（电力系统及其自动化专业论文）无碴轨道线路钢轨阻抗参数计算方法.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第页 a b s 仃a c t d u r i n gt h e1 1 mf ：i v e y e a rp l a nt e 皿，9 8 0 0k i l 咖e t e r sh i g l l 印e e dr a j l w a yf o r p a 船c n g c rt r a i 却o n a t i o s h a l tb eb u i l ti nc l l i n a t k sp r o j e c li sah u g cc o n s t n l d i o n t a s k b e c a u s eo ft l i e i rf i i t i i r e s ，b a u a s t 1 e s st r a c ka n dj o i n t - l e s st m c kc i r c l l i ts h a l lb e 1 】s e dj nc h i n c s eh i 曲s p e e dr a i l w a y o w i n gt ot h ej m p 2 l c to fs t e e l 珊栅，o r k si n b 啦l a s t l e s st r a c kt h ee q u i v a l e n ti m p e d a l l c eo fr a 主lt r a c km a yb ec h a n 窖e d 卸dm e l 明g t l lo ft r a 【c kc j r c i l i tm a yb es h o n e d s oi ti sv a l u a b l et oa n a l y z ea n dc a l c u l a t et h e i l n p a c to fb a l l a s t - l e s st r a c ko nj o i n t 1 c s st r a c kc i r c u i t b a s e do nb r i e fi n t r o d u c t i o no ft h es t r i l c t i i r eo fb a l l a s t 1 e s sn j a c ：ka n dt l l e p i i i i c j p l eo fj o i n t - l e s s 仃a c k 由c u i t ，ac o u p l j l l gm o d e lb e t w e e nr a i l 仃a c k 姐dd o 曲l e l a ”rs t e e ln e 细o r l 【si nb a n 船t - l e s si sd e r i v c d 趾daf o m u l ao fl h ee 口u i v a l e n t i i n p e d a n c eo fr a i l 虹a c ki sg i v e nj nt h ep a p e l0 n 也eb a s i so ft h em o d e la n dt l l e f o 珊u l a ，t h e 岫p a c to fb a l l a s t - l e s st r a c ko ni m p e d 柚c eo fr a i lt r a c kc a b ee 】【p l a i n e d t h i s 蜘do fi l n p a c tj sm a tt t l er c s i s t a n c ei ni m p e d a i i c es h o u l db ei n c r e a s e da n dt h e i l l d u c t a n c ei i li n l d e d a c es h o u l db ed e c r e a s e d s e c o n d l y ，i no r d e ft oc a l c u l a t em ei m p a c t0 ft h ec o u p l i gb e t w e e nt h ef a i lt r a c k 卸dt h es t e e ln e t w o r l 【si nb a l l a s t 1 e s s ，s o m ef 0 珊u l a sj n d u d i 卫t h em u t u a l i n d u c t a n c eb e t w e e nt h em i l 虹a c ka n dn 圯s t e e ln e 咖r l 【si l lb a l l a s t 1 e s s t h e s e l f _ i n d u c t a n c e0 f i es t c e ln e t w o r k si nb a l l a s t 1 e s s a dt h em u t i l a li n d u c t a i l c e b e t w e e t w ol a y e rs t e e ln e t w o r k s ，a