中低速磁浮車站區域軌枕布置方案

賈云光，石 晶，崔俊鋒，王 冠，嚴 兵

（北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070）

1 問題提出

近年來，中低速磁浮技術在我國發展迎來了新一波發展機遇，因其具有爬坡能力強、運行平穩、噪音小、造價低等特點，逐漸受到了廣泛關注。目前，已經開通運行的北京S1線[1]、長沙磁浮線均采用了中低速磁浮技術[2]，但這兩條磁浮線路所采用的列控定位測速系統存在較大差異，S1線采用的環線定位，而長沙磁浮采用的應答器絕對定位，前者成本較高，后者成為磁浮線路主要采用的定位方式。

中低速磁懸浮列車由于無法采用輪式傳感器測量列車速度，因此發明了一種基于霍爾效應的非接觸式電傳感器[3-4]，但要求軌枕是金屬的，其原理如圖1所示[5]。

磁浮列車的測速單元所用傳感器為6個或者4個獨立的渦流傳感器構成的傳感器組，如圖1所示。列車運行過程中，渦流傳感器依次劃過金屬軌枕，產生脈沖信號輸出，測速單元獲取所有渦流傳感器輸出的脈沖信號，計算后得出當前車輛運行的速度值[6]。

圖1 車輛速度傳感器安裝示意Fig.1 Schematic diagram of the installation of speed sensors on a vehicle

由以上原理可知，當金屬軌枕越密，列車測速精度越準確，軌枕間距越大，測速精度越不精確。因此，對于列車測速來講，軌枕間距越密越好。

然而，對于應答器來講，其對周邊的非金屬空間有要求，過小的非金屬空間會影響應答器的定位性能，因此對于應答器來講，軌枕間距越大越好。

上述兩種服務于列控定位產品的測速測距產品對軌枕的需求產生了矛盾。為解決好以上問題，且最大限度發揮好各自產品的性能，本文結合鳳凰磁浮工程實際探討中低速磁浮軌枕間距的布置方案。

2 既有線路調研

目前國內僅開通了兩條磁浮線路北京S1線以及長沙機場線，北京S1采用環線定位，不存在該問題。長沙機場磁浮信號采用某公司的應答器進行定位，經過調研，該線路站內應答器安裝處的軌枕間距為1 200 mm，能夠很好滿足應答器安裝條件，但列車在進站過程存在測速精度不高等問題。針對鳳凰磁浮軌枕間距的布置問題，車輛技術人員根據之前運用經驗提出在車站內的軌枕間距按625 mm進行布置，軌道專業技術人員考慮制造、平順、經濟等因素能做到站內軌枕間距最小600 mm，上述間距要求對應答器的應用帶來挑戰。

3 應答器對軌枕間距需求分析

3.1 根據標準規范分析的要求

根據應答器（標準應答器尺寸為390 mm×200 mm）無金屬區空間的規范[7]要求，當本工程按照橫向安裝應答器的方式下，軌枕間距至少應滿足830 mm。

根據《應答器傳輸系統技術資料》（TB/T 3485-2017）中第3.1.2所屬，應答器對安裝環境中無金屬的規定，應答器橫向安裝時對無金屬區水平沿線路方向最低要求為315+315=630 mm，水平垂直與線路中心方向最低要求為410+410=820 mm。

考慮金屬軌枕的物理應答器技術標準對無金屬區規定寬度為200 mm，則應答器相鄰金屬軌枕之間的中心間距應不小于630+200=830 mm，如圖2所示。

圖2 符合應答器標準的軌枕布置Fig.2 Sleeper layout conforming to the balises standard

3.2 軌枕過密時對應答器定位的影響分析

由于磁浮軌枕由金屬構成，導致每兩個軌枕與磁浮軌道構成一個閉合回路，磁場在回路的作用下產生感應電流，相當于在應答器上增加了發射線圈。

如圖3所示，當應答器天線接近次一級鋼軌時，應答器天線向下產生27 MHz的變化磁場，該磁場首先感應應答所在位置的前一級鋼軌回路，前一鋼軌回路產生感性電流，導致應答器所在鋼軌產生磁場激活應答器。

