多因素條件下高速輪軌關系對軌道電路性能影響

張超凡，劉 俊，羅漢冬，蔣曉鴿

（中國鐵路南寧局集團集團有限公司，南寧 530003）

鐵路運輸系統中，鐵路信號是確保行車安全、完善運行管理水平以及提升線路效率的重要基礎設施。其中用于實現軌道車輛占用監測及通信的軌道電路則更是重中之重[1-2]。軌道電路是由鋼軌線路和鋼軌絕緣構成的電路，用于自動、連續檢測這段線路是否被機車車輛占用，也用于控制信號裝置或轉轍裝置，以保證軌道車輛的行車安全。同時，軌道電路另一個重要作用是能夠檢測鋼軌是否發生斷裂，在充當導線的鋼軌安全無事時，軌道電流暢通無阻，繼電器工作也正常。一旦前方鋼軌發生斷裂，切斷了軌道電流，就會使繼電器因供電不足而釋放銜鐵接通紅色信號電路。此時，線路雖然空閑，信號機仍然顯示紅燈，從而防止列車顛覆事故。由此可見軌道電路系統對行車安全的重要性。目前，世界范圍內各方學者都在對軌道電路的性能展開研究，其中對輪軌電阻的研究是一個重要的方向。

針對軌道電路的研究目前主要集中于對軌道電路空間域建模及傳輸特性、軌道電路暫態建模以及對軌道電路基礎參數的獲取。對于軌道電路的空間域建模及傳輸特性研究，意大利學者Mariscotti[3-4]研究了軌道電路中輪軌電阻的模型驗證和電容補償問題。趙林海等使用仿真方法研究補償電容對于車輛信號幅值的影響，并提出對于ZPW-2000 的電容補償計算方法[5]，還分析了TCR 中車輛走行速度與信號頻率偏差間的關系[6]。在軌道電路暫態建模方面，趙斌等采用拉式反變換法[7]以及同倫分析法[8]對于軌道電路端面電流進行了求解，還建議利用車輛出/入區段時的信號突變特性對軌道電路的狀態進行監測[9]。針對軌道電路基礎參數的獲取，Mariscotti[10-11]提出軌道一次參數的測量模式，并多次試驗從而對直流、音頻、工頻工況中的一次參數進行了參數對比分析。而Lucca[12]則在邊界元計算方法的幫助下對單位長度的軌道電導進行了計算。

在上述研究的基礎上設計一種基于滾動臺的輪軌電阻測量試驗，通過對軌道車輛運行過程中常見的多種干擾因素進行測試，研究各種干擾因素對于輪軌電阻的影響。文章第一部分提出基于滾動臺的輪軌電阻測量試驗原理及裝置；第二部分針對測量電路參數對軌道電路的影響進行試驗研究，分別測試了電壓值、頻率值對其的影響；第三部分對輪重、走行速度等軌道車輛運行狀態對輪軌電阻的影響進行試驗；第四部分則著重研究了軌道狀態對輪軌電阻的影響。

1 輪軌電阻測量試驗

針對分路不良問題，對輪軌接觸關系的電氣特性進行研究，同時開發的試驗裝置具備模擬靜態、動態工況中不同外界因素對接觸電阻與分路效果的影響，通過對不同測量電路參數車型、牽引工況、車速等因素對軌道電路影響測試工作，完成數據的分析和規律統計；研究高速條件下，軌道電路輪軌電阻計算方法，完成輪軌接觸關系等效模型建立，具備評估軌道電路分路性能的能力。等效電路如圖1 所示，圖中兩軸轉向架各輪對形狀相同，有相同電阻w、與臺車絕緣，且該轉向架位于圖示試驗用軌道電路內。

圖1 輪軌電阻測量試驗等效電路Fig.1 Wheel-rail resistance measurement test equivalent circuit

在圖1 中，R0為引線電阻，R1、R2、R3為鋼軌部位的電阻，S1、S2為引線與鋼軌連接處的電阻，r1a、r1b、r2a、r2b為輪軌間的接觸電阻。規定電源電壓為V、各部電流為i1、i2、i3，根據基爾霍夫定律，該并聯電路如公式（1）、（2）所示。

規定各輪對輪軌電阻為r1、r2，包含輪對自身電阻，如公式（3）、（4）所示。

因此，根據電路總電流i1，及任一輪對內電流i2或i3之測量值，可連續進行走行中的輪軌電阻r1、r2的理論求算。

如圖2 所示，根據上述輪軌電阻測定試驗原理可以對試驗所需的裝置進行制備。輪-輪動態滾動試驗臺由轉向架與嵌入軌道中的車輪組成，其中轉向架上的車輪踏面與嵌入軌道中的車輪踏面緊密接觸，且保證接觸面光滑無銹蝕情況。在進行試驗時，使用兩個碳刷通過工裝分別固定于軌道上端面與側面，碳刷與工裝進行了高阻抗等級的絕緣處理，其中固定于軌道上端面的碳刷前端與轉向架車輪踏面貼緊，而固定于軌道側面的碳刷前端與嵌入軌道中的車輪踏面貼緊，以此形成回路，一方面為兩車輪間提供激勵，另一方面能夠測量兩車輪間的接觸電阻。