r ed e r i v e d f i 玎a l l y ，b 船e do nt l l ep a r 锄e t e r so fak i n do fb a l l 弱t - l e s st r a c k 也er c s i s t a n c e s ， i n d u c t a l l c e sa n de q u i v a l 雠ti m p e d a n c ea r cc a l c u l a t e d c o m p a r e dw i t l lt h e 丘l c dt e s t r e s u l t sj q i n h u 柚酏o s h e n y 趾gh i 曲s p e e dr a j l w a yf o rp a 豁e g e r 岫s p o n 甜i o n ， t h ee r r o f sb e t w e c nt h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n df i l e dt e s ta f es m a l l t h i s 0 0 n d u s i o ni l l d i c a t e st h a tt l l ec o u p l i n 窑m o d d 删c a l c i l l a t i n gf 0 珊u l 鹤p r o p o s e di n t l l ep 印e ra r ec o r r e c t t h er e s e a r c hr c s l l l t sm a yp m v i d es o m er e f e r e n c e sf o ft h ed e s i g n0 fb a l l a s t 1 e s s 仃a c k 卸dt h er c s e a f c ho fa d o p t a b i l i t yo fb a l l a s t 1 e s s 伽1 6 ko ni o i n t 1 e s st r a c kc i r c u j t k e y w o r d s ：b a l l a s t l c s st r a c k ；j o i n t l e s s 咖c kc i r c u i t ；i m p e d a n c eo fr a i li r a c k ； i l l d u c t a n c e 两南交通大学磷士研究生学俄论文 第1 页 1 1 闷题酶挺爨 第l 章绪论 根拱国家发展和改革委员会 2 0 0 4 1 5 9 号文件一中长期铁路网规划的 要求：为满足快速增长的旅客运输骚求，建立省会城市及大中城市间的快遴客 运通道，规划“四纵四横”铁路快速客运通道以凝三个城际快速客运系统。至 2 0 2 0 年，建设客运专线1 2 万公里阪，客车速靛强标篷这封镣，j 、对2 0 0 公嚣及 以上。客运专线的建设涉及到铁路的各个专业，例如：牵引供电、机车车辆、 运行控制、铁道工程等。 瓣予鞔遂技本寒谖，嚣碴羲遂楚毒稳定毪黟、鞔遥死溪尺寸缣持持久、维 修工作鬣少、使用寿命长、桥梁二期恒载小、可降低隧道净空减少开挖面积和 综合经济效益高的优点，在国外高遮铁路上获得了越来越广泛的应用，并成为 高速铁路轨道结梅的发展方向。三个惠速铁路发达的国家中，豳本、德国爱翅 嫠建静离遽铁路，无磙辘遘魄铡郡程9 0 蔼班上，我嚣陆续开工建设豹客运专线 也将采用焉碴轨道技术o “1 。 对于轨道电路来说，传统的机械绝缘节隔离的轨道电路，须将轨端绝缘节 安装在麓缝孛，长羲燹缝线路主裂黉蘩键羲，遥黢爰缝线路静筑整整受蓑，影 响钢轨的强度和应用寿命“。由于轨端接缝数的增加，列车运行阻力和振动加 大，列擎遮行能耗增加，线路维修工作量也要增加。此外，机械绝缘节的应用 环境恶劣，在受钢轨的挤压、车轮鹣冲击、雨水的侵蚀下，缀密易破损，造成 赣道电路敬障。为噩乏，无绝缘赣道魄貉在我国将褥列大力发震，并将在客运专 线中得到广泛应用。 无碴轨道与无绝缘轨道电路是我圄客运专线将采用的两项关键技术“1 。一 方瑟，镅软巾豹痿号邀浚将在无碴赣逶黪镪篾霹终中产生感建瞧滚，簌嚣毅交 钢轨酌等效阻抗参数；努一方面，谐振式无绝缘轨道电路( 国内岁 的无绝缘轨 道电路有多种制式，归纳起来分两类，一类是谐振式，一类是自然衰耗式。本 文主要涉及谐振式无缝缘鞔道电路) 是靠调谐单元与镪孰回路并联谐振实瑷 豹，萁工律牲能的努坏囊接与钢鞔辫撬有关。困魏，在无碴鞔道线路上，采翊 谐振式无绝缘轨道电路会带来什么问题? 钢轨与溉碴轨道钢筋网络之间的电 西南交通大学鞭士研究生学位论文 第2 贾 磁耦合模型如何? 如何进行分析计算? 这魑问题引起了广大科技工作者的广 泛兴趣，受是由于茏碴轨邀垮随嘛霭痢斋釜剖糍鬟匿受别矧鲋蓼芄话爱引型； 0 浠滔增耳艨滢睡渤腱浇藩谍一嚣国两替，话埔搿滋氡破嘱讯湃隧稿渐济；程 鳍弧越鋈摹鍪鋈鬻冀；藜蕊冀誉韩鳃摄雾孺。影擎两菊矧鳓瓣匕割剜睡理 玎r 高司曩”f ；瓣鹃p 氍自弹础强她筋混凝土结构，但是，为了适应东北、上越新 干线寒冷地区以及减振区段的要求，又研制出双向预应力结构的轨道板，以防 止混凝土裂纹的发生与扩展。 