻w、与台车绝缘,且该转向架位于图示试验用轨道电路内。图轮轨电阻测量试验等效电路Fig.1 Wheel-rail resistance measurement test equivalent circuit轮对发送端SSRRRRVRiira+W+rbra+W+rbi绝缘点绝缘点接收端在图 1 中,R为引线电阻,R、R、R为钢轨部位的电阻,S、S为引线与钢轨连接处的电阻,ra、rb、ra、rb为轮轨
11、间的接触电阻。规定电源电压为 V、各部电流为 i、i、i,根据基尔霍夫定律,该并联电路如公式(1)、(2)所示。()()规定各轮对轮轨电阻为 r、r,包含轮对自身电阻,如公式(3)、(4)所示。()9技术创新TECHNOLOGICAL INNOVATION ()因此,根据电路总电流 i,及任一轮对内电流i或 i之测量值,可连续进行走行中的轮轨电阻 r、r的理论求算。如图 所示,根据上述轮轨电阻测定试验原理可以对试验所需的装置进行制备。轮-轮动态滚动试验台由转向架与嵌入轨道中的车轮组成,其中转向架上的车轮踏面与嵌入轨道中的车轮踏面紧密接触,且保证接触面光滑无锈蚀情况。在进行试验时,使用两个碳刷通
12、过工装分别固定于轨道上端面与侧面,碳刷与工装进行了高阻抗等级的绝缘处理,其中固定于轨道上端面的碳刷前端与转向架车轮踏面贴紧,而固定于轨道侧面的碳刷前端与嵌入轨道中的车轮踏面贴紧,以此形成回路,一方面为两车轮间提供激励,另一方面能够测量两车轮间的接触电阻。图轮轨电阻测量试验装置Fig.2 Test device of wheel-rail resistance measurement转向架光滑踏面光滑踏面碳刷碳刷轮I轮I轮II轮II由于轮轨间电阻值小,因此对测量精度要求较高。轮-轮动态滚动试验台搭建完成后,对试验测试设备进行标定,在轮轨间施加大小为 V,频率为 Hz 的激励电压,通过测量相邻 个
13、点的电阻,得到轮轨电阻大小均为.,测量设备具有良好的精度。2测量电路参数对轮轨电阻的影响为保证对轮轨电阻测量试验研究的可靠性,首先需要对试验所采用的测量电路参数的影响进行研究。在本文中,关于测量电路的关键参数主要选取其电压值与频率值。2.1电压值对于轮轨电阻的影响如图(a)所示,当改变轮轨之间的激励电压时,接触电阻值产生明显的变化。当激励电压越高,接触电阻越小。由于加在轮轨两端的电压越大,越容易击穿轮轨之间保护膜,导致轮轨之间接触电阻值会更小。但是电压在增大到一定程度后,电阻值下降的幅度变小。图电压值对轮轨电阻的影响Fig.3 Influence of voltage on wheel-rai
14、l resistance(a)静态电压工况(a)Static voltage condition(b)动态电压工况(b)Dynamic voltage condition.电阻/压力/kN图例:.V V V.电阻/电压/V为研究轮轨电路的谐振电压对电阻影响,可以选取多种不同电压幅值对电阻进行监测,结合前期研究得出轨道电路电压主要分为 mV、mV、mV、V 以及 V。通过更改信号发生器输出电压幅值,可以实现不同电压的输出。如图(b)所示,随着轮轨间分电路电压的增大,No.11张超凡,刘俊,罗汉冬,蒋晓鸽:多因素条件下高速轮轨关系对轨道电路性能影响10T技术创新ECHNOLOGICAL INNOV
15、ATION接触电阻随之减小。当分路电压为 mV 时,接触电阻最大,为.,且当电压从 mV 变化到 V 时,电阻迅速下降到.,而当电压继续增大时,电阻下降速度逐渐变缓,这是由于分路电压已增大到能够击穿接触膜的临界电压值,此时接触电阻基本为最小轮轨电阻。若继续增大电压,分路效果不会再发生大变化。2.2频率值对于轮轨电阻的影响交流电频率即电流大小和方向在一定的时间内所变化的次数。为研究轮轨电路的谐振电流频率对电阻影响,可以选取多种不同谐振电流频率的谐振电流对电阻进行监测。通过前期研究,可以得出轨道电路频率主要分为 Hz、Hz、Hz 以及 Hz。通过更改信号发生器输出电压频率,以实现不同频率电流的输出
16、。如图(a)所示,接触电阻随压力增大而减小,但频率改变对电阻的大小没有明显改变,可以判定信号频率对接触电阻几乎没有影响。如图(b)所示,随着轮轨间分电路频率的变化,接触电阻并不随之变化。当分路电压为 mV 时,电阻稳定在约.。当电压增大到 V 时,电阻变小至.。在这种情况下,接触电阻不随电路频率的变化而变化,充分说明接触电阻并不随频率值的变化而变化。3车辆运行状态对轮轨电阻的影响3.1轴重对于轮轨电阻的影响通过调整加压阀可对轮轨接触点加压,从而对不同轴重下的轮轨电阻进行测量。根据前文所述方法记录不同压力下的电压电流关系,即可得出接触电阻随轮轨压力变化的关系如图(a)所示。从图(a)可以看出,当
17、轮轨间压力增大时,接触电阻随压力增大而减小。可以看出压力从 刚增大时电阻值下降较快,当到达 kN 左右下降速度放缓。接触面清洁和有锈迹的不同轴重时的轮轨电阻变化如图(b)所示。当接触面为光滑接触面时,接触电阻从.下降到.,变化较小,但也符合轴重压力增大轮轨电阻减小的变化趋势。当接触面为锈迹接触面时,增加轴重,则相应轮轨电阻按等比级数骤减。轴重轻,轮轨电阻也低,随轴重增加,轮轨电阻也进一步下降,轮轨电阻从 下降到.。在这种情况下,电阻随着轴重压力的增大而减小且趋势明显。3.2走行速度对于轮轨电阻的影响轮-轮动态滚动试验台通过将车轮嵌入混凝土地面来实现主动轮的固定,当车轮转动时,仅存在车轮沿轴向的
18、转动,剩余方向自由度被完全约束。如图 所示,列车走行速度对轮轨间接触电阻影响相对较小。当轮轨间静止时,接触电阻大小为.;随着走行速度逐渐提升到 km/h,轮轨图频率值对轮轨电阻的影响Fig.4 Influence of frequency on wheel-rail resistance(b)动态频率工况(b)Dynamic frequency condition.电阻/频率/Hz 图例:mV V(a)静态频率工况(a)Static frequency condition.电阻/压力/kN图例:Hz Hz Hz Hz铁路通信信号工程技术(RSCE)2023年11月11技术创新TECHNOLOG
19、ICAL INNOVATION接触电阻迅速增大到.;此后再增大走行速度时,接触电阻增加速度逐渐变缓。当走行速度从 km/h 增大到 km/h 的过程中,接触电阻仅从.上升到.,当走行速度继续增大至 km/h 时,接触电阻基本稳定在.左右,不再发生明显增加。这是因为当车轮静止时,轮轨之间形成面积更大的接触斑点,这时拥有较好的分路效果,若车轮开始走行,随着轮轨间的蠕滑运动,接触斑点面积开始减小,且随着走行速度增加,分路效果逐渐变差。但当速度增大到一定数值后,接触斑点面积不再发生改变,分路效果达到阈值,接触电阻不再发生明显变化。4轨道状态对轮轨电阻的影响4.1踏面粗糙程度对于轮轨电阻的影响通过不同砂
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