（电力系统及其自动化专业论文）无碴轨道条件下轨道电路的建模与仿真.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s tr a c t b a l l a s t - l e s st r a c ka n dj o i n t l e s st r a c kc i r c u i ta r et h et w ok e y t e c h n i q u e si n t h ec o n s t r u c t i o no fh i g h s p e e dr a il w a y ( p a s s e n g e r s p e c i a l 1 i n e )i n o u rc o u n t r y b e c a u s eo fe l e c t r o m a g n e t i cc o u p l i n g a m o n gt h es t e e lb a rn e t w o r k si nt h eb a ll a s t l e s st r a c kp l a t ea n dt w o r a i l s ，w h i c hm a k i n gt h er a i lr e s i s t a n c ei n c r e a s ea n dt h ei n d u c t a n c e r e d u c e ，t h et r a n s m i t t i n gl e n g t ho fj o i n t l e s st r a c kc i r c u i t i s s h o r t e n e ds e r i o u s l y t h e r e f o r ei ti sm e a n i n g f u lt oa n a l y z et h ei m p a c t o fb a l l a s t 1 e s st r a c ko n j o i n t l e s st r a c kc i r c u i ta n df i n do u t i m p r o v i n gm e t h o d so ft r a c kc i r c u i tt r a n s m i t t i n gl e n g t h b a s e do nt h es t r u c t u r eo fb a ll a s t l e s st r a c ka n dt h ep r i n c i p l e o fj o i n t l e s st r a c kc i r c u i t ，t h isp a p e ra n a l y z e se l e c t r o m a g n e t i c c o u p li n ga c tio nb e t w e e nr a i1sa n dd o u b le d e c ks t e e ln e t w o r k s in b a l l a s t l e s st r a c kp l a t e ，d i s c u s s e so ni m p r o v i n gw a yo ft r a c kc i r c u i t t r a n s m i t t i n gl e n g t hw i t ht h et h e o r yo fe l e c t r i c i t y f i r s to fa l l ， w i t ht h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l dt h e o r ya p p l y i n gt ot h ea d a p t a b i l i t y o fb a l l a s t l e s st r a c kt ot h ej o i n t l e s st r a c kc i r c u i t am a t h e m a t i c a l m o d e l1i n ga n ds i m u l a t i n gi sm a d ea b o u te q u i v a l e n ti m p e d a n c eo f j o i n t l e s st r a c kc i r c u i t a tt h es a m et i m e ，s e l fi n d u c t a n c eo f d o u b le d e c ks t e e l b a rn e t w o r k ，m u t u a li n d u c t a n c eb e t w e e nr a ilsa n d t h ed o u b l e - d e c ks t e e lb a rn e t w o r kh a v ea l s ob e e nd e d u c e d s e c o n d l y ， w i t ht h et h e o r yo fe v e nt r a n s m i s s i o n1 i n e as i m u l a t i o no ft r a c k c i r c u i tt r a n s m i t t i n gl e n g t hi