重載鐵路無砟軌道對ZPW-2000A軌道電路傳輸性能的影響

楊軼軒 謝文磊 馬 斌

(北京全路通信信號研究設(shè)計院集團有限公司，北京 100070)

重載鐵路無砟軌道對ZPW-2000A軌道電路傳輸性能的影響

楊軼軒 謝文磊 馬 斌

(北京全路通信信號研究設(shè)計院集團有限公司，北京 100070)

結(jié)合重載無砟軌道道床結(jié)構(gòu)對比分析、重載無砟軌道鋼軌參數(shù)測試、ZPW-2000A軌道電路傳輸計算等方法，對重載鐵路無砟軌道ZPW-2000A軌道電路傳輸性能進行分析，得出重載無砟軌道線路ZPW-2000A軌道電路極限傳輸長度。

重載；無砟軌道；ZPW-2000A軌道電路；傳輸性能分析

山西中南部鐵路通道總營業(yè)里程1 200 km，設(shè)計牽引質(zhì)量10 000 t、開行貨物列車軸重30 t，橫貫晉、豫、魯3省。這一鐵路通道是國家規(guī)劃的大能力運煤通道，是國家鐵路網(wǎng)中的一條重要運輸干線。對確保國家能源運輸安全，促進晉、豫、魯3省經(jīng)濟發(fā)展，促進鐵路沿線地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展具有十分重要的意義。為提高軌道穩(wěn)定性、預(yù)防道床平移、降低維修工作量，山西中南部鐵路通道長大隧道采用無砟軌道，本線的軌道電路采用ZPW-2000A制式。

1　無砟軌道對ZPW-2000A軌道電路的影響

無砟軌道的軌道板、微孔橡膠墊層、軌下膠墊、扣件、鋼軌等均為工廠預(yù)制件或標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，絕緣性能良好，通過長期的應(yīng)用觀察，道床電阻隨氣候變化較小，長期保持在3 Ω?km以上，使軌道電路系統(tǒng)傳輸電壓更為穩(wěn)定。

與有砟軌道相比，無砟軌道是以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)取代了由道砟鋪設(shè)的道床，當(dāng)鋼軌中通入交流移頻信號時，道床中鋼筋網(wǎng)通過電磁感應(yīng)作用，對鋼軌產(chǎn)生損耗和互感，阻礙鋼軌中的電流傳輸，相當(dāng)于在無鋼筋時的鋼軌阻抗基礎(chǔ)上產(chǎn)生了增量影響。使移頻軌道電路鋼軌傳輸一次參數(shù)（鋼軌電阻+鋼軌電感）發(fā)生了變化，影響了軌道電路的傳輸性能。

2　ZPW-2000A軌道電路在客專無砟軌道中應(yīng)用情況

ZPW-2000A制式軌道電路在我國鐵路信號系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，其傳輸性能在客運專線無砟軌道已得到充分驗證，傳輸長度等系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)均已明確。ZPW-2000A制式軌道電路性能指標(biāo)如下。

1） 調(diào)整狀態(tài)：在軌道電路傳輸最不利情況下，軌出電壓大于240 mV。

2） 分路狀態(tài)：在軌道電路傳輸最有利情況下，用標(biāo)準(zhǔn)分路電阻在鋼軌任意位置進行分路，軌出電壓不大于153 mV。

3） 機車信號狀態(tài)：在軌道電路傳輸最不利情況下，用標(biāo)準(zhǔn)分路電阻在軌道區(qū)段入口位置分路，機車信號電流1 700、2 000、2 300 Hz不小于500 mA，2 600 Hz不小于450 mA。

4） 軌道電路極限傳輸長度：是指軌道電路設(shè)備滿足調(diào)整狀態(tài)、分路狀態(tài)、機車信號狀態(tài)的最大區(qū)段長度。

軌道電路傳輸最不利情況是指軌道區(qū)段長度最長、道床電阻最小、鋼軌一次參數(shù)最差等不利于軌道電路信號傳輸?shù)那闆r；軌道電路傳輸最有利情況是指軌道區(qū)段長度最短、道床電阻最大、鋼軌一次參數(shù)最優(yōu)等有利于軌道電路信號傳輸?shù)那闆r。