圖2 輪軌電阻測量試驗裝置Fig.2 Test device of wheel-rail resistance measurement

由于輪軌間電阻值小，因此對測量精度要求較高。輪-輪動態滾動試驗臺搭建完成后，對試驗測試設備進行標定，在輪軌間施加大小為3 V，頻率為50 Hz 的激勵電壓，通過測量相鄰5 個點的電阻，得到輪軌電阻大小均為0.24 Ω，測量設備具有良好的精度。

2 測量電路參數對輪軌電阻的影響

為保證對輪軌電阻測量試驗研究的可靠性，首先需要對試驗所采用的測量電路參數的影響進行研究。在本文中，關于測量電路的關鍵參數主要選取其電壓值與頻率值。

2.1 電壓值對于輪軌電阻的影響

如圖3（a）所示，當改變輪軌之間的激勵電壓時，接觸電阻值產生明顯的變化。當激勵電壓越高，接觸電阻越小。由于加在輪軌兩端的電壓越大，越容易擊穿輪軌之間保護膜，導致輪軌之間接觸電阻值會更小。但是電壓在增大到一定程度后，電阻值下降的幅度變小。

圖3 電壓值對輪軌電阻的影響Fig.3 Influence of voltage on wheel-rail resistance

為研究輪軌電路的諧振電壓對電阻影響，可以選取多種不同電壓幅值對電阻進行監測，結合前期研究得出軌道電路電壓主要分為200 mV、500 mV、800 mV、3 V 以及10 V。通過更改信號發生器輸出電壓幅值，可以實現不同電壓的輸出。如圖3（b）所示，隨著輪軌間分電路電壓的增大，接觸電阻隨之減小。當分路電壓為100 mV 時，接觸電阻最大，為0.56 Ω，且當電壓從100 mV 變化到3 V 時，電阻迅速下降到0.24 Ω，而當電壓繼續增大時，電阻下降速度逐漸變緩，這是由于分路電壓已增大到能夠擊穿接觸膜的臨界電壓值，此時接觸電阻基本為最小輪軌電阻。若繼續增大電壓，分路效果不會再發生大變化。

2.2 頻率值對于輪軌電阻的影響

交流電頻率即電流大小和方向在一定的時間內所變化的次數。為研究輪軌電路的諧振電流頻率對電阻影響，可以選取多種不同諧振電流頻率的諧振電流對電阻進行監測。通過前期研究，可以得出軌道電路頻率主要分為25 Hz、50 Hz、550 Hz 以及1 700 Hz。通過更改信號發生器輸出電壓頻率，以實現不同頻率電流的輸出。如圖4（a）所示，接觸電阻隨壓力增大而減小，但頻率改變對電阻的大小沒有明顯改變，可以判定信號頻率對接觸電阻幾乎沒有影響。

如圖4（b）所示，隨著輪軌間分電路頻率的變化，接觸電阻并不隨之變化。當分路電壓為500 mV 時，電阻穩定在約0.45 Ω。當電壓增大到3 V 時，電阻變小至0.25 Ω。在這種情況下，接觸電阻不隨電路頻率的變化而變化，充分說明接觸電阻并不隨頻率值的變化而變化。

3 車輛運行狀態對輪軌電阻的影響

3.1 軸重對于輪軌電阻的影響

通過調整加壓閥可對輪軌接觸點加壓，從而對不同軸重下的輪軌電阻進行測量。根據前文所述方法記錄不同壓力下的電壓電流關系，即可得出接觸電阻隨輪軌壓力變化的關系如圖5（a）所示。從圖5（a）可以看出，當輪軌間壓力增大時，接觸電阻隨壓力增大而減小。可以看出壓力從0 剛增大時電阻值下降較快，當到達15 kN 左右下降速度放緩。

圖5 軸重對輪軌電阻的影響Fig.5 Influence of axle load on wheel-rail resistance

接觸面清潔和有銹跡的不同軸重時的輪軌電阻變化如圖5（b）所示。當接觸面為光滑接觸面時，接觸電阻從0.7 Ω 下降到0.18 Ω，變化較小，但也符合軸重壓力增大輪軌電阻減小的變化趨勢。當接觸面為銹跡接觸面時，增加軸重，則相應輪軌電阻按等比級數驟減。軸重輕，輪軌電阻也低，隨軸重增加，輪軌電阻也進一步下降，輪軌電阻從7 Ω 下降到2.5 Ω。在這種情況下，電阻隨著軸重壓力的增大而減小且趨勢明顯。