ss e tu pt of i n do u tm a t e r i a le f f e c t o ft r a c kc i r c u i tt r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t ic sw it h t h e e l e c t r o m a g n e t i cc o u p i n gi n f l u e n c eb e t w e e ns t e e lb a rn e t w o r k si n b a l l a s t l e s st r a c kp l a t ea n dr a i l s i nt h ee n d ，t h ei m p r o v i n gs c h e m e o ft r a c kc i r c u i tt r a n s m i t t i n gl e n g t hi sd i s c u s s e di nt h ea s p e c to f m a i n t e n e n c ea n de l e c t r i c i t y c o m p e n s a t i n gc a p a c i t o ro ft r a c kc i r c u i t w a st h e o r e t i c a l l ya n a l y z e df r o mt h ev i e wo fe l e c t r i c i t y 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i i 页 k e yw o r d s ：j o i n t i e s st r a c kc ir c u i l ：b a ii a s l ：一i e s st r a c k t h el ：r a n s m i ti e n g t h 西南交通大学曲南爻通大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密圈磕用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：亿今日指导老师签名： 日期： 加p 多f 日期 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工 作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。 学位论文作者签名：亿7 足 日期：2 。0 7 ，5 引 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究意义 第1 章绪论 无碴轨道和无绝缘轨道电路是我国高速铁路( 客运专线) 将要采用的两 项关键技术。无碴轨道因其具有稳定性好、维修工作量少、使用寿命长和综 合经济效益高的优点，在国外高速铁路上获得了越来越广泛的应用，并成为 高速铁路轨道结构的发展方向。同时，随着铁路事业的蓬勃发展，列车速度 越来越快，行车密度越来越高，原有的有绝缘轨道电路已不能适应高速铁路 运输的需要，与之相应产生了无绝缘轨道电路。无绝缘轨道电路和有绝缘轨 道电路相比，主要有两方面优点：第一方面，有绝缘轨道电路在运营中其轨 道端绝缘节是最薄弱的环节，故障率很高，维修费用高；第二方面，采用无 绝缘轨道电路长钢轨线路，减小了列车运行阻力，减小了列车振动和噪声， 减小了钢轨线路和机车车辆轮缘的磨损【3 】。 从2 0 世纪9 0 年代起，由法国引进的u m 7 1 无绝缘轨道电路己在我国几大铁 路干线上先后投入使用。2 0 0 2 年能与u m 7 1 无绝缘轨道电路兼容，具有我国自 主知识产权的z p w 2 0 0 0 型无绝缘轨道电路己通过铁道部鉴定，将在全路推广 应用旧1 。随着铁路跨越式发展需要，我国既有铁路线的提速和客运专线的大量 兴建，对线路的平顺性、稳定性和可靠性要求越来越高，无碴轨道将被广泛使 用。但是，u m 7 1 、u m 2 0 0 0 和z p w 2 0 0 0 型无绝缘轨道电路( 下面简称u m 系列轨道 电路) 都是在有碴轨道基础上完成研发，能满足有碴轨道的有效使用。而在秦 沈客运专线上引进开通了数字化的u m 2 0 0 0 无绝缘轨道电路，并在狗河、沙河 和双河3 座桥梁上铺设了板式和长枕埋入式无碴轨道，三次综合试验测试结 果表明，轨道的荷载特性、振动特性和车辆的平稳性都较好，但同时发现， 板式无碴轨道的轨道电路传输长度仅有7 0 0m 2q ，长枕埋入式无碴轨道的 轨道电路传输长度为9 0 0 m 2q ，与标准要求的1 6 0 0m 2q 的相差很大憎。目 前，我国正在大力发展高速铁路，而无碴轨道和无绝缘轨道电路都是要大量 采用的，因此，要发展高速铁路，解决轨道电路传输长度问题是我们必须要 解决的问题。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 国内外现状分析 1 2 1 国内外无绝缘轨道电路 ( 1 ) 国外无绝缘轨道电路 2 0 世纪6 0 年代，法国c s e e 公司就开始研究了u 型轨道电路使用无绝 缘节载频采用单频信号，其频率为：1 7 0 0 h z 、2 0 0 0 h z 、2 3 0 0 h z 和2 6 0 0 h z 。 