根據(jù)相關(guān)設(shè)計規(guī)范，客運專線無砟隧道長度大于300 m時，ZPW-2000A軌道電路傳輸極限長度為600～800 m。

3　重載鐵路無砟軌道傳輸參數(shù)測試及差異性

3.1重載鐵路無砟軌道傳輸參數(shù)測試

通過軌道參數(shù)測試儀器測試重載鐵路無砟軌道的鋼軌傳輸一次參數(shù)，測試原理如圖1所示。

在測試起點輸入4種頻率音頻信號（1 700、2 000、2 300、2 600 Hz），測量其視入阻抗。在距測量起點左右2L處同時短路狀態(tài)下，分別距測量起點左右L（L=150 m）處同時開、短路視入阻抗，計算得出鋼軌一次參數(shù)。

重載鐵路的3種線路類型，最不利鋼軌參數(shù)測試結(jié)果如表1所示。

表1　最不利鋼軌參數(shù)測試結(jié)果

3.2重載鐵路無砟軌道參數(shù)與客運專線無砟軌道參數(shù)對比

客運專線無砟道床傳輸參數(shù)中，CRTSI型板式無砟軌道離散性較小，哈大、廣深港、廣珠和滬寧等線路基本一致，最不利鋼軌參數(shù)如表2所示。

表2　最不利鋼軌參數(shù)

將本節(jié)3.1中重載鐵路無砟軌道鋼軌參數(shù)和3.2中客專無砟軌道鋼軌參數(shù)進行對比，結(jié)果表明，重載鐵路的鋼軌一次參數(shù)電阻遠小于客運專線，電感基本接近。以重載彈性支承塊式無砟軌道的測試值和CRTSI板式軌道區(qū)段的1700 Hz數(shù)據(jù)對比，鋼軌電阻減小30%，鋼軌電感減小0.8%。

4　重載鐵路無砟道床結(jié)構(gòu)差異性

無砟軌道傳輸參數(shù)的不同是由于無砟道床的結(jié)構(gòu)不同，根據(jù)經(jīng)典物理理論，主要影響因素分析如下。

1）道床內(nèi)鋼筋埋設(shè)深度

無砟軌道道床內(nèi)部鋼筋網(wǎng)一般可分為幾層。第一層鋼筋網(wǎng)由于距離鋼軌近，對鋼軌阻抗影響大，其他層鋼筋網(wǎng)由于距離鋼軌遠和第一層鋼筋網(wǎng)的屏蔽作用，因而對鋼軌阻抗影響相比遠小于第一層。

當(dāng)鋼筋埋地深度較小時，軌道電阻，電感變化隨埋地深度變化迅速，隨著埋地深度進一步增大時，軌道電阻、電感變化趨于緩慢。

2） 道床內(nèi)縱向鋼筋數(shù)量

鋼筋網(wǎng)的疏密不同，軌道的阻抗也會相應(yīng)有所變化。橫向鋼筋對軌道參數(shù)影響較小，主要是縱向鋼筋的影響。

隨著縱向鋼筋條數(shù)的減少，間距增大，使鋼軌損耗減小，軌道電阻急劇下降，電感緩慢變化，導(dǎo)致鋼軌阻抗減小。縱向鋼筋的條數(shù)和間距對軌道阻抗影響較大。

3） 道床內(nèi)鋼筋直徑

鋼筋直徑越大，由于集膚效應(yīng)電流聚集在鋼筋表面，相當(dāng)于埋設(shè)深度更淺，對鋼軌阻抗影響與1）中相同。

4.1客運專線CRTSI型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)特點

客運專線CRTSI型板式無砟道床分為2部分，軌道板和底座。根據(jù)本文分析，底座屬于下層鋼筋，對鋼軌阻抗影響較小，因此不做過多討論。

其中以P4962型為例，包含2層普通縱向鋼筋（直徑12 mm）和1層縱向預(yù)應(yīng)力筋（直徑13 mm）。最上層鋼筋距混凝土頂面約30 mm。頂層縱向鋼筋數(shù)量為15根，示意圖如圖2所示。

