動(dòng)車(chē)組車(chē)載信號(hào)設(shè)備布局的影響因素分析

段麗娜

(呼和浩特市機(jī)械工程職業(yè)技術(shù)學(xué)校，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

1 動(dòng)車(chē)組信號(hào)設(shè)備概述

高速鐵路是我國(guó)鐵路客運(yùn)的新型運(yùn)輸方式，在世界范圍內(nèi)領(lǐng)先于其他國(guó)家，呈速度化發(fā)展趨勢(shì)。作為現(xiàn)代交通運(yùn)輸?shù)闹匾獦?biāo)志，高鐵對(duì)速度的要求逐漸提升，保證行車(chē)安全不能僅靠地面設(shè)備，這對(duì)車(chē)載信號(hào)設(shè)備提出更高要求，滿(mǎn)足使用車(chē)載信號(hào)設(shè)備為主要的列車(chē)運(yùn)行方式，并達(dá)到動(dòng)車(chē)組運(yùn)行要求。目前主要使用的是列車(chē)超速防護(hù)系統(tǒng)ATP，它具有安全、可靠、技術(shù)于一體的智能設(shè)備。

2 動(dòng)車(chē)組信號(hào)設(shè)備的分類(lèi)

ATP系統(tǒng)包括地面和車(chē)載設(shè)備兩部分構(gòu)成。①地面設(shè)備主要通過(guò)軌道電路、應(yīng)答器接收運(yùn)行前方軌道區(qū)段有關(guān)運(yùn)行坡度、曲線(xiàn)、隧道等線(xiàn)路的相關(guān)參數(shù)信息，確定列車(chē)運(yùn)行位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)車(chē)組實(shí)時(shí)速度的監(jiān)測(cè)和運(yùn)行中固定信息的采集、存儲(chǔ)并發(fā)送。②車(chē)載設(shè)備主要是在司機(jī)室及車(chē)底。為了準(zhǔn)確及時(shí)地接收地面信號(hào)，動(dòng)車(chē)組信號(hào)接收天線(xiàn)(主要包括BTM天線(xiàn)、TCR天線(xiàn)、速度傳感器及連接電纜等)全部安裝于車(chē)體下方，這就對(duì)車(chē)體設(shè)計(jì)帶來(lái)了困難，要防止運(yùn)行阻力、特殊天氣、惡劣運(yùn)行環(huán)境、電磁輻射干擾等原因?qū)?chē)底信號(hào)設(shè)備的影響，這就要求設(shè)計(jì)時(shí)增加必要的防護(hù)措施，達(dá)到列車(chē)運(yùn)行安全的目的。

3 動(dòng)車(chē)組車(chē)載信號(hào)設(shè)備布局的影響因素

3.1 動(dòng)車(chē)組運(yùn)行阻力的影響

在車(chē)組運(yùn)行時(shí)具有阻礙作用，且不可操控的外力稱(chēng)作列車(chē)阻力。

列車(chē)的阻力主要包括兩部分，即基本阻力和附加阻力?；咀枇χ饕熊?chē)體零部件間的運(yùn)動(dòng)阻力、運(yùn)行時(shí)的空氣阻力，以及軌道與輪對(duì)之間的摩擦阻力和沖擊阻力。附加阻力包括坡道附加阻力、曲線(xiàn)附加阻力和隧道附加阻力三部分。

3.1.1 基本阻力

在運(yùn)行過(guò)程時(shí)，動(dòng)車(chē)組形成基本阻力，包括列車(chē)零部件之間、車(chē)體表面與流動(dòng)空氣之間及軌道與輪對(duì)之間的摩擦和沖擊?；咀枇景ㄒ韵?種形式：①由軸承摩擦產(chǎn)生的運(yùn)行阻力；②車(chē)輪在鋼軌上滾動(dòng)所產(chǎn)生的運(yùn)行阻力；③運(yùn)行的輪對(duì)在軌道上摩擦形成的運(yùn)行阻力；④沖擊和震動(dòng)產(chǎn)生的運(yùn)行阻力；⑤空氣阻力。

根據(jù)動(dòng)力學(xué)在動(dòng)車(chē)車(chē)輛的應(yīng)用，列車(chē)運(yùn)行時(shí)所形成的空氣阻力與動(dòng)車(chē)車(chē)體的流線(xiàn)型程度、表面光滑度以及車(chē)體長(zhǎng)度有關(guān)。

空氣阻力的計(jì)算公式為：

Wa=CxFρv2/2

(1)