1 9 7 1 年c s e e 公司研究开发了u m 7 1 型无绝缘轨道电路，用电气绝缘接头取 代机械绝缘接头，电气绝缘接头长度为2 0 m ；无空心线圈，轨道电路长度为 5 0 0 m 。其后经过局部电路改进和系统完善，c s e e 公司研制出以u m 7 1 无绝 缘u 型( 带调制) 移频轨道电路为基础，结合t v m 3 0 0 机车信号及测速超防护 设备共同组成了完整的u t 系统。该系统可提供1 8 种移频信息，地面设备 集中在室内。并于1 9 7 5 年开始安装在巴黎至里昂的高速线路上1 9 8 1 年用 于东南线，1 9 8 9 年扩大应用于大西洋高速行业线，1 9 9 0 年正式施工修建在北 部线。 德国高速铁路信号以轨道电缆作为地面控制中心与机车之间信息传输 通道的l z b 系统，不用钢轨做信息通道，无碴轨道钢筋网对轨道电路的影 响问题无需考虑。在地铁和城轨线路上，采用f t g s 型无绝缘轨道电路， 但其电气绝缘节很短，由x 型导线及电容器件构成，隔离特性基本不受钢 轨参数影响。 日本新干线信号制式，早期为机械绝缘轨道电路a t c 控制，2 0 世纪 9 0 年代开始研究数字a t c 系统，采用有关信息车上存储和地面传输相结合、 以机控为主、目标距离连续速度控制模式。由于信号载频频率较低( 1 0 0 0 h z 以内) ，板式无碴轨道内钢筋网对钢轨阻抗参数的影响较弱，加之采取措施 增强了轨道绝缘性能，轨道电路的传输长度基本不受电路影响。 ( 2 ) 我国z p w - 2 0 0 0 型无绝缘轨道电路 z p 、- 2 0 0 0 型无绝缘轨道电路是在法国u m 7 1 无绝缘轨道电路上结合国 情进行的再开发。前者较后者在轨道电路传输安全性、传输长度、系统可 靠性、可维修性以及结合国情提高技术性能价格比、降低工程造价上都有 了显著提高。其主要技术特点如下：( 1 ) 充分肯定、保持法国u m 7 1 无绝 缘轨道电路整体结构上的优势；( 2 ) 解决了调谐区断轨检查，实现轨道电 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 路全程断轨检查：( 3 ) 减少调谐区分路死区；( 4 ) 实现对调谐单元断线故 障的检查；( 5 ) 实现对拍频干扰的防护掣7 1 。 可以看出，法国、德国和日本三大高速铁路技术原创国由于列车控制 系统与轨道结构形式的不同，对无碴轨道与无绝缘轨道电路协调性问题都 没有具体的解决办法。我国高速铁路采用与法国相同的u m 型谐振式无绝 缘制式轨道电路，信号频率为1 7 0 0 - - - 2 6 0 0 h z ，轨道电路传输长度问题成为 国内无碴轨道结构运用必须解决的重要问题。 1 2 2 无碴轨道 在高速铁路上应用无碴轨道，以日本、德国最为广泛。日本新干线无碴 轨道最初一般铺设在基础坚固的隧道内、高架结构和桥梁上后来逐渐扩大 到土质路基上。而德国高速铁路无碴轨道则首先解决了在土质路基上铺设 的技术问题，逐步推广到隧道和桥梁上，从而为全区间无碴轨道的应用创造 了有利条件。目前无碴轨道在我国客运专线的建设也取得了广泛的应用【5 3 1 。 1 3 目前存在的问题 在秦沈客运专线上的测试表明轨道电路的传输长度与标准所要求的 1 6 0 0n l 2q 还有很大的差距。如图1 1 所示，钢轨阻抗z 由两部分组成， 即钢轨本身的电阻r 和电感及轨道板钢筋网感应电阻r ，与电感三，表示 为【1 6 】： 一喇+ 丽a ) ：m 2 = 卜篇rh 卜器ri 。 墨+ _ ，叱ij + fl 。lj + 譬i 式中：m 为互感系数，a ) - - 2 形厂为频率。 肘 图1 1 轨道板中感应阻抗与钢轨阻抗的关系 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 轨道电路缩短的主要原因为：当钢轨流过信号电流时，钢轨周围会产 生磁通，当磁通通过钢筋骨架导电网孔或环链护轨时都会产生感应电流， 感应电流产生的磁通抵消原来的磁通变化，感应电流以热损失消耗功率， 从而使钢轨阻抗的有效电阻增加，电感减少1 。 目前，我国正在大力发展高速铁路，而无碴轨道和无绝缘轨道电路都是 要大量采用的，因此，要发展高速铁路，解决传输长度问题是我们不得不考 虑的问题。 1 4 本文的主要工作 ( 1 ) 无碴轨道线路钢轨等效阻抗模型及仿真。将电磁场理论运用到无绝缘 轨道电路对无碴轨道的适应性上，对无绝缘轨道电路钢轨等效阻抗( 无碴轨道 板双层钢筋网络) 进行了数学建模，并进行了表达式的推导。并对钢筋等效阻 抗中所涉及的上下层钢筋网络自感、钢轨与上下层钢筋网络的互感以及上下层 钢筋网络的互感进行了推导。 ( 2 ) 轨道电路模型与仿真。无碴轨道影响下的钢轨等效阻抗模型与所计算 得到的轨道电路传输长度需要在轨道电路传输中进行进一步的验证，因此建立 一个有效适当的轨道电路模型显得尤为必要。 ( 3 ) 轨道电路传输长度改善方案。通过对不同类型的无碴轨道结构单元进 行改进，来查验对钢轨阻抗影响的效果。另外，本文重点对轨道电路补偿电容 进行了理论分析和讨论，补偿电容好坏直接影响着轨道电路的传输长度，也是 目前工程中普遍采用的方法。