【《无砟轨道电路钢轨阻抗研究的国内外文献综述》4500字】

无砟轨道电路钢轨阻抗研究的国内外文献综述1.1无砟轨道为满足高速铁路建设需求，解决无砟轨道与无绝缘轨道电路适应性问题，以及改进无砟轨道结构用以充分满足高速列车动力学要求，世界各国对无砟轨道技术做了大量研究[17]。西方国家最早在二十世纪六十年代才开始对于无砟轨道技术的深入研究，德国和日本在本国的铁路建设中大量的使用了无砟轨道技术，其中诞生出德国的雷达轨道以及博格轨道，与此同时，日本也研发了板式无砟轨道[18,19]。我国通过引进国外先进无砟轨道技术，研发出了适合我国铁路系统的无砟轨道。在轨道电路方面，原有的轨道电路是基于有砟轨道结构设计的，而无砟轨道结构的应用会影响原有轨道电路的传输长度。轨道电路传输距离的长短与轨道电路一次参数中钢轨阻抗的大小相关，由于无砟轨道中钢筋网的存在，将会导致钢轨阻抗中电阻的增大和电感的减小，致使钢轨阻抗发生变化，影响轨道电路传输性能。针对以上无砟轨道和无绝缘轨道电路在高速铁路建设应用中存在的问题，世界上高速铁路技术发达国家进行了大量研究，以保证高速列车安全可靠的运行。在德国高速铁路线路中，大量应用无砟轨道代替以往的有砟轨道，以满足高速列车平稳运行。而在德国高速铁路信号系统中，由于轨道电路传输控车信息时频率较低，数据传输速率无法匹配高速列车的运行需求。因此，直接设计了LZB连续式列车速度控制系统，该系统主要有列控车载设备、列控中心及车-地双向信息传输设备组成，而在车-地双向信息传输中，采用铺设电缆传递控车信息以替代轨道电路，因此，在德国高速铁路建设中无需考虑无砟轨道和无绝缘轨道电路相适应的问题[20,21]。但为满足高速列车运行的动力学需求，在无砟轨道结构方面，德国研发出各种类型的无砟轨道，主要包括Rheada（雷达）、Bogl（博格）、Züblin（旭普林）、BTD和ATD等，其中，当高速列车速度超过300km/h时，主要采用Rheada、Bogl、Züblin这三种无砟轨道。在法国高速铁路线路中，有砟轨道应用较多，无砟轨道仅用于局部隧道线路中。而在轨道电路方面，法国研发出UM71型轨道电路，其工作原理与我国研发的ZPW-2000系列轨道电路类似，由于在高速铁路线路中，路基部分和桥梁部分大都采用有砟轨道结构形式，避免了无砟轨道影响轨道电路电路传输距离的问题。但在局部隧道中铺设了无砟轨道，如法国英吉利海峡隧道，使轨道电路传输长度缩短至800m，无法满足原有的传输距离[22]。为此，法国研究了降低无砟轨道对无绝缘轨道电路影响各种实际措施，主要措施有无砟轨道板中横纵向钢筋网之间绝缘、加大上层钢筋网与钢轨之间的距离，并在TGV地中海线路中进行了大量实验，结果表明以上措施有效的改善了无绝缘轨道电路传输距离问题。日本作为世界上首个建设高速铁路的国家，于二十世纪六十年代初建成新干线。在新干线线路中，轨道结构主要采用了无砟轨道结构形式，而在轨道电路方面，当时采用了有绝缘轨道电路，即采用机械绝缘方式。随着列车运行控制系统的发展，在20世纪90年代后，逐渐将数字ATC系统引入到列车运行控制系统，在数字ATC系统中，轨道电路采用无绝缘轨道电路，并采用较低频率传输控车信息，因此，无砟轨道对无绝缘轨道电路影响较小[23]。我国对于无砟轨道的研究上最早可追溯到上个世纪三十年代，在东北老松岭隧道铺设了整体道床，而随着当时国家对于推动中国铁路发展的决心以及铁路运输的需求，在1957年唐山铁道学院和中国铁道科学研究院开始研究新的轨道结构，并在铁路线路中进行了试铺。尤其在20世纪末，由于我国列车提速改造及高速铁路建设需求，无砟轨道的发展进入快速发展时期，并成功研发出CRTS系列无砟轨道技术。同时，为满足列车运行需求，我国研发了ZPW-2000系列轨道电路，该类型轨道电路绝缘方式采用电气隔离方式，避免了有绝缘轨道电路中的薄弱环节[24,25]。