式中：Wa——空氣阻力(N)；Cx——空氣阻力系數(shù)；F——列車(chē)迎風(fēng)面的截面積(m2)；ρ——空氣密度(kg/m2)；v——列車(chē)相對(duì)風(fēng)的速度(m/s)。

其中空氣阻力系數(shù)Cx與每——輛機(jī)車(chē)的空氣阻力系數(shù)有關(guān)。機(jī)車(chē)包括首車(chē)、尾車(chē)及首車(chē)和尾車(chē)之外的其他車(chē)組。它們的關(guān)系如下：

Cx=Cx1+Cx2+Cx3

(2)

式中：Cx——空氣阻力系數(shù)；

Cx1——首車(chē)空氣阻力系數(shù)；

Cx2——尾車(chē)空氣阻力系數(shù)；

Cx3——同車(chē)組其他列車(chē)的空氣阻力系數(shù)。

由式1可以認(rèn)為，空氣阻力與列車(chē)運(yùn)行速度的平方成正比。當(dāng)列車(chē)低速運(yùn)行時(shí)(v<200 km/h)，空氣阻力占據(jù)較少小比例。當(dāng)列車(chē)高速行駛時(shí)(v>200 km/h)，基本阻力主要是空氣阻力。實(shí)際運(yùn)行中由于理論數(shù)據(jù)不足，難于計(jì)算空氣阻力系數(shù)的大小，可經(jīng)過(guò)數(shù)次對(duì)實(shí)際的列車(chē)編組和線(xiàn)路運(yùn)行條件進(jìn)行測(cè)試測(cè)得。

如果基于理論分析，空氣阻力只是一種對(duì)車(chē)組運(yùn)行有阻礙作用的基本阻力，分析時(shí)可將空氣阻力看作是與車(chē)組運(yùn)行方向相反的作用力?，F(xiàn)實(shí)條件下，空氣阻力和列車(chē)運(yùn)行方向不在一條直線(xiàn)上，空氣阻力對(duì)列車(chē)運(yùn)行產(chǎn)生側(cè)向力，行駛的列車(chē)在側(cè)向力的影響下形成側(cè)向力矩。因此，改善側(cè)向力對(duì)動(dòng)車(chē)組的影響，可有效地達(dá)到列車(chē)運(yùn)行安全的要求。實(shí)際情況下，速度須考慮風(fēng)速的作用，列車(chē)在不同風(fēng)速下的運(yùn)行速度，見(jiàn)表1。

表1 列車(chē)在不同風(fēng)速下的運(yùn)行速度

從以上的數(shù)據(jù)可以看出，列車(chē)的基本阻力有多種形式，而且部分形式不是定值，不能采用公式得出。所以，通過(guò)一系列真實(shí)車(chē)組的牽引試驗(yàn)得出基本阻力的近似值，來(lái)表征列車(chē)基本阻力的大小。

列車(chē)單位重量基本阻力的計(jì)算公式為：

w0=a+bv+cv2

(3)

式中：w0——列車(chē)單位基本阻力；v——列車(chē)運(yùn)行速度；a，b，c——與車(chē)輛類(lèi)型有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

3.1.2 附加阻力

動(dòng)車(chē)組的附加阻力幾乎不受動(dòng)車(chē)組車(chē)輛影響，而是與坡道、曲線(xiàn)、隧道等線(xiàn)路行駛參數(shù)有直接關(guān)系。由這些形式產(chǎn)生的阻力分別稱(chēng)作坡道附加阻力、曲線(xiàn)附加阻力和隧道附加阻力。

3.1.2.1 坡道附加阻力。坡道阻力是在坡道上，列車(chē)運(yùn)行時(shí)的重力沿下坡道方向的分力。坡道附加阻力(Wi)為：

Wi=Mgsinθ

(4)

式中：Wi——坡道附加阻力(kN)；M——列車(chē)質(zhì)量(t)；g——重力加速度(m/s2)；θ——坡道夾角。

在實(shí)際情況下，sinθ很難計(jì)算，而在工程設(shè)計(jì)時(shí)可確定sinθ的大小。在真實(shí)運(yùn)行條件中，坡道夾角θ一般不高于30‰，因此tanθ≈sinθ?！读熊?chē)牽引計(jì)算規(guī)程》中要求坡道的坡度采用千分?jǐn)?shù)表示，其大小是坡道高度差和坡道水平長(zhǎng)度的比值，結(jié)果保留兩位小數(shù)。