从电气的角度对补偿电容进行建模分析，寻求最 佳补偿电容对改善传输长度很有意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章无绝缘轨道电路和无碴轨道结构及原理 2 1 无绝缘轨道电路概述 2 1 1 无绝缘轨道电路的基本概念 ( 1 ) 无绝缘轨道电路的定义口1 无绝缘轨道电路是指以铁路线路的两个钢轨作为导体，两端加以电气绝 缘或电气分割，并接上送电和受电设备构成的电路。 无绝缘轨道电路的分类：第一类是电气隔离式，又称谐振式，它是在轨 道电路的分界处，采用电容和一部分钢轨的电感构成谐振回路，另外相邻轨 道电路采用不同频率的信号电流，使轨道电路电气隔离，这是本章介绍的重 点；第二类是自然衰耗式，又称叠加式，它是利用轨道电路的自然衰耗，相 邻轨道电路采用不同频率的信号电流，利用在轨面外进行滤波的原理使相邻 轨道电路的工作互不影响。 ( 2 ) 无绝缘轨道电路工作状态 无论是信号工程设计还是分析研究轨道电路技术状态，都需要从轨道电 路的三种基本工作状态出发，保证在各种最不利条件影响下，轨道电路都能 稳定可靠地工作。轨道电路的三种基本工作状态是： 调整状态是指轨道电路完好并无列车占用时的空闲状态，此时，它的 发送接收设备正常工作。若采用电磁继电器作接收设备时，轨道继电器衔铁 应可靠地吸起，前接点闭合，它是轨道电路的定位工作状态。 分路状态是轨道电路在任一点被列车分路时的占用状态，即使只有一 付轮对分路，轨道继电器也应可靠地失磁、落下衔铁，后接点闭合。 断轨状态是轨道电路的钢轨在某处断开( 指电气折断) 时，轨道继电 器应可靠地失磁，衔铁落下，后接点闭合。 轨道电路在这三种状态下工作，往往受许多外界因素的影响，主要的因 素有三个变量参数：钢轨线路的道碴电阻，钢轨阻抗和电源电压。这三个参 数的变化对三种工作状态造成的影响各不相同，因此，对三种工作状态的最 不利条件也不相同。对调整状态来讲，最不利条件是：轨道电路参数变化使 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 接收设备获得电流最小，即钢轨阻抗最大，道碴电阻最小及电源电压最小是 此状态的最不利条件；对分路状态来讲，最不利条件是：轨道电路参数变化 使接收设备获得电流最大，即钢轨阻抗最小，道碴电阻最大及电源电压最大 是此状态最不利条件；对断轨状态来讲，最不利的条件是：轨道电路参数变 化使接收设备获得电流最大，即除了钢轨阻抗最小，电源电压最大两个因素 外，由于断轨后道碴电阻构成的泄漏电流方向变迁，断轨地点与道碴电阻大 小对断轨状态也有一个最不利的参数值，称它们为临界断轨地点和i 临界道碴 电阻驯。 2 1 2 电气谐振式无绝缘轨道电路工作原理 ( 1 ) 简单电气谐振式无绝缘轨道电路 最简单的电气隔离式无绝缘轨道电路的原理电路如图2 1 所示。图中a ， 融道电路的分界处是电气分隔接头。在c 抛装设截面为7 5 r a m 2 的电缆短路线， 在两侧a b 和e f t ：各装设一个电容c i 和o 。a 和b 轨道电路分别发送频率为力和 正信号电流。电容c ，接a 轨道电路的发送器，电容。接b 轨道电路的接收器。 电容c ，和a c d b 回路中的钢轨电感口c 和曲及短路线的电感甜构成并联谐振电 路，它的并联阻抗频率特性如图2 2 中曲线 所示。由曲线 可知：在信号 的频率勘时，在电容两端的阻抗z 厶呈现高阻抗。因此a 轨道电路发送器f s a 发送的频率为力的信号动两点间得到高的电压。该信号电流沿着a 轨道电路向 接收端传输。同理，电容q 和e c d l 亘l 路中的钢轨电感l 即和三叔短路线的电感 耐构成并联谐振电路，它的并联阻抗的频率特性如图2 - - 2 中曲线 所示f 3 1 。 fr 1 口口r l 下。爿 。广1 f 上 已一 、 1 -一0 色 _ - 一一 上_ t c ： = _ 一，i _ 己 =- ，- 一 一 匆 t g 扫 bd ， d 嬲 只= 一哇 i 肋 月= e 图2 一l 简单电气分隔接头 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 石、 z -z r 一丐一 i i 图2 2 简单电气分隔的并联阻抗频率特性 ( 2 ) 改进型无绝缘轨道电路 对于图2 1 这种简单无绝缘轨道电路，在区间内实际不能采用，因为车 辆在c 癞路线附近不能得到可靠分路。其一种改进方法是用空心线圈代替两 根钢轨间的短路线，在空心线圈的两侧各装设一个谐振单元。其原理如图2 3 所示【3 j 。在电气分隔接头中间装设空心线圈l 3 ，主要起平衡牵引电流的作 用，因为它对5 0 h z 牵引电流的阻抗很小，相当于短路，而对音频信号的阻抗 较大。a 轨道电路的发送器f s a 发送频率为尼的信号。b 、c 轨道电路发送器 f s b ，f s c 发送频率为万的信号，且力函。谐振电路l j ，c ，构成串连谐振，谐 振频率为尼，串联谐振阻抗很小，只有干分之几欧姆。因此频率为尼的信号在 e f t 6 e 芗处相当于短路，使枷轨道电路中的尼信号电流不会混a b 、c 轨道 电路，劫轨道电路与b 、c 轨道电路相隔离的作用。 ar _ ：1 岳 图2 3 中间设空芯线圈的电气分隔接头 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 图2 4 发送端分隔接头勘的等效电路 与彳轨道电路发送器f s a 相连的谐振电路幻、q 、g 对频率为历的信号呈 现容性，相当于一个电容c 。