4.2重載鐵路無砟道床結(jié)構(gòu)特點

山西中南部重載鐵路無砟道床內(nèi)部為2層縱向鋼筋（直徑16 mm），最上層鋼筋距混凝土頂面35～50 mm，頂層縱向鋼筋數(shù)量為9根，示意如圖3所示。

4.3差異性分析

通過結(jié)構(gòu)對比，重載鐵路無砟道床內(nèi)部鋼筋直徑比客專鐵路略大，同時鋼筋埋設(shè)深度較深，這兩個因素疊加，重載鐵路頂層鋼筋仍深于客專鐵路。而重載鐵路的縱向鋼筋數(shù)量較客專鐵路減少較多，具體如表3所示。

表3　差異性對比

理論分析重載鐵路和客專鐵路相比，內(nèi)部鋼筋對鋼軌阻抗影響較小，也就是說重載鐵路無砟軌道的鋼軌傳輸一次參數(shù)更優(yōu)。

5　重載鐵路無砟軌道ZPW-2000A制式軌道電路傳輸性能

5.1重載鐵路無砟軌道ZPW-2000A制式軌道電路傳輸計算

根據(jù)重載鐵路無砟軌道鋼軌一次參數(shù)建立如圖4所示。

將上述鋼軌模型帶入ZPW-2000A軌道電路數(shù)學(xué)計算模型進行計算，模型如圖5所示。

根據(jù)計算模型進行計算，如按設(shè)計規(guī)范800 m的工程設(shè)計長度，重載鐵路無砟軌道電路區(qū)段的調(diào)整狀態(tài)、分路狀態(tài)、機車信號狀態(tài)可以滿足使用要求。

5.2與客專無砟軌道極限長度進行對比

根據(jù)重載鐵路無砟軌道的傳輸特性，其阻抗小于客運專線無砟軌道，傳輸長度應(yīng)較大。通過計算機仿真計算，在標(biāo)準(zhǔn)控制電纜長度下，山西中南部重載鐵路無砟道床ZPW-2000A軌道電路極限長度可達到950 m，對比如表4所示。

表4　極限長度

6　總結(jié)

綜上所述，山西中南部通道重載鐵路長大隧道中的無砟軌道結(jié)構(gòu)與客運專線無砟軌道結(jié)構(gòu)不同，其鋼軌傳輸一次參數(shù)（鋼軌電阻、鋼軌電感）及鋼軌阻抗小于客運專線無砟軌道，在應(yīng)用ZPW-2000A制式軌道電路時，山西中南部通道重載鐵路無砟軌道的傳輸?shù)臉O限長度大于客運專線無砟軌道，在標(biāo)準(zhǔn)電纜控制長度下，最長可達到950 m，在工程建設(shè)中，可以根據(jù)需求進行現(xiàn)場應(yīng)用。

［1]林瑜筠，張鐵增.區(qū)間信號自動控制[M].北京：中國鐵道出版社，2005.

［2]趙懷東，王改素.ZPW-2000A型自動閉塞設(shè)備安裝與維護[M].北京:中國鐵道出版社，2010.

［3]北京全路通信信號研究設(shè)計院.ZPW-2000A無絕緣移頻自動閉塞系統(tǒng)技術(shù)培訓(xùn)教材[M].北京:中國鐵道出版社，2009.

This paper analyzes the transmission performances of ZPW-2000A track circuits from such aspects as comparative analysis of the ballast-less bed structure of heavy haul railways, the parameters test of rails on ballast-less bed of heavy haul railways and the transmission calculation of ZPW-2000A track circuit, and it gives the maximum transmission length of ZPW-2000A track circuit in heavy haul railway ballast-less track based on the analysis.

heavy haul railway; ballast-less track; ZPW-2000A track circuit; transmission performance analysis DOI: 10.3969/j.issn.1673-4440.2016.03.025

2015-10-13）