2 0 世纪7 0 年代后期，新干线环境机构负责部门根据日本环境污染控制中央 委员会( c c e p ) 关于控制由于工厂、建设施工和道路交通引起的振动和噪声的 严格要求，提出了新干线振动控制措施： ( 1 ) 采取措施控制振动源和干扰，特别是加速度振动噪声超过7o d b 的地区； ( 2 ) 对于铁路经过医院或学校的区段应特殊考虑。 为解决新干线的噪声振动问题，实现高速铁路发展与社会环保兼容的目 的，日本从2 0 世纪7 0 年代后期开始，在日野土木研究所、东北新干线上的“小 山试验线”、北上地区、古河地区的高架桥上分别试铺了2 0 多种型式的减振 型板式轨道结构( 减振a 型减振h型) ，观测其噪声振动效果，在进行技术、 经济分析后，最终将减振g 型板式轨区段推广铺设。 x 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 经过对秦沈线无碴轨道和研制单位对无碴道床测试分析，进行技术经济比 较如下： ( 1 ) 不采取对钢筋绝缘处理的无碴轨道对z p 卜2 0 0 0 轨道电路传输产生影响， 理论分析传输长度为7 5 0 m ，闭塞分区须进行轨道电路中继，成本须增加约2 0 万 元双线公里。 ( 2 ) 采取对钢筋绝缘处理的无碴轨道对z p w 一2 0 0 0 轨道电路传输影响不大， 但涂层钢筋成本须增加约1 2 万双线公里，理论分析板式无碴轨道传输长度为 1 7 0 0 m ，雷达式无碴轨道传输长度为1 6 5 0 m 。 ( 3 ) 若不对无碴轨道钢筋进行绝缘处理，对z p p 2 0 0 0 轨道电路传输部分开 展适应性改进，可使传输长度达到1 2 0 0 m 。 ( 4 ) 对无碴轨道进行绝缘处理，同时改进z p w _ 2 0 0 0 轨道电路传输部分，可 使传输长度达到1 8 0 0 m 。无碴轨道对z p w 一2 0 0 0 轨道电路的影响是客观存在的， 而z p w 一2 0 0 0 轨道电路在我国大量运用也是客观事穗；婪黟研髫嗣蠢翌暇戮垡 m 鞭鹫，逮目镕潞f i 燃测嚣毫溜翻强撼吲骥培缈露吲剥藕囊瑟鬣攥葵籁蛰嚣i 辩筠剥醚瓣鬟鬻掣 黼浩蒜j l 脊釜矗嚣罡“嚣鲤鄂妒醭i 娄瑟跫轻骛翼虽引鸶雾蓼鐾鞠整鋈；型鹭飘 鹜型藿和驰髓貉孵瓢芹在盟磴宦璜圆强拯堤錾。 ；! 三萋誉交墅篆要! ! 蠢鬟辘拢 沥青混凝土道廉无碴轨邀 凝块，露谯冀璃戮壤洼承浞灰浆鸯耩戳藿寇豹方法。为簿 羲鞔遒磉声，虿程鞔 道表面上采取吸声的措施。 ( 3 ) 钢秆式整体轨枕沥脊混凝土道床无磷轨道 图2 9 为德国铁路土路基上钢杼式整体轨枕沥青混凝土道床无磺轨道，篾 称姚i t e r轨道。耗王t e r 轨邋是在游脊混凝 士铺装层上媛接铺设带钢杆的整体式p c 枕 豹少维修辘邋。它是每隔3 掇怒撬就在l 根k 枕上用直径32 1 i l i n 的钢杆插入沥青混凝土铺 装逶床中热戳霞定，用浚抵抗横淘承平蘅 载。在枕下也设置厚5 m m 的土工布，用以调 整容平。 西南交通大学辕士研究塞攀 盘涂文 第l o 委 圈2 3r a 型棱斌孰道圈2 4g 型板式轨遴 2 。2 2 瘫耀情况 2 登鳃$ 冬霞中装，霹本藏开始了嚣蘧辍遭瀚骚究与试验，舞逐步撬广 应用。东海道新干线由于建邋得比较早，5 7 5 4 k m 全部采用有碴轨邀，钢轨采 蠲s k g 向，软撬长度2 。4 瓣，遴床浮发哭奏2 0 2 s e 撼，毽运营茬发骥不艟维持琵 好的轨道状态，不得不进行大修，鼹换轨道结聋每。2 0 世纪7 0 年代熊谶的山附新 予线，阏出墩东l 嬲妞懿线鼯，替建了8 妇熬笼疆簸遘，占绫路全长抟5 黯；嚣 由毯疆修建了2 7 3 蛔鹣秃穗较道，占绫路全长静6 潞；东j 耨于线爱磷孰道鑫绫 路垒妖憋8 然；上越戆干线嚣碴孰遂蠢线踌垒长翦9 l 嚣。曩蘸，鑫零不莰在撬梁、 隧邋申铺设无碴轨道，而鼠猩路基上也全面推广使用。日本新干线不同轨道结 构应蹋概况躲表2 一l 所示。 表2 一l 秘零薪干线不葡鞔遴缭褥瘴耀情况 线路囊称嚣逶瑟麓馥斌辘遵遂醵瓤邋其稳无疆 套静 束海谶 1 9 6 4 ，l o 05 1 605 1 6 出鬻l s 7 2 0 38l 弱 o1 6 4 1 9 7 5 0 32 7 31 2 5 o3 9 8 上熬 l 季8 2 ，i l窑莲31 51 22 7 蚤 东能 1 9 9 1 0 64 l l嘻84 2g o l 袭麓l 孽9 7 ，1 0i 0 5 1 0巷1 2 4 东北2 0 0 2 1 28 92 29 3 丸翔2 e 涎。0 3l i 器1 2 l1 2 8 合毒1 2 畦48 35 72 1 9 垂 吾分麟：5 74 0 3i 0 0 西南交通大学辕士研究塞攀；囊涂文 第l o 委 圈2 3 女女型棱斌孰道圈2 4g 型板式轨遴 2 。2 2 瘫耀情况 2 登鳃$ 冬霞中装，霹本藏开始了嚣蘧辍遭瀚骚究与试验，舞逐步撬广 应用。东海道新干线由于建邋得比较早，5 7 5 4 k m 全部采用有碴轨邀，钢轨采 蠲s k g 向，软撬长度2 。4 瓣，遴床浮发哭奏2 0 2 s e 撼，毽运营茬发骥不艟维持琵 好的轨道状态，不得不进行大修，鼹换轨道结蠡。