该电容c 和其右侧四小段钢批c 、c e 、f d 和 d b 的电感l 以及一个空心线圈的电感l 3 混连组成的等效电感l 口构成并联谐 振槽路，如图2 4 所示，其谐振频率尼，a b 两点间呈现高阻抗。因此发送器 f s a 发送的尼信号，枷b 两点形成高电压，沿着a 轨道电路，向左侧传输到接 收端。当然也向右侧传输，但到蒯短路，不能混入c 轨道电路。和a 轨道 电路接收器删相连的谐振电路幻，c 2 、o 对易信号呈现容性，相当于一个电 容c 。该电容c 和左侧四小段钢籼c ，c 矗，f d q f f l d b 的电感l 以及一个空 心线圈的电感l 3 混联而成的等效电感力构成并联谐振槽路，其谐振频率y b f ：， a 。b 两点间呈现高阻抗。因此对从发送端传输来的，信号产生较高电压，被接 收器j s a 接收，动作轨道继电器。当然尼信号还继续向左传输，但到e f 处被 短路，不能混入b 轨道电路。同理对于占轨道电路进行同样的分析。 2 1 3z p w - - 2 0 0 0 a 型无绝缘移频轨道电路 ( 1 ) z p w l 2 0 0 0 a 无绝缘移频轨道电路的组成及工作原理 z p w - - 2 0 0 0 a 型无绝缘移频轨道电路，是在法国u m t l 无绝缘移频轨道电 路技术引进及国产化基础上，于2 0 0 0 年开始结合国情进行提高各项性能指 标的技术再开发。z p w 一2 0 0 0 a 无绝缘移频轨道电路中“无绝缘”并不是没 有绝缘节，而是指没有机械绝缘节，采用的是一种电气谐振式绝缘节，不需 要切割钢轨。z p w - - 2 0 0 0 a 系统最大的特点就是采用这种电气绝缘节构成移 频轨道电路，另外一个重要特征是其信息数量大，共1 8 个低频信息，从 1 0 3 2 9h z ，以1 1h z 间隔递增。分别代表不同的速度控制信息。载频为 1 7 0 0h z 、2 3 0 0h z ( 用于下行线路) ，2 0 0 0h z 、2 6 0 0h z ( 用于上行线路) ， 频偏为1 1h z 。该设备实现在轨道电路中传输信号，消除各种干扰影响， 并可连续向机车发送信息。为“机车信号作为主体信号”创造了必备的安全 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 基础条件；为铁路运输实现“重载、高密度、高速度 的战略目标创造了必 要的条件。该电路不仅适用于大铁路，同时也适用于城市轻轨及地下铁道口1 。 图2 - 5z p w 一2 0 0 0 a 型无绝缘轨道电路图 z p w - 2 0 0 0 a 型无绝缘轨道电路分为主轨道电路和调谐区小轨道电路两 部分，如图2 5 所示，小轨道电路视为列车运行前方主轨道电路的所属“延 续段”。主轨道电路的发送器由编码条件控制产生表示不同含义的低频调制 的移频信号，该信号经电缆通道( 实际电缆和模拟电缆) 传给匹配变压器及 调谐单元，因为钢轨是无绝缘的，该信号既向主轨道传送，也向调谐区小轨 道传送，主轨道信号经钢轨送到轨道电路受电端，然后经室外设备调谐单元、 匹配变压器、电缆通道，进入室内设备将信号传至本区段接收器。调谐区小 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 轨道信号由运行前方相邻轨道电路接收器处理，并将处理结果形成小道电路 继电器执行条件送至本区段接收器，本区段接收器同时接收到主轨道移频信 号及小轨道电路继电器执行条件，判决无误后驱动轨道电路继电器吸起，并 由此来判断区段的空闲与占用情况。 ( 2 ) 关于该轨道电路的频率参数的选择 z p w - - 2 0 0 0 a 无绝缘移频轨道电路的频率参数主要包含低频信息、中心 频率或载频以及频偏。其中载频配置如图2 - 6 所示。 图2 6 载频配置图 低频频率1 8 个，为：1 0 3 + n x l 1h z ，n = o1 7 ，即：1 0 3h z 、1 1 4 h z 、 1 2 5h z 、1 3 6h z 、1 4 7h z 、1 5 8h z 、1 6 9h z 、1 8h z 、1 9 1h z 、2 0 2h z 、 2 1 3h z 、2 2 4h z 、2 3 5h z 、2 4 6h z 、2 5 7 h z 、2 6 8h z 、2 7 9h z 、2 9h z 。 载频频率8 种，z p w - - 2 0 0 0 a 无绝缘移频轨道电路选择了较高的载频， 远离了5 0h z 及其谐波的干扰，使得该轨道电路固有抗干扰能力强；8 种载 频为： 下行：1 7 0 0 11 7 0 1 4l - i z 、1 7 0 0 21 6 9 8 7h z 、2 3 0 0 一l2 3 0 1 4h z 、2 3 0 0 2 2 2 9 8 7h z ： 上行：2 0 0 0 12 0 0 1 4h z 、2 0 0 0 21 9 9 8 7h z 、2 6 0 0 12 0 6 1 4h z 、2 6 0 0 22 5 9 8 7 h z z p w l 2 0 0 0 a 无绝缘移频轨道电路将2 9m 调谐区设置成一个小轨道电 路，它由本轨道电路发送器送出信息，却由前方相邻区段的接收器接收、处 理、形成小轨道执行条件电压送回本轨道电路接收器；因为调谐单元的缘故， 小轨道接收电压理论上不会很大，但要求不小于3 3 3m y 假设图2 - 6 中“一1 、 一2 不存在，则隔一个区段的载频是相同的，如果前方相邻区段调谐单元断 线了，则前方相邻区段的信息因为串联谐振的失去而侵入本区段，入侵信号 的电压大小以及载频就与本接收器负责接收的小轨道信号一致了，造成错误 接收。