圖3 接近應答器過程中鋼軌磁場變化Fig.3 Changes in rail magnetic field when a train approaches the balises

應答器激活后，以4 MHz左右的交變磁場感應鋼軌，產生感生電流作用于前一級鋼軌，導致應答器天線誤以為接收到了應答器發送的信息，如圖4所示。

圖4 鋼軌閉合可能產生的虛擬應答器示意Fig.4 Schematic diagram of a virtual balises that may be produced by induced currents of rails

應答器作用原理導致其對閉合金屬特別敏感。因此通過修改應答器方案解決當前的問題存在相當大困難。如果一味縮小應答器，會導致應答器作用距離過短，從而無法正常接收。

鐵路選擇應答器主要基于應答器兩個作用：一是接收應答器報文，二是實現精確定位。如上通過軟件能夠解決應答器報文接收問題，使得應答器不再出現丟失或全零導致的列車停車問題，而對于應答器精確定位問題卻無法解決。因此，軌枕過密會導致應答器定位不準。

4 鳳凰磁浮項目軌枕間距問題的解決方案

根據工程應用情況和相關規范要求，針對鳳凰磁浮的實際情況提出3種建議解決方案。

方案1：軌枕非等間距布置方案

綜合應答器安裝以及列車測速對鋼軌布置的要求，站內鋼軌間距維持600 mm，僅在要求安裝應答器位置的鋼軌處，將鋼軌安裝間距設置為900 mm。

該方案既滿足了應答器的安裝需求，也能夠提升測距的精度，但應答器安裝的地方不能滿足測速測距對軌枕間距的最小要求。

方案2：軌枕等間距布置方案

根據標準應答器水平方向無金屬區要求，一并考慮應答器安裝誤差等因素，站臺區域（有效站臺范圍內）軌枕中心間距按900 mm設計。

該方案首先滿足規范要求，另外考慮磁浮列車低速測速測距精度要求，在長沙磁浮快線應用實例的基礎上，盡可能降低相鄰軌枕之間間距。經過實驗室驗證，降低軌枕間距將有利于提升低速條件下的測速測距精度。

方案3：軌枕截斷方案

此方案按照站臺區域軌枕間距625 mm進行安裝，在遇應答器安裝沖突位置處截斷軌枕。

如圖5所示，軌枕間距為625 mm，渦流傳感器間距為800 mm，渦流傳感器的安裝要求存在尺寸干涉（渦流傳感器要求135 mm金屬尺寸寬度），紅色虛線框為應答器規范要求的無金屬區范圍。

圖5 采用軌枕截斷方法的軌枕布置方案Fig.5 The sleeper layout scheme using the method of cutting off a sleeper

方案中按照應答器縱向布置方式，沿線路方向滿足應答器的無金屬區要求，但垂直線路中心線方向，被截斷的剩余軌枕已侵入應答器無金屬區范圍內。此方案在實驗室測試基本滿足要求，但由于應答器周邊金屬環境復雜，不屬于典型應用場景，在應答器相關的技術標準沒有相應的應用案例，在實際工程應用時風險不好把控。

5 方案對比

方案1能夠滿足應答器的安裝要求，也考慮了測速測距的間距要求，相比方案2有所提升。但非等間距的軌枕布置會對車輛懸浮的平穩性、平順性[8]等其他問題可能造成影響。

方案2軌枕布置均勻，且在長沙磁浮工程中有1 200 mm等間距布置工程實例的基礎上有較大提升空間。同時根據計算能夠符合對行車平穩性、安全性的要求。

方案3雖可滿足工程應用條件，但對于截斷軌枕帶來的軌枕非等間距布置、工程實施困難和軌枕規格不統一等問題，將有可能使本工程在實施及后續維保過程中產生諸多風險。

綜合以上3種軌枕布置方案，如果不考慮應力變化對磁浮車輛平順的影響，方案3是最佳方案，既能滿足應答器安裝要求，也能最大限度滿足速度傳感器的要求。

6 結論

軌枕布置的間距問題目前在中低速磁浮應用領域還沒有統一的標準，本文結合應答器安裝條件、測速測距需求、軌道設計生產要素以及車輛需求，建議軌枕按照830 mm等間距進行設置。