我們?cè)跔恳?jì)算時(shí)，經(jīng)常需要計(jì)算單位重量坡道阻力(Wi)的大小，它可以通過(guò)式(5)得到：

(5)

式中，Wi——單位重量坡道附加阻力(N/kN)。

從上式得出，能使用坡道的坡度千分?jǐn)?shù)值近似地看作單位重量坡道附加阻力的大小。

3.1.2.2 曲線(xiàn)附加阻力。 曲線(xiàn)附加阻力(簡(jiǎn)稱(chēng)“曲線(xiàn)阻力”)是指由于相同情況下，列車(chē)在曲線(xiàn)行駛時(shí)的阻力超出直線(xiàn)行駛時(shí)的那部分阻力。曲線(xiàn)阻力產(chǎn)生其主要原因包括輪對(duì)上縱橫雙向之間滑動(dòng)、輪緣和軌道內(nèi)側(cè)的接觸增大、轉(zhuǎn)向架轉(zhuǎn)向與側(cè)向力的影響以及上下心盤(pán)等部件接觸增大。

由于導(dǎo)致原因較多，很難確定曲線(xiàn)阻力的大小，因此《列車(chē)牽引計(jì)算規(guī)程》里要求，車(chē)組運(yùn)行在標(biāo)準(zhǔn)軌距的圓曲線(xiàn)上，其單位重量曲線(xiàn)附加阻力計(jì)算公式為：

(6)

式中：wr——單位曲線(xiàn)附加阻力；R——曲線(xiàn)半徑(m)。

3.1.2.3 隧道附加阻力。隧道附加阻力(簡(jiǎn)稱(chēng)“隧道阻力”)表示運(yùn)行的動(dòng)車(chē)組在隧道中空氣阻力超出空曠地區(qū)空氣阻力的部分。隧道阻力的影響因素包括隧道長(zhǎng)度、隧道截面積、列車(chē)截面積以及列車(chē)外形。目前，隧道阻力的大小還沒(méi)有明確，正常通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式以及證明測(cè)試得出，單位重量隧道附加阻力的計(jì)算公式為：

ws=0.000 13·Ls(N/kN)

(7)

式中：Ls——隧道長(zhǎng)度(m)；vs——列車(chē)在隧道內(nèi)的運(yùn)行速度(km/h)。

3.1.2.4 加算附加阻力。 根據(jù)上述得出，線(xiàn)路運(yùn)行條件改變，導(dǎo)致車(chē)組運(yùn)行附加阻力的大小的變化。附加阻力的形式包括坡道附加阻力、曲線(xiàn)附加阻力和隧道附加空氣阻力。這些附加阻力建立在不同的線(xiàn)路參數(shù)上可獨(dú)立出現(xiàn)，或采用更多形式共存。目前我們將所有關(guān)于線(xiàn)路運(yùn)行參數(shù)變化造成的單位重量附加阻力之和通過(guò)單位加算附加阻力Wj計(jì)算，即：

wj=wi+wr+ws(N/kN)

(8)

3.1.2.5 其他附加阻力。 除此之外，還有部分阻力源于氣候條件的改變，比如刮風(fēng)或極寒氣候?；咀枇Φ挠?jì)算公式是通過(guò)試驗(yàn)并滿(mǎn)足特定的氣候條件下驗(yàn)證的。

3.2 電磁輻射與信號(hào)干擾的影響

①動(dòng)車(chē)組車(chē)底信號(hào)設(shè)備較多，間隔距離小，大部分以無(wú)線(xiàn)通信為主，易造成干擾，電磁環(huán)境較為復(fù)雜；②動(dòng)車(chē)組其動(dòng)力來(lái)源為高壓接觸網(wǎng)，所以能夠形成較大的電磁輻射。對(duì)于通過(guò)電磁波實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信的車(chē)載-地面通信，不能免除受到所形成電磁輻射的危害，尤其是升、降受電弓和過(guò)分相區(qū)過(guò)程中，瞬間高壓導(dǎo)致的浪涌脈沖，會(huì)帶來(lái)危害更嚴(yán)重的電磁輻射。這就對(duì)地面設(shè)備和車(chē)載信號(hào)設(shè)備的電磁兼容性提出更高的目標(biāo)，不僅能實(shí)現(xiàn)正常通信，還能減少接觸網(wǎng)對(duì)車(chē)載-地面通信造成的電磁輻射干擾。所以，電磁兼容與信號(hào)抗干擾是實(shí)現(xiàn)列車(chē)行車(chē)穩(wěn)定的重要原因。