很明显，如果选择8 种载频，刚才入侵信号的载频与小轨道载频就会 有一个“一1 与“一2 ”的差别，则不会造成错误接收，即防止了调谐单元断 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 线时越区传输。 频偏为l lh z ，z p w - - 2 0 0 0 a 无绝缘移频轨道电路频率的选择方式合 理，固有抗干扰能力强。系统载频选择在远离5 0h z 牵引电流谐波，因而谐 波引起的干扰量很小。另外，载频频偏较小，调制系数m 小，信号能量集中 在中心频率附近，远离相邻区段引起的干扰，所以系统固有的抗干扰能力比 国内的移频制式高。 ( 3 ) z p w 一2 0 0 0 a 无绝缘移频轨道电路存在的问题 z p w - - 2 0 0 0 a 并非十全十美，根绝现场使用的情况，需要做出相应的调整 和修改，才能适应铁路的快速发展。其主要存在的问题有： 无法彻底消除死区段：由于接收端阻抗较低，充分考虑该轨道电路工 作稳定性，将造成一段0 1 5q 的分路“死区 。 补偿电容种类多，数量大，不利维修。z p w - - 2 0 0 0 a 设有2 8 、3 0 、3 3 、 4 0 、4 6 、5 0 、5 5l af 共7 种补偿电容。补偿电容的作用是减少钢轨对移频信号 感性影响，保证轨道电路的传输距离，每减少一个补偿电容，接收端电压就 会降低，当道床电阻达不到要求，补偿电容断一处便会有可能造成通过信号 机显示红灯，影响列车正常运行。 小轨道电路调整复杂。小轨道电路的调整只有在开通给点，设备安装 就绪后进行。其调整表多达三百多项，即便这样，在实际调整时，按照给出 的调整表进行调整后常常不能满足要求。 除此之外，z p w - - 2 0 0 0 a 还存在机车提前分路，滞后出清的问题以及机车 信号二次接收的问题。 2 2 无碴轨道 2 2 1 无碴轨道概述 无碴轨道因其良好的技术经济性而成为我国客运专线的首选轨道结 构。无碴轨道在隧道内、高架结构和桥梁上的应用，已被世界各国铁路普 遍认可并已标准化，而在高速土路基上的应用则十分谨慎。德国铁路自1 9 7 2 年开始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、铺设了无碴 轨道。以后经过多处多年的工程试铺及运营检验，不断完善优化，已基本 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 掌握了在土质路基上铺设无碴轨道的成套技术，从2 0 世纪9 0 年代中叶， 开始较大规模地在土质路基上铺设无碴轨道【5 3 1 。 在我国，客运专线无碴轨道的建设才刚刚起步，对土质路基上的无碴 轨道研究与实践尚处于空白阶段。目前我国在借鉴国外先进技术和成熟经 验基础上，正在开展土质路基上双块式无碴轨道设计、施工技术和施工质 量检测等方面的成套技术的攻关。 表2 1 无碴轨道与有碴轨道结构组成对比【5 3 】 有碴轨道 无碴轨道 钢轨；扣件；轨枕；道碴。钢轨；扣件；预制的轨枕轨道 板或现浇混凝土结构；混凝土 上部结构 道床板或沥青基础；隔离层底 座或水硬性材料层。 桥梁或隧道刚性基础；或为上部非桥梁或隧道刚性基础；或为上 水硬性材料承载层：防水层防冻部非水硬性材料承载层：防水 下部结构层，下部非水硬性材料承载层：强层防冻层，下部非水硬性材料 化的路堤或路堑工程地基。承载层：强化的路堤或路堑工 程地基 无碴轨道作为一种轨道结构形式，需要保持轨道结构支承列车运行、 传递列车荷载的基本功能。如表2 1 所示，无碴轨道分为上部结构和下部结 构两部分：上部结构由钢轨、扣件、预制结构或混凝土沥青道床板以及底 座支撑层等组成，即常说的轨道结构，其中钢轨、扣件和预制结构组合结 构称为轨排，而道床板、支撑层底座称为上部结构；下部结构包括桥梁、 隧道和路基，即常说的基础工程。 无碴轨道结构相对于有碴轨道结构的优点是： 轨道稳定性好，几何形位能持久保持，线路养护维修工作量显著减 少； 长波不平顺性好，轨道弹性均衡稳定，可提高乘坐舒适度； 耐久性好，轨道使用寿命长( 6 0 年以上) ； 横向阻力提高( 有碴轨道为1 2k n 枕，无碴轨道为2 5k n 枕) ，可获 得高运营安全性； 结构高度低，自重轻，可降低隧道净空，减少桥梁二期恒载： 寿命周期成本低； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 由于少维修，提高了线路使用率，减少了对运输的干扰，从而减少 事故隐患； 道床整洁美观，无道碴飞散带来的一系列问题。 无碴轨道结构类型比较多，其主要区别在于： 支承扣件方式是有轨枕还是无轨枕； 支承轨枕方式是埋入到道床板中、支承在道床板上还是嵌入到道床 板中； 道床板材料是混凝土还是沥青； 道床板制作方式是预制还是现浇。 