在我国高速铁路线路建设中，大量采用了无砟轨道和无绝缘轨道电路，但也致使无砟轨道结构对无绝缘轨道传输距离产生影响，为此，国内相关研究单位展开了大量研究，提出各种改进措施，比如采用绝缘材料、绝缘涂层、绝缘套管等方式使无砟轨道板中横纵向钢筋网之间绝缘，电磁感应减弱，减少轨道线路损耗，并将以上改进措施在实际线路中进行了实验测试，试验结果表明，以上措施有效改善了无绝缘轨道电路的传输特性。1.2无砟轨道电路钢轨阻抗钢轨阻抗作为轨道电路一次参数之一，钢轨阻抗的大小直接影响轨道电路的传输特性。当列车运行时，钢轨中既传输轨道电路信号，又传输牵引电流回流，其中，轨道电路信号电流幅值为毫安级，频率为1700Hz~2600Hz。牵引电流为工频50Hz，幅值范围一般为几十安培至几百安培[26]。而在无砟轨道结构中，无砟轨道板中含有上下两层钢筋网，当钢轨中流经交流电流时，钢筋网与钢轨之间存在电磁感应，同时，由于钢轨是铁磁性材料，存在磁滞饱和效应以及集肤效应，以上因素均会导致钢轨阻抗的大小发生变化。为解决无砟轨道钢轨阻抗大小对轨道电路传输特性的影响，国内外学者对有砟轨道电路一次参数研究较多，而对无砟轨道及轨道电路钢轨阻抗的研究较少。在国外研究中，英国学者HillRJ等人在1991年至2000年之间，研究了有砟轨道轨道电路钢轨阻抗[27-31]。其中，考虑钢轨的铁磁特性和集肤效应，采用电磁场有限元法计算了钢轨内阻抗，并利用有限元法搭建了有砟轨道钢轨阻抗仿真计算模型，将有砟轨道钢轨阻抗计算结果同实测结果比较，发现电磁场有限元法可以准确的仿真计算钢轨阻抗，为后续钢轨阻抗的研究提供了基础。在1993年，英国学者CarpenterDC等人[32]基于电磁场有限元法，建立双线轨道线路仿真模型，求解计算了线路自身阻抗及其与相邻线路之间的互阻抗，分析了双线轨道线路电磁干扰问题。在2000年，Brillante等人[33]建立了有砟轨道钢轨阻抗道砟漏泄的计算模型，仿真分析了环境、电流频率、电流幅值等因素对轨道电路的影响，结果表明环境因素和电流激励对有砟轨道钢轨阻抗和道砟漏泄影响较大。在2004年，AndreaMariscotti等人[34]考虑集肤效应计算了钢轨的电阻和内电感，表明钢轨内阻抗对准确计算钢轨阻抗影响较大。在2009年，意大利学者Alberto等人[35]基于电磁场理论建立了钢轨内阻抗计算模型，并利用有限差分法和有限元法，分析了钢轨内阻抗随电流幅值、电流频率的变化规律，但由于计算时采用有效磁导率代替实际钢轨磁导率的变化，使计算结果同实测结果误差较大，计算精度较低。目前，国外对轨道电路一次参数中钢轨阻抗的计算，大多针对有砟轨道且仅求解了钢轨内阻抗，对于无砟轨道钢轨阻抗的研究较少。在国内研究中，中国铁道科学研究院在1994年首次提出采用三阻抗法实际测量轨道电路的一次参数[36]，但由于轨道电路所处环境比较复杂，直接测量时会存在一定的误差。在1998年，赵会兵学者[37]建立了轨道电路四端网络模型，分析了轨道电路一次参数的变化规律。在2005年，李宜生等人[38]在成都桥梁厂内搭建实验平台，验证了加大钢轨底部与上层钢筋网距离及采用横纵向钢筋之间绝缘等措施可以有效地减小无砟轨道对无绝缘轨道电路的影响。在2006年，西南交通大学学者阮阳等人[39]基于电磁场理论，将无砟轨道板中的钢筋网进行简化，建立了钢轨与钢筋网之间的电磁耦合模型，分析了钢筋网的存在对无砟轨道钢轨阻抗的影响。在2010年，田铭兴等人[40]建立了计算无砟轨道钢轨阻抗的等效电路，利用基尔霍夫电压和电流定律，定量分析了无砟轨道对轨道电路传输长度的影响。在2014年，朱冰等[41,42]建立了轨道电路三维电磁场仿真计算模型，计算了轨道电路钢轨阻抗和道砟漏泄，并仿真分析了大地、电流、频率等因素对轨道电路一次参数的影响。在2017年，张汉花等人[43,44]建立了无砟轨道三维电磁场仿真计算模型，并利用电磁场有限元法和PEEC法（partialelementequivalentcircuit,部分元件等效电路）及阻抗分解法简化了无砟轨道钢轨阻抗三维计算模型，依据是否考虑道床钢筋的影响将钢轨阻抗分解为两部分进行计算，并与实测数据对比验证了该方法的正确性。