3.3 特殊天氣的影響

正常情況下，良好天氣對(duì)行車(chē)沒(méi)有太大影響，而較為特殊的天氣條件下，比如低溫、冰雪天氣，使車(chē)底信號(hào)設(shè)備易造成危害，極大影響列車(chē)運(yùn)行安全。由于軌面有冰，降低車(chē)輪對(duì)黏著系數(shù)易發(fā)生打滑，會(huì)導(dǎo)致測(cè)速測(cè)距的準(zhǔn)確性降低；車(chē)底部分信號(hào)設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間暴露在溫度較低和冰雪環(huán)境中更加脆弱，在異物作用時(shí)容易引發(fā)損壞；車(chē)下測(cè)速雷達(dá)表面結(jié)冰會(huì)降低測(cè)速測(cè)距的精準(zhǔn)度，甚至出現(xiàn)測(cè)速測(cè)距不正常等情況。

3.4 惡劣環(huán)境的影響

車(chē)載信號(hào)設(shè)備的車(chē)底部分工作環(huán)境相當(dāng)惡劣，完全暴露在較為開(kāi)放的空間中，列車(chē)高速運(yùn)行時(shí)，很容易受到地面帶起的異物撞擊，而且高速氣流對(duì)連接電纜具有破壞性，造成車(chē)底信號(hào)設(shè)備無(wú)法正常工作，甚至損壞，嚴(yán)重影響列車(chē)運(yùn)行安全。

4 防護(hù)措施

在設(shè)計(jì)車(chē)體時(shí)，車(chē)體底部的形狀對(duì)空氣阻力影響很大，而車(chē)載信號(hào)設(shè)備的車(chē)底部分為了更好地接收地面設(shè)備發(fā)送的信號(hào)，必須降低空氣阻力對(duì)其影響，所以使用和車(chē)身橫斷面形狀相匹配的裙板遮擋車(chē)底設(shè)備，同時(shí)也可預(yù)防列車(chē)在極快的車(chē)速行駛時(shí)帶起的異物撞擊車(chē)底設(shè)備。還可以增加底部倒流板，使車(chē)底氣流形成“死水”區(qū)，有效減少了車(chē)輛部件的表面摩擦阻力和前后壓差阻力。

為了減少浪涌電壓和干擾信號(hào)對(duì)車(chē)底信號(hào)設(shè)備的影響，可通過(guò)加裝浪涌保護(hù)裝置，抑制動(dòng)車(chē)組在升、降受電弓和過(guò)分相頭時(shí)車(chē)頭車(chē)體和轉(zhuǎn)向架之間的高壓瞬變浪涌；加裝線(xiàn)路濾波器消除無(wú)線(xiàn)干擾；加裝光電隔離盒等。

針對(duì)特殊天氣，可臨時(shí)進(jìn)行應(yīng)急處理，比如為了減少結(jié)冰，在測(cè)速雷達(dá)表面進(jìn)行打蠟，及時(shí)安排人員對(duì)車(chē)底設(shè)備除冰，對(duì)連接電纜等重要部位加強(qiáng)防水處理等。

對(duì)于惡劣行車(chē)環(huán)境，可以通過(guò)安裝防護(hù)板、橡膠皮套等裝備改善設(shè)備防護(hù)條件，增強(qiáng)對(duì)設(shè)備的保護(hù)作用；其次，要加固車(chē)底設(shè)備，主要是車(chē)底連接電纜的緊固及其他信號(hào)設(shè)備固定螺母的防松防脫的預(yù)防。在日常維護(hù)時(shí)，進(jìn)行關(guān)鍵部位的檢查，找到問(wèn)題及時(shí)報(bào)告、及時(shí)處理。

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者以動(dòng)車(chē)組車(chē)載信號(hào)設(shè)備布局的影響因素進(jìn)行分析，表明車(chē)載信號(hào)設(shè)備對(duì)于列車(chē)運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用。車(chē)體設(shè)計(jì)布局時(shí)，要充分考慮車(chē)載信號(hào)設(shè)備的放置位置，主要位于機(jī)車(chē)內(nèi)部，但部分信號(hào)設(shè)備必須放置在車(chē)底，為了更好地與地面設(shè)備發(fā)送和接收信號(hào)。為防止車(chē)底空氣阻力、電磁輻射及干擾、特殊天氣及惡劣環(huán)境的影響，做出有效的防護(hù)措施是十分必要的。