根据以上区别，可将无碴轨道分为两大类共5 种主要结构形式，见图 2 7 1 5 3 1 2 2 2 板式无碴轨道 图2 7 无碴轨道分类 板式轨道结构因具有强度高、稳定性好、轨道几何尺寸保持长久、维修 工作量少、耐久性好、残余变形积累小，缩短“天窗”时间，桥梁二期恒载 小，可降低隧道净空减少开挖面积，综合经济效益高等优点，在国外高速铁 路上获得了越来越广泛的应用，其铺设范围已从桥梁、隧道发展到土质路基 和道岔区。板式轨道结构的大量铺设已成为世界各国高速铁路的发展趋势。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 图2 8 板式无碴轨道结构 凝土层 秦沈客运专线狗河特大桥和双河特大桥采用的板式无碴轨道是我国铁 路迄今技术层次最高、最具有创新意义的轨道结构形式之一。板式无碴轨道 是由预制轨道板、乳化沥青水泥砂浆垫层以及混凝土基础底座( 含凸型挡台) 和钢轨、扣件组成，如图2 8 所示。下面以秦沈客运专线所使用板式无碴轨 道为例对无碴轨道结构作全面的介绍啪3 。 ( 1 ) 轨道结构的组成及主要技术标准 钢轨采用6 0 k g m 非淬火、焊接长钢轨；桥上采用预制轨道板、乳化沥青 水泥砂浆垫层及混凝土基础底座；过渡段路基部分采用有碴轨道，道碴为一 级碎石道碴：钢轨扣件：桥上无碴轨道采用小阻力弹性扣件( i i 型弹条) ，过 渡段路基上采用i 型弹条扣件；轨道刚度：桥上为4 0 6 0 k n i i l m ，路基为5 0 一- - 8 0 k n 咖；全线采用一次性铺设跨区间无缝线路。 ( 2 ) 轨道板的结构特点 轨道板采用部分预应力混凝土结构。从理论上来说，轨道板在冲击荷 载作用下吸收更多的能量，此结构节省钢材；配筋对称截面中心。由于轨 道板的厚度与长度和宽度相比较薄，比例分别为1 2 6 和1 1 2 左右，为防止 制造时引起的轨道翘曲，设计时将钢筋按对称布置，保证预应力钢筋的偏心 距为零：轨道在最大设计活荷载作用下，轨道板边缘混凝土不允许出现 裂缝，但结构允许出现有不大于0 7 ( 为混凝土抗拉设计强度) 有限拉应 力；施工工艺采用后张、有粘结：对于轨道板，需要双向预应力配置， 参照国外有关轨道板制造经验，预应力施工工艺宜采用后张法；根据使用要 求，特别设计了一套适用于轨道板结构的锚具，方便施工：采用后张施工工 艺，张拉完成后，进行孔道压浆，这样可以使预应力筋与混凝土很好地粘结。 另外轨道板内部采用双层钢筋网络结构，详细部分在后续章节再详细说 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 明。 ( 3 ) 轨道板外型尺寸 针对秦沈客运专线2 4m 和3 2m 不同梁长，按标准5 m ，实长4 9 3 0 m ( 简称a 型板) ，板上的扣件节点间距按l6 0 0 根i ( 1 1 1 布设。梁端部则采用凑零轨道板， 板上的扣件节点间距依结构计算确定。这时每孑l 2 4 m 梁跨上设为5 块轨道板单 元，中间为标准a 型板，两端设为b 型板( 长为4 7 6 5 m ) ；3 2 m 梁跨上为7 块轨道 板单元，中间为标准a 型板，两端则为d 型板( 长为3 7 6 5 m ) 。轨道板的宽度 均为2 4 m ，厚为0 1 9 m ；考虑轨道板吊装、运输、铺设要求，轨道板还设有 定位螺母和起吊螺母等装置。 ( 4 ) 混凝土基础底座及凸型挡台结构 为了给轨道板承托出一个比较平整的平台，在桥梁的轨道范围内设置混 凝土底座，用来承受轨道板施加的轨道荷载。采用c 4 0 混凝土结构，宽度为 2 8 8 m 。厚度为2 0 c m ( 埋入横向排水管时为2 5 c m ) 。基础底座与桥梁系二次 浇筑，为使其联成一整体。在梁跨施工时，预先在梁体内预埋了底座与桥梁 的联台钢筋。考虑到防止底座开裂，在每个跨梁上划分若干个底座，底座之 间设置2 a m 的伸缩缝，用沥青板填充，底座在梁端处与端部平齐。 凸型挡台是设置在基础底座上，并与底座联成一体的圆柱形或半圆柱形 结构物( 半径为2 5 c m ，高为2 5 c m ) 。作用在凸型挡台上的外力分为轨道纵向力 和轨道横向力，轨道纵向力包括钢轨温度伸缩力、轨道板温度伸缩力以及轨 道板产生的纵向摩擦力，凸型挡台设计的外荷载为2 5 6 k n i l l 。在凸型挡台 结构设计中按钢筋混凝土结构考虑，由p 1 2 m m 钢筋组成网笼，与基础底座内 的钢筋相联，混凝土等级与基础底座同为c 4 0 。 ( 5 ) 乳化沥青水泥砂浆( c a 砂浆) 由于板式无碴轨道的底座在施工时，精度不易控制，难以满足轨道平顺 性的要求，同时，为了增加弹性以缓冲列车振动，所以，在大板与底座之间 设置一层5 0 m m 左右的c a 砂浆。c a 砂浆是择取普通水泥砂浆压缩强度和耐久性 好的优点与沥青砂浆弹性和粘性好的优点结合起来的一种粘弹性材料。其允 许压缩强度为1 8 2 5 m p a ，弹性模量为2 0 0 - - 6 0 0 m p a 。日本铁路在这方面 取得了成功的经验并开发了适应各种气候条件和施工条件的品种，以供选 用。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 6 页 图2 9 扣件 ( 6 ) 扣件 秦沈客运专线为一次性铺设跨区间无缝线路，跨区间无缝线路不同于 一般的有缝线路，在轨道结构设计中存在一定的特殊性。