解决了直接利用无砟轨道钢轨阻抗三维模型计算钢轨阻抗时模型难以剖分及求解收敛困难问题，并分析了钢筋网数目、电流频率等因素对钢轨阻抗的影响，但计算时将钢轨等效为一般金属导体，忽略了钢轨材料对钢轨内阻抗的影响。在2017年和2018年，西南交通大学朱峰等人[45,46]考虑集肤效应，根据钢轨横截面积和周长，将钢轨等效为圆柱形导体，并基于圆柱形导体，推导得出了钢轨内阻抗和感抗的计算公式。在2018年，刘思然[47]考虑钢轨的频变特性，基于有限元法研究了钢轨内阻抗的变化规律。在2019年，彭涛等人[48]将钢轨等效为管状圆柱形导体，计算了钢轨的频变参数，未涉及无砟轨道钢轨阻抗的计算。在2020年，王东等人[49,50]建立了无砟轨道轨道电路一次参数三维计算模型，并基于建模原理，对三维模型进行了化简，仿真分析了无砟轨道结构对轨道电路一次参数的影响，并建立了钢轨内阻抗计算模型，利用修正Bessel函数计算了钢轨内阻抗，分析了内阻抗的影响因素，但未涉及无砟轨道钢轨阻抗的理论计算。综上所述，目前未曾涉及无砟轨道钢轨阻抗的理论计算，也未全面系统地分析无砟轨道钢轨阻抗的影响因素，为此，需要理论计算无砟轨道钢轨阻抗，并建立无砟轨道三维仿真模型，仿真分析无砟轨道钢轨阻抗的影响，从而为无砟轨道下轨道电路传输性能优化提供了理论依据和参考模型。参考文献赵向前.高铁与其他运输方式可替代性研究[D].大连:大连海事大学,2012:1-8.佚名.铁路发展步入黄金时代[J].世界轨道交通,2016,4(9):28-32.吕忠扬.我国高速铁路可持续性竞争优势研究[D].北京:北京交通大学,2015:1-10.高仕斌,卢涛,侯震宇等.无绝缘轨道电路对无碴轨道的适应性分析[A].中国铁道学会电气化委员会.中国铁道学会电气化委员会2006年学术会议论文集[C].中国铁道学会电气化委员会:中国铁道学会,2006:7.朱高明.国内外无砟轨道的研究与应用综述[J].铁道工程学报,2008,25(7):28-30.朱胜阳.高速铁路无砟轨道结构伤损行为及其对动态性能的影响[D].成都:西南交通大学,2015:5-8.井国庆.高速铁路有砟轨道道砟飞溅的研究与防治[J].铁道建筑,2009,5(2):97-98.何华武.无碴轨道技术[M].北京:中国铁道出版社,2005:12-30.杨荣山.轨道工程[M].北京:人民交通出版社,2013:58-66.沈东升.客运专线无砟轨道的技术应用与发展[J].中国铁路,2009,12(10):11-14.丁正庭.高速铁路列车超速防护系统对轨道电路信息和传输的要求[J].北方交通大学学报,2000,25(5):44-48.王梓丞.轨道电路传输模型与故障诊断方法研究[D].成都:西南交通大学,2019:1-15.李德垂,邹振民,朱其杰.UM-71型无绝缘轨道电路谐振单元及谐振区长度的试验分析[J].铁道学报,1990,9(4):80-84.刘正航.ZPW-2000A无绝缘轨道电路技术应用研究[D].济南:山东大学,2006:5-12.王海艳.电力牵引电流对25Hz相敏轨道电路信号电流的影响分析[J].河南科技,2013,12(8):95.郭凯永.无砟轨道传输模型及牵引电流干扰评估[D].北京:北京交通大学,2009:11-14.赵国堂.解决无碴轨道电路问题的技术途径[J].中国铁路,2004,25(12):14-16.赵志辉.高速铁路无砟轨道综合技术经济分析[J].铁道标准设计,2017,61(5):32-35.王继军,姚力,王梦.中国高速铁路无砟轨道的发展及应用[J].高速铁路技术,2020,11(4):33-35.吴汶麒,赵旭东.德国铁路LZB列车速度控制系统[J].铁道通信信号,1995,31(10):33-36.辛学忠.德国铁路无碴轨道技术分析及建议[J].铁道标准设计,2005,10(2):1-6.ChenXM.Developmentimp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