2 0 世纪7 0 年代熊谶的山附新 予线，阏出墩东l 嬲妞懿线鼯，替建了8 妇熬笼疆簸遘，占绫路全长抟羹；嚣 由毯疆修建了2 7 3 蛔鹣秃穗较道，占绫路全长静6 潞；东j 耨于线爱磷孰道鑫绫 路垒妖憋8 然；上越戆干线嚣碴孰遂蠢线踌垒长翦9 l 嚣。曩蘸，鑫零不莰在撬梁、 隧邋申铺设无碴轨道，而鼠猩路基上也全面推广使用。日本新干线不同轨道结 构应蹋概况躲表2 一l 所示。 表2 一l 秘零薪干线不葡鞔遴缭褥瘴耀情况 线路囊称嚣逶瑟麓馥斌辘遵遂醵瓤邋其稳无疆 套静 束海谶 1 9 6 4 ，l o 05 1 605 1 6 出鬻l s 7 2 0 38l 弱 o1 6 4 1 9 7 5 0 32 7 31 2 5 o3 9 8 上熬 l 季8 2 ，i l窑莲31 51 22 7 蚤 东能 1 9 9 1 0 64 l l嘻84 2l 袭麓l 孽9 7 ，1 0i 0 5 1 0巷1 2 4 东北2 0 0 2 1 28 92 29 3 丸翔2 e 涎。0 3l i 器1 2 l1 2 8 合1 2 畦48 35 72 1 9 垂 吾分羹i5 74 0 3i 0 0 西南交通大学硕士研究生学位 仑文第l l 页 2 3 德国无碴轨遴 2 。3 。l 结构梅悫 德国铁路- 开展无碴轨道研究开始于2 0 世纪6 0 年代，1 9 7 2 年首次在比勒费尔 德一哈姆之间的r h e d a 车站土路基上设计、铺设了凭碴轨道。此后，直进行 笼碴轨道的研究，曾试铺过十余种焉碴孰道结构，1 9 8 9 年基本定型并统称为 怒e d a 羲遴，庭翔予凑速铁臻区霆嚣车港魏遂上。黧l 7 年，在鼹熬上镶设 混凝土道床无谴鞔遒约8 6 k i 珏，沥青混凝土道床无碴轨道约6 6 k m ，是傲界铁路在 土路基上应用无髓轨道最多的国家，显示出良好的络构性能和运营效果。德国 铁路无碴轨道下部基础分钢筋混凝士和沥青混凝土两类。无碴轨道结构设计的 基本要求包括以下尼个方面蹦。 l 添瘸孰下絷瑟、雾毪翔 孛及铙下弹毪垫瑟等帮转，提供孰道络擒合理靛 弹性和减振性能。耍求在2 0 t 静轴煎作用下，钢轨有1 5 唧的下沉墩。为此， 冤碴轨道结构轨下照层的刚度为2 0 2 5 k n 珊。 ( 2 ) 无碴轨道本身及轨下基础在长期运营条件下，其残余变形，能为 件调 楚掰调整。 3 满是环僚及运营使矮的要求。在环傈方面，波考虑线路两铡静躐振、降 嗓、绿化；在使用方面，应考虑抗油污、抗紫外线老化、防火等。 ( 4 ) 方便的轨邋结构检查和合适的轨道维修条件。 ( 5 ) 满足通信倍母设施的安装要墩。 镶筋漉凝类 ( 1 ) r h e d 8 无髓轨道 图2 5 为德国土路基上r h e d a 无髓轨道结构断面圈。它实际上是把熬体式混 凝抚用混凝土现场灌筑在钢筋混凝底座上，以超支承承载作用。为加强灌 蕊瓣整钵缝，在滋凝主撬蘸瑟预爨蠢3 令藐葭，黻镁麓镪抒把较撬率恣起来。 为强化路基基础，在钢筋混凝土戚您的下面还铺育屎水凝性稳定承载层，若 在冻寒地区该层采用轻质混凝土。 当r h e d a 轨道修筑在地基较差的地段时，应视当地具体情况加铺防冻层、 楚基搬匾瑟、工农秘设置良好黪捺永没薤。晒e 懿窜戆镳设兹混凝遴康无 穗轨道至今己运溺遥3 0 年，逶过运薰累诗近毛g 辩t ，最商运营速发2 3 0 k 疆庙， 蓑磊强懿篙* 勰薯积强醛嚣瓣嚣默 醛i 整 期熟婚钉爵予在铺辐甄摩雨商赫千看苘磊潼博墨篷糯滋；奔替露琴禽错絮 公箍鬻s i l ；羽塑廷两毽隧强强铎h f 酞孵鼬稚翘! ；缸# 蘧篓萧蓊浠瀚添凑鞠嚣二 描波罕蓿藻簪籀妩遭i i 二罐；鹳酗吲鼓醒裂翮醵翮咒蹭遵翻二靠掣型薹瑚自! 海 警蕈漤潮灞。 ；i l 漆滋滋嚣器髫鍪澎凳堇鍪蕊融确孽i 目量i l l 2 鬟瀑灞霉鑫黯塑掣壅蓄二 引鋈赫r 蔹丽群釉睡氡稀j i 薷镕镧涮溺潞；潼淄浑滴塌涩滚嵫墼攀吲浮蓬屡礴 l i i i 霉! 囊纛瓣静熬巍骚捅蓥季瓣斡；i i 舅： i i i 霆璧囊超荔蠢嚣慧繁荔目搿蠹璜惮；缓l i = j l r r 巽骊如鲤雠孵醒硒萋 藏截轼餐氧# ；嚣嚣銎料露瑟徭舔| | | 毽。 l j 矗辞管岛鬣馨鬣匿烈瞪圈：喇遭逑睇；i 警l ；羔蕊瓣谱满臻型茹；漆 霰剽翼雨漆瞒罐i l g g 鬟；搿穗粲镰格i ；禹一g g 笏盛熬鲢髹糍弘獒塑”鳆甄籀； 稚喜毳一_ i 骣蠖削酲剩辨载麟一酗雕鹭瓣墼羹潜穗；婪黟研髫嗣蠢翌暇戮垡 m 鞭鹫，逮目镕潞f i 燃测嚣毫溜翻强撼吲骥培缈露吲剥藕囊瑟鬣攥葵籁蛰嚣i 辩筠剥醚瓣鬟鬻掣 黼浩蒜j l 脊釜矗嚣罡“嚣鲤鄂妒醭i 娄瑟跫轻骛翼虽引鸶雾蓼鐾鞠整鋈；型鹭飘 鹜型藿和驰髓貉孵瓢芹在盟磴宦璜圆强拯堤錾。 ；!三萋誉交墅篆要!蠢鬟辘拢沥青混凝土道廉无碴轨邀凝块，露谯 吸声的措施。 l 钢秆式整体 轨枕沥脊混凝土道床无磷轨道图29为德 国铁路土路基上钢杼式整体轨枕沥青混凝土道床无磺轨道，篾称姚iter轨道。耗i i e r 轨邋是在游脊混凝士铺装层上媛 接铺设带钢杆的整体式pp枕豹少维修辘邋 。它是每隔3掇怒撬就在l根k枕上用直径3 2iiii#的钢杆插入沥青混凝土铺装逶床中热戳 霞定，用浚抵抗横淘承平蘅载。在枕下也 设置厚5 囊蕞的土工布，用以调整容平。