桥上无缝线路， 其钢轨除受作用力外，还受桥梁因温度变化引起的伸缩、车辆运行下桥梁 的挠曲等因素引起的钢轨附加力的作用，因此桥上板式无碴轨道对钢轨扣 件提出要满足减少梁轨相互作用力，同时又要满足无缝线路的正常运营条 件。通过桥上无缝线路设计计算，提出了桥上板式轨道钢轨扣件的纵向阻 力值为7 0k n m 。板式无碴轨道钢轨扣件见图2 9 ，扣压件使用目前提速 线路上大量通用的i i 型弹条，通过螺母扭矩和轨下复合垫板实现线路纵向 小阻力，铁垫板的锚固结构采用预埋塑料套管。 2 2 3 长枕埋入式无碴轨道 我国首次于2 0 0 1 年在秦沈客运专线沙河特大桥上和2 0 0 3 年在渝怀线 鱼嘴二号隧道内成功辅助了长枕埋入式无碴轨道，其跪下基础是采用自主 研发的轨排支撑架施工方法临引。 长枕埋入式无碴轨道主要由整体式穿孔砼枕和砼道床组成。图2 1 0 、 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 2 - 11 分别为我国辅设于高架桥上和隧道内的长枕埋入式无碴轨道。它是由 6 0 k g m 钢轨、w j 一2 型扣件、w c k 型轨枕、砼道床板、隔离层( 或弹性垫层) 及砼底座等部分组成。 弹竺ki 穿孔砼枕 填充砼 t 飞1 一暑r 一丁一。彩 槽型道床板 熊 隔离层 砼底座 图2 1o 桥上长枕埋入式无碴轨道 图2 1 1 隧道内长枕埋入式无碴轨道 它的设计结构特点主要有：( 1 ) 结构耐久、可靠，具有稳定的轨道几 何状态保持能力：( 2 ) 制造、施工简单；( 3 ) 初期投资相对较小； ( 4 ) 现场混凝土施工量大；( 5 ) 修复难度较大。 2 2 4 双块式无碴轨道 双块式无碴轨道是国内外高速客运专线应用范围最广泛的无碴轨道结 构形式之一，到目前为止，德国、荷兰、西班牙、韩国、国内武广客运专 线、郑武客运专线、甬温、温福、宜万等其使用范围广泛，路基上、桥上、 隧道内都可以使用，除了在德国成规模地应用外，在世界其它国家和地区 也得到认同并使用。我国目前客运专线无碴轨道也将其作为主要形式广泛 地应用1 4 3 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 双块式无碴轨道由钢轨、高弹性扣件、双块式轨枕、现浇混凝土板和 下部支撑体系( 水硬性混凝土支承层或底座) 组成。双块式轨枕由工厂预制生 产，然后运到现场铺设。从目前我国遂渝线无碴轨道综合试验段上双块枕 的铺设情况来看，我国双块枕在设计、生产、运输、铺设等过程中必须要 注意和解决以下几个问题：( 1 ) 双块枕易脱模、同时防止双块枕在脱模过程中 产生裂纹；( 2 ) 混凝土轨枕块与桁架钢筋的连接紧固，桁架具有较高的抗弯扭 刚度，保证双块枕具有较强的形位保持能力；( 3 ) 防止和减少双块枕与混凝土 道床浇注后裂纹的发展。 路基上双块式无碴轨道，由钢轨、扣件、双块式轨枕道床板以及水硬 性支承层等组成。 ( 1 ) 双块式轨枕 双块式轨枕由2 个轨枕块和2 组钢桁架组成其结构见图2 1 3 。钢桁架 的上下端横向钢筋直径为2 0m n l ，横向钢筋间的连接钢筋直径为1 2m m 。 混凝土块用c 6 0 混凝土，与钢桁架在工厂浇筑在一起，组成双块式轨枕。 ( 2 ) 道床板 7 道床板宽28 0 0i l l r n ，厚3 0 0n l i l l ，用c 4 0 混凝土现场浇筑而成。道床板的 配筋应根据结构计算确定，道床板配筋采用双层配筋，上下层纵横向钢筋均 为2 0m m 的i i 级钢筋。下层纵向钢筋1 8 根，间距1 5c m ，横向钢筋间距为2 0 c r n ；上层纵向钢筋4 根，从钢筋桁架间穿过，横向钢筋为2 根，枕间1 根。 ( 3 ) 水硬性支承层 水硬性支承层用水硬性材料直接在路基面上填筑，宽3 4 0c m 、厚3 0c m ， 其弹性模量为50 0 0 100 0 0 m p a 。 2 2 5 从电气角度分析无碴轨道存在的问题 无碴轨道电气问题是秦沈客运专线无碴轨道试验段发现的一个重大问 题，由于无碴轨道钢筋网与谐振式轨道电路存在电磁感应，使试验段板式 无碴轨道电路传输长度仅达到7 0 0m 2 d ，长枕埋入式无碴轨道电路传输长 度仅达到9 0 0m 2 d ，与秦沈客运专线暂定的1 2 0 0m 、法国的2 0 0 0 一- 2 5 0 0m 、 韩国的1 5 0 0i l l 存在很大差距。本论文的重点就是通过理论分析来寻求改善 轨道电路传输长度的解决办法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 2 3 本章小结 本章主要对无绝缘轨道电路和无碴轨道进行了介绍，并对无碴轨道中存 在的电气问题作了简要说明。无绝缘轨道电路机械部分包括两根钢轨、两个 限定区段的绝缘节、发送器、接收器及补偿电容，其电气构成包括发送和接 收端的绝缘节、电阻、电感和电容。无碴轨道由于取消了碎石道碴道床，轨 道保持几何状态的能力提高，轨道稳定性相应增强，维修工作量减少，成为 高速铁路的发展方向。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 第3 章无碴轨道对无绝缘轨道电路的影响 3 1 无碴轨道对无绝缘轨道电路的影响机理 如图3 1 所示，当钢轨流过信号电流时，钢轨周围会产生磁通，无碴轨 道结构中的横向和纵向的钢筋相互交叉、接触