2 3 2 应用情况 l 土 ziii；ik掌抛1舡厝i 格 窝她壤层甏2 9 路基上钢轩式整体辘柱沥青漓凝 冀；蘩鬟霾鬟鋈蓊霎蠹鋈鬻囊 嚣囊t l ；! 羹 x 西南交通大学硕士研究生学位论文第i 4 聪 德国铁路无碴轨道的研究首先解决了土质路基铺设的技术皿蹶，然后逐步 摊广到隧邋和桥梁t ，葳蔼为全区间铺设光碴轨道创造了有利条件。基于高速 铁路有碴轨道线路的维修工作量大、道碴粉化及道床累积变形速率加快，德国 铁路撮据箕咨询公司对现行的有麓辘道和涎碴辘邋豹综合技术经济眈较褥出 的建议，决定在所有隧道、道岔区、制动区间以及3 0 0 km h 的高速线上均采用 无疆辊遂。在室良试验窝璇场大量铺设试验段进行试验验谖静基确士，强静德 铁累计铺设无碴轨道3 6 0 l ( i i l ( 含8 0 多组道岔区) ，熊中规模铺设的线路包括； 辩隧一法兰竞疆 3 0 k 影h ，2 8 0 2 冬牙遥) 、稻耱一汉诺藏( 2 5 0 确h ，1 9 9 8 年 开通) 、纽伦堡一英戈尔施塔特( 猩建中) 。德国炙碴轨道的应用情况如表2 2 爨示。 袭2 吨德困无碴轨道应用情况 设计速度运营速度 开通 线路垒长无碡轨道所占讫铡 线路名称 ( k m h ) ( k 叮h ) 年限 k mk m 枢耩一汉诺藏 2 8 02 8 el 孕8 81 6 41 9 07 2 科隆一法兰克橘3 3 03 0 02 0 0 21 7 71 5 0 8 5 疆稔餐一英戈城 3 3 0 3 8 02 6 8 9 ( 新) 7 58 4 小计 4 1 5 2 4 法国和美国无碴轨道 法鏊与德国霜秘本不鬻，是鼓露碴鞔道为戎表麓高速铁路蘑家，一直驭有 碴轨道能够以2 7 0 3 0 0k m h 运营而感到骄傲。但后来发现早期建造的东南线、 大舔洋线，灌碴粉纯严重，篌辘道尼簿尺寸难予保持，维修溺斓缩鬣，维修费 用大大增加，甚至影响正常的运营，结果使用不到i o 年不得不全面大修，更换 道穗。鸯戴，法铁慰遵碴熬粒经级辩、鬏羧形获据据、矮度系数标璇遴嚣7 溪 新研究，拟订了新的规定。比如针对道碴的洛杉矶磨耗率、硬度系数标准( c h ) ， 豫v 东毒线蘸褒定秀洛杉掘褰麓率2 0 9 6 雾镶1 7 ，l g vj 方线恕葵提裹裂洛 杉机磨耗率1 7 和c h 2 0 ，新建的地中海线再提高到洛杉机磨耗率1 6 和c h 2 i 。除此之雒，力减缓遂蘧熬粉织，在援粱土还采取了遵嬷下铺设橡驳垫熬 方式。与此间时，法国开始认识到兹碴轨道的优越憾，开始了无碴轨道的研究 与试验。在耪建的她孛海线，选择隧道里铺设了4 ，8 妯双块式无碴孰遴，进行 西南交通大学鞭士研究生学位论文 第1 7 蕊 第3 章无绝缘轨道电路对无碴轨道的适应性问题 本章焱介绍光绝缘孰遴电路豹基础上，讨论无绝缘轨道电路对覆碴轨道的 适用性问题。通过理论分析，建立钢轨信号电流与焉碴轨邋钢筋网络耦合作用 静数学貘黧，提磁计算锯辘与无碡辘道钢筋两络之阔静鑫感与互感的诗葬方 法。 3 。1 无绝缘轨道电路 传统纛踵鏊雩滋，戳髫鬻裁裂掣酝鬣髫爨协赣鞠霉。珐姥黧磐焉黧戮长枷 鞘割裂踊剿粥；施搭囊漆鬻莲蕊豫墨墨储拯；静溺餮嚣黼翳弱璧雾魏酸碧j 基 鏊嚏喷鎏鎏国矗滔海羹鋈= 鐾鏊萋擎鍪毒蓬冻涮。萋霉薹舔躺戮法国：夷，非蛸j 妻酥髓翱静淋翘鞠懿酢；谢兄i 掰# 醚鼷瞬蠹蓐争交i 凌陵留滋璃罐薅囊鍪 目：；一 墨 露嚣落溪匿豢豢蓬溪瓣i 一| 錾霉。虿【j 葱燮判烈驯可默强量卡，燹殪羲遵赣遴游键我蓬鸯 驮俗撸赡苛靠揲祠俗窀渝嘤渭遗钛旃 泛的应用前景。 x 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 当于动态短路线。，l 频率的信号不能向右侧传输，被呈零阻抗的：、c ：谐振 单元短路，2 频率的信号不能向左侧传输，被呈零阻抗的工。、c 。谐振单元短 路。由于信号频率不同，一般，2 ，l ，亦即：信号频率，1 在厶、c l 参数，信 号频率，2 在三：、c ：、c s 参数上呈容性。与，长度的钢轨阻抗形成并联谐振电 路，对信号频率，1 和，2 呈现极阻抗。 3 1 2 参数计算 谐振单元的电感和电容c ，信号频 率 和，2 ，以及并联谐振区的长度f 是制 约谐振式电气绝缘节性能的基本要素。 设调谐单元、空心线圈( 电感为三。) 与钢轨连接线电阻为尺7 、电感为7 ，谐振 区钢轨环路电阻为r ，、电感为工，忽略 调谐单元、空心线圈内部电阻、电容损耗 角等因素，电气绝缘节的等效电路如图 3 2 所示。 ，2 ，2q ，2e j ，2 图3 ，2 电气绝缘节等效电路 为了便于对调谐单元的参数进行分析与计算，忽略r 7 、7 和r ；等参数， 认为电气绝缘节为一个纯电抗性电路。 调谐单元参数计算 信号频率，2 在工，、c 1 参数上串联谐振，呈零阻抗，有 1 巧z 厶8 矗 。1 信号频率 在三。、c 1 参数上呈电容，并与调谐区综合电感三：并联谐振， 有 一- 厶+ 嘉一叫：一o f c l5 音一专心 1 t ；三。【p ) ：一1 】 i”1 ( 3 2 ) ( 3 3 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 9 页 由图3 2 ，调谐区的综合电感为 工：葺圭l 。+ 圭l 。，工。 ( 3 4 ) 信号频率，l 在三：、c ：参数上串联谐振，呈零阻抗，有 口l 岛一l _ ( 3 5 ) 信号频率，2 在：、c 2 参数上呈电感，并与调谐区综合电感三：及电容c 3 并 联谐振，有 z 一去，枷z 妒去 仔e ， 若c ，为设定，由式( 3 5 ) 和( 3 6 ) ，有 信号频率的选择 信号频率的选择受多种因素制约，对于谐振式电气绝缘节来说，信号频率 不能选择得太低，若过低，并联谐振回路中钢轨电感要大，调谐区要加长，使 得电气绝缘节内分路模糊区加长，同时并联谐振回路的q 值太低，节内分流损 耗大，使轨道电路的分路灵敏度降低，所以，采用谐振式电气绝缘节的无绝缘 轨道电路，其信号频率大都选择在1 0 0 0 l z 以上。 谐振区钢轨长度确定 谐振区钢轨长度理论上越短越好，但在实际应用中，若太短，使综合电感 量下降，则调谐单元的等效电容c 与三，并联谐振阻抗降低，信号在绝缘节内的 衰耗加大；若并联谐振区加长，调谐单元中要求电容量减少、电感量增加，使 得上1 或：线圈电阻增大，又不利于对相邻轨道电路的电气绝缘“7 1 。 3 1 3 谐振式无绝缘轨道电路的传输特性 电气绝缘节的隔离性能 要保证电气绝缘节的隔离性能好、轨道电路的独立性强，调谐单元的串联 南者壶 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 0 页 谐振阻抗要小，电路的品质因数要高，要有一定的通频带，才能保证相邻区段 信号的电气隔离。电气绝缘节的并联谐振阻抗又要足够大，以减少信号的衰耗。 对于工。、c 。调谐单元，其谐振阻抗z 。，、品质因数q 1 和通频带曰。为 z 。l 量r ， q 1 ；掣 ( 3 - 8 ) 廿c 1 。磊蕊 从式( 3 8 ) 可以看出：当采用串联谐振方式，使两轨问构成短路，实现 相邻轨道电路隔离时，要求串联谐振阻抗小于标准分路电阻，也就是要求串联 谐振的q 值要高，通频带要窄。 电气绝缘节的并联谐振阻抗有两个，一是信号频率 侧的并联谐振阻抗， 另一是较高信号频率厂2 侧的并联谐振阻抗。由于绝缘节内钢轨不能确定得太 长，并联谐振阻抗不会很高，绝缘节只能是一个低阻抗网络，信号在绝缘节内 会有损耗。 计算电气绝缘节分流损耗 的等效电路如图3 3 所示。图 中，z 。、z 4 分别为轨道电路发露 送端、接收端电气绝缘节的并联 谐振阻抗；z ! 为发送端等效阻 抗；z ：为接收端轨道侧输入阻 抗；z ，为轨道电路的特征阻抗5 图3 3 轨道区段等效电路 ； + 垆) f 是轨道电路的传播常数。发送端电气绝缘节的的分流损耗为 警栏丝；三h 警 “3 4 3 l n 兰譬生( 接收端电气绝缘节的分流损耗为 “3 4 3 l n 掣( d b ) ( 3 9 ) ( 3 一l o ) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 1 页 式( 3 9 ) 和( 3 1 0 ) 说明：发送器输出的信号功率一部分传送给轨道电 路及其设备，另一部分消耗在发送端和接收端的电气绝缘节内，并联阻抗越小， 损耗越大。 轨道电路的信号传输特性 轨道电路发送端和接收端的电气绝缘节要消耗一定的功率，连接发送设备 与接收设备的电缆线路也要衰减部分信号，同时发送端和接收端的阻抗匹配程 度也会影响信号传输，致使轨道电路的分路灵敏度降低。采用无绝缘轨道电路， 轨道电路中传送的信号频率提高了，钢轨阻抗增大，加大了信号在传输过程中 的衰减，限制了轨道电路的极限长度。 分析轨道电路一般采用四端口网络进行分析，如图3 4 所示。 鼍? 圣i 2 5 g 盘c c r 0 2l | 2 。 一 石i 图3 4 轨道电路信号传输模型 轨道电路任意点的电压电流的指数形式表达式为 荆2 净1 仔 j o ) ：之妒一胆一”】 式中，y 一为轨道电路的传播常数；肛一为反射因子；屹、，。一为接收端的电 压和电流。 传输常数y 是轨道电路的重要参数之一，可表示为 y = ( 矗p + ，础g ) ( g + ，仞c ) 皇a + ，卢 ( 3 1 2 ) 由传输线理论，衰减常数n 决定了信号从轨道电路发送端传输至接受端的 衰减量，衰减常数a 为 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 口；历五百而蟊葫 x 西南交通夭学硕士菥巍笙覃位蓼量 琶5 a 贾 囊l jl 默壁二扪稿酗岔饕隐撼屿冶旧旧讳溺蠢q 琴礴萄 括聚矗i l l | | 。倦坪箜酮商划鞴西韭旺诣磁睁醚硼财矩髓研暇泄瓢裂隧 翼霁藕荔面幕岸舒甬竿i 二! j 。萨斧毒，蚕、盎焉。 鬟g ，fl i i i 掣：磐簦黎晰囊馐嚆固啁两催援淄竖曼鋈薹萋誊l l ! 霪甏 ll 甄嚣塑薹霆妻萋l s l茎， 嚣首；县譬蠹；纠誓 娃：鼙雾 坚= 喜馨i。ll i | l舢z室外宣内糍昔骥黛昔糕窿正嚣，嚏压嚣捷压嚣 ， 崔压嚣为了保证轨道电路的传输距 离，l羹2aao无绝缘轨道电路同um71一样，也采用了在钢轨中间加装补偿 电容的方法来减弱电感的影响，但补偿电容的节距要根据载频和轨道电路的实 际长度计算。zp_i蓍；ofln型无绝缘 轨道电路在法国um一71型无绝缘 轨道电路运用多年的基础上，通过消化吸收与技术创新。开发了zpii2自自o 型无绝缘移频自动闭塞系统。它具有如下特点啪“1：(1)采用五点布局的调谐 区设计方案，应用dsp数字信号处理技术，对接收的主轨道和调谐区信号进行 高精度的幅度运算，来实现调谐区死区检查(死区长度不大于5m)、轨道电 西南交通大学硕士醑究生学位论文 第2 8 戮 据电工原理电磁感应理论，当钢轨流过信号电流时，钢轨周围会产生磁通，当 磁通通过诵筋骨架孕电网孔或环链护轨时都会产生应电流。应电流产生的磁通 抵消原来的磁通变化，应电流以热损失消耗功率，从而使钢轨阻抗的有效电阻增热，电戆减少。 钢轨阻抗的变化是由于传统的铡筋骨架导电网孔造成的，使钢轨阻抗的有 效淮疆分豢增魏，戆抗分豢减乡。主鞔遂魄路衰耗增麓，衾减乡鞔遒毫鼹静长 度。u l 制式轨道电路是调谐式电气绝缘接头，钢轨阻抗参数变化使调谐区谐振 获态变纯，调谐区瓣撬疆，l 、，增麴了接头攒失，是辘遂毫路长度减少豹雯一个 因索。 遂碴邀辍不达糠，是爨于承簸都分、终缘转、羟终及箕基礁影态懿浚诗、 施工工艺和质量造成的。以秦沈线凭碴桥灏部分为例，预埋塑料套管的顶丽、 大橡胶垫殿铰垫扳戆穗强影琵溺之阕澎残一令获拳盒。降霹薅积拳，遂碴魄隘 急剧下降；雨后排水和蒸发不畅，道碴电阻回升缓慢。所以，应确保钢轨和扣 终与戡道教缝缘良好，孝基l 孛基础爆拴臭i 不存零不满水，应考虑道碴瞧窖，莠应 有规范值。 下瑟从理论上耀述无毯鞔道弓l 起蛉钢孰阻挠增加的枕邂。镪鞔与无碴孰道 钢筋网之间的稻合如图3 9 所示。由于一般的无碴轨道板铺霄两层钢筋( 图3 9 中仅画出一层钢荔网络) ，冀等僵电路如图3 。l o 所示。 钢轨暾漉钢轨 搿3 9 钢轨每无碴鞔遴钢筋网闯的耦台强3 ，l o 蔼3 9 的等值电路 由圈3 9 ，毒嬲密懿下方摇 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 1 页 从式( 3 2 5 ) 和( 3 2 6 ) 的定性分析结果可以看出：由于无碴轨道板中存 在纵横交错的钢筋网络，流过钢轨的轨道电路电流将在钢筋网络中产生感应电 流；将使得钢轨的等效电阻加大，等效电感减小。 3 2 2 现场实验 秦沈客运专线有板式和长枕埋入式两种无碴轨道结构，其钢筋骨架已做了 纵向隔断( 板式每5 m 隔断一次，长枕埋入式每3 m 隔断一次) ，纵、横向钢筋 间未做绝缘处理。轨底距钢筋骨架较近。赣龙线枫树排隧道长7 1 3 m ，采用板式 无碴轨道。试验有针对性地将隧道内轨道分成两段，一段长4 0 0m ，按钢筋骨 架传统工艺旌工，裸钢筋在钢筋骨架节点处绑扎或焊接。另一段长2 5 0m ，模 拟新工艺试验，在钢筋骨架节点处用绝缘套管将相交的钢筋相互隔开。对原工 艺与新工艺板式轨道测试表明：原工艺板式轨道钢轨阻抗远离标准值，与秦沈 线狗河桥轨道相近；新工艺板式轨道钢轨阻抗，钢筋骨架的影响减少了，接近 标准值，且随着轨底与钢筋骨架的间距增加而更加改善“。 参照表卜l 、卜2 和卜3 的测试结果，可以得到如下结论： ( 1 ) 无碴轨道使钢轨阻抗的有效电阻分量增加，感抗分量减少，致使轨道电 路衰耗增加，减少轨道电路的长度。轨道电路传输频率越高，影响越大。 ( 2 ) 理论上钢轨阻抗的偏差值应越小越好。加大钢轨与钢筋骨架间的距离， 会减少钢轨阻抗的偏差值。 ( 3 ) 无碴轨道纵横向钢筋加绝缘处理，对钢轨参数的影响程度明显减少。 对比分析式( 3 2 5 ) 、( 3 2 6 ) 的定性分析结果与表l 一1 、卜2 的现场实验 结果表明：式( 3 2 5 ) 和( 3 2 6 ) 的理论分析结果是正确的。 3 3 钢轨与无碴轨道钢筋网络的耦合计算 3 3 1 载流直导线磁场计算 根据文献 4 1 ，4 2 的电磁理论，电路的某一部分为一条有限长度的直导线， 流过的电流为，计算这段直导线在任意点p 所激发的磁场。 设p 点与导线的距离为口，如图3 1 l 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 2 嚣 ( 曲蓑流鬟嚣线在p 患产生懿徽臻 轴) 器缝耋线魄藏兹擞懑斑线 圈3 1 l 载流直导线的磁场姆磁感应拽 褒毫浚方蠹为芹辘方麓，壤攒毕一萨一拉定律，饔蔗焘x 楚豹逛流元 尉f ；j 巩在p 点产生的磁场为 衄；煦丝兰 ( 3 2 7 ) 新r 。 式审，r 为扶殛爨p 熹熬矢经。 从图3 1 1 容易蒋出，矗8 的方向垂直于纸面向里，它的大小为 弛一老笋号一尝志 净z s ， 由于壹姆线各暾滚元在p 点所激发的磁场方向帮穗囿，所默整摄导线农p 点激发的磁撩应强度为 嚣= f 簪志 。s ， 设a 点的坐标为薯，b 点的坐标为点，则式( 3 2 9 ) 的积分为 肌等t 毒静一再斋， 伯瑚 翔栗导线为无戳长，羹| j 溉一一c 。，z ，一，式( 3 3 0 ) 交或 嚣；盟( 3 3 1 ) 新痒 无限长赢载流导线周围的磁感应线为一系列以导线为中心的同心圆。 3 3 2 无碴轨道钢筋弼络自感计算 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 4 页 ，= 丘掣面暴 。终丝! f ! 里 锄一z ) 、一善) 2 + ( y + d ) 2 】“2 一 ! = 望 、 【伍一z ) 2 + 0 ，一d ) 2 】1 2 同理，b c 边在矩形线圈内任意点p ，y ) 产生的磁场为 ) = 丘掣而采b 矛 =丝q 坐：!，苎圭 一 4 丌( d 一_ ) ，【( d y ) 2 + ( 第+ 上) 2 】“2 一 兰= 墨、 【( d y ) 2 + o 一三) 2 】l 2 无碴轨道的钢筋网络构成的矩形线圈中的磁通量为 声。正黜2 k 似纠出+ 疆之吼c o ，) ，) 出 ；弛丘警瓦丽翥薪 一 ! = 望 口一z ) 【( 一z ) 2 + ( y d ) 2 】“2 工- _ _ _ - _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ 。_ _ _ _ _ _ _ _ - 。，。- 。- _ 。_ _ _ _ 。- 一 z + 上 。( d y ) 0 0 d y ) 2 + ( x + 三) 2 】1 7 2 一万丽瓦等碲咖 忽略无碴轨道钢筋网络的内自感，则钢筋矩形线圈的外自感为 小警丘丘瓦丽等 一 ! 二望 旺一z ) 【仁一z ) 2 十( _ y d ) 2 】1 2 上兰墨 ( d 一) ，) 【( d y ) 2 + 0 + 三) 2 】1 2 一万丽矿茅蠢鬲下灿妙( d 一_ ) ，) 【( d 一_ y ) 2 + 0 一上) 2 】“2 77 ( 3 3 2 ) ( 3 3 3 ) ( 3 3 4 ) ( 3 3 5 ) 西南交滋大学硪士研究生学位论文第3 8 页 第4 章钢轨与无碴轨道钢筋网络耦合的仿真分析 在第三章的基确上，对无碴轨瀵钢筋阏络与镶轨之阔的耦合参数进行了量 化计算，针对某一实际的无碴轨道檄，计算出钢轨阻抗参数的变化愤况，与实 际运行现场豹实验数据迸稃对眈分析，检验所提出的模型的正确性。 4 。l 耦合参数计算 以图4 + 1 所示的国产5 m 无碴轨道道床板为例进行计算。根据图4 1 ，无碴 孰邋遂床板舞双层镄筋网络缝成，土层锈戆隧终壶簪1 4 韵4 撮缀囱镶筋帮9 禳 横向钢筋组成，下艨钢筋网络由庐1 4 的1 4 根纵向钢筋和2 5 根横向钢筋组成。 镶翁疆络熬逑挺尺寸为：上溪锈簿黼络长宽= 4 8 8 0 黼2 筠8 黼，下豢钢筋辩缮 长x 宽= 4 8 0 0 l 【n 2 6 0 0 咖。 4 1 1 钢筋疆络囱感计算 缀据式( 3 3 s ) ，编程诗冀塞上、下层锶簸蹿终兹鑫感与镅簸长度熬关系 如表4 1 、4 2 和图4 3 、4 4 所示。 袭4 。l 上屡钢荔曜络射骞与锶菸长发瓣关系 l i 钢筋长度2 ( )3 o3 33 63 94 24 54 8 8 鑫惑( l o 拄) 1 2 9 ll 。3 7 5i 。4 5 9i 5 4 3 1 6 2 7i i ? li 羲蠢2 麓 表4 2 下层钢筋嘲络自感与镶筋长发的关系 i 钢筋长度2 l ( m )3 o3 。33 63 94 24 54 8 0 l 自感( 1 0 - 5 仃) 1 2 7 31 3 5 7 1 1 4 41 5 2 31 6 0 71 6 9 01 7 7 3 从表4 1 、4 2 和图4 3 、4 4 可以看出：在钢筋网络的宽度一定的情况下， 锻笈豹长度越短，鸯感越小。 西南交通大学弼 士研究生学位论文第3 9 贾 螺 蒙 嗵 饥 醛 强 别 瑚端 触 i i 晰 傀【i 口 |r 呻 _ f fl| | ， l 一， 厂 l 一 羹 ! | 爿 _ _ _ 一| 一十一| 。1 l = l e 塞 鹜4 1 翻无撩簸道遵寨板结擒潮 冁琴踺叫辚爆潮 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 0 贾 謇 辖 耙c i r 。 ； 叶 啦 u 。 弘 _ j 坩 韭 j 沁 r 1 旦 l 精 冠 f 非 矗 一一 l r t r 蓬 l 工嘶 1 遣 磊 l 图4 25 m 无磺轨道道床板结构剖面图 西南交通大学颈士研究生学位论文第4 3 搿 图4 6 钢轨、上层钢筋网络之屿冶旧旧讳溺蠢q 琴礴萄 括聚矗i l l | | 。倦坪箜酮商划鞴西韭旺诣磁睁醚硼财矩髓研暇泄瓢裂隧 翼霁藕荔面幕岸舒甬竿i 二! j 。萨斧毒，蚕、盎焉。 鬟g ，fi ； j 掣：磐簦黎晰囊馐嚆固啁两催援淄竖曼鋈薹萋誊l l 薹霪甏 室外 糍昔骥黛昔糕 窿正嚣，嚏压嚣捷压嚣， 崔压嚣 宣内 l | 鎏嚣塑薹霆妻萋l s l 茎， 嚣首；县譬蠹；纠誓娃：鼙雾坚= 喜馨i。| i |l 舢z 为了保证轨道电路的传输距离，u m 2 0 0 0 无绝缘轨道电路同u m 7 1 一样，也 采用了在钢轨中间加装补偿电容的方法来减弱电感的影响，但补偿电容的节距 z p _ _ _ 2 0 0 0 型无绝缘轨道电路 在法国u m 一7 1 型无绝缘 轨道电路运用多年的基础上，通过消化吸收与技术 创新。开发了z p w _ 2 0 0 0 型无绝缘移频自动闭塞系统。它具有如下特点啪“1 ： 西南交通大学磺士研究生学位论文第4 4 掰 圈4 7 镶孰、下瑟钢篙霹终之闯互感与键麓翅络距鞔嚣藏璇豹关系 图