3.2 走行速度對于輪軌電阻的影響

輪-輪動態滾動試驗臺通過將車輪嵌入混凝土地面來實現主動輪的固定，當車輪轉動時，僅存在車輪沿軸向的轉動，剩余方向自由度被完全約束。如圖6 所示，列車走行速度對輪軌間接觸電阻影響相對較小。當輪軌間靜止時，接觸電阻大小為0.18 Ω；隨著走行速度逐漸提升到9 km/h，輪軌接觸電阻迅速增大到0.27 Ω；此后再增大走行速度時，接觸電阻增加速度逐漸變緩。當走行速度從10 km/h 增大到50 km/h 的過程中，接觸電阻僅從0.275 Ω 上升到0.32 Ω，當走行速度繼續增大至100 km/h 時，接觸電阻基本穩定在0.33 Ω 左右，不再發生明顯增加。這是因為當車輪靜止時，輪軌之間形成面積更大的接觸斑點，這時擁有較好的分路效果，若車輪開始走行，隨著輪軌間的蠕滑運動，接觸斑點面積開始減小，且隨著走行速度增加，分路效果逐漸變差。但當速度增大到一定數值后，接觸斑點面積不再發生改變，分路效果達到閾值，接觸電阻不再發生明顯變化。

圖6 走行速度對輪軌電阻的影響Fig.6 Influence of running speed on wheel-rail resistance

4 軌道狀態對輪軌電阻的影響

4.1 踏面粗糙程度對于輪軌電阻的影響

通過不同砂紙對車輪進行打磨，以實現不同粗糙度變化。其中對于砂紙型號的區分：砂號數值越大，表示砂紙的粗細度越細；砂號數值越小，則表示砂紙的粗細度越粗。場發射掃描電子顯微鏡顯示的不同粗糙程度下的表面特征如圖7 所示。可以看出，隨著粗糙程度的增加，金屬表面的紋路明顯加重，起伏狀態也愈加明顯。

圖7 不同粗糙程度下的表面特征Fig.7 Surface characteristics under different roughness

如圖8 所示，在同一軸重下，踏面粗糙度越高，輪軌接觸電阻越小。在500 N 軸重條件下，當粗糙度為0.15 μm 時，輪軌接觸電阻為0.35 Ω，而當粗糙度達到0.5 μm 時，輪軌接觸電阻下降到0.3 Ω。這是因為任何經過精細加工的名義平面都是粗糙不平的，因此兩接觸元件發生接觸時，視在接觸斑中只有一部分凸出表面發生了實際機械接觸。

圖8 踏面粗糙程度對輪軌電阻的影響Fig.8 Influence of tread roughness on wheel-rail resistance

4.2 輪軌間油污對于輪軌電阻的影響

在輪軌接觸摩擦學研究中，輪軌間的污染膜層通常也被稱作“第三介質”，它是由多種污染物的混合體，在行車過程中經由輪軌碾壓作用而形成的。通常第三介質由多個膜層疊加構成，致密而堅實，不同應用環境下污染膜層的構成和特性會有所差異。油膜厚度屬于微觀研究領域，因此需要借助現為設備觀察輪軌表面油污形貌。

放大后的實際鋼軌表面的污染膜層如圖9 所示，可以看出，油膜層將整個踏面金屬表面包裹。在研究油污對輪軌間電阻影響時，油污通過油刷均勻涂刷在轉向架車輪踏面無銹蝕處，選取走行速度5 km/h 勻速運行，分析車輪在走行過程中車輪踏面由于摩擦使油污厚度不斷減少時，接觸電阻的變化情況。

圖9 鋼軌表面污染膜層Fig.9 Contaminated film on rail surface

如圖10 所示，通過觀察輪軌的接觸電阻隨走行時間變化曲線能夠看出，隨著走行時間的增加，輪軌間的接觸電阻逐漸減小，在走行的初始時刻，接觸電阻高達10 Ω，且在起始一段時間內下降迅速，而在15 s 時已經下降到1.2 Ω，隨后明顯能夠看出接觸電阻減小的速度逐漸降低，最終趨于穩定。這是因為在車輪運動的0 ～15 s 時間內，油膜厚度在踏面摩擦的作用下迅速減小，而當油膜厚度下降到一定數值后，踏面摩擦不再能夠消耗油膜層的厚度，此時接觸電阻不再變化，分路效果達到最優值。這說明污染膜層雖然堅實，但在輪軌間切向摩擦力和法向載荷等因素的共同作用下，會隨著列車運行次數等因素的增加而逐漸變薄，直至破裂。

圖10 輪軌間油污對輪軌電阻的影響Fig.10 Influence of oil pollution between wheel and rail on wheel-rail resistance

5 結論

本文基于多因素干擾下滾動臺試驗對軌道車輛輪軌電阻的特性及影響程度展開了研究，得到下列結論。

1）對于測量電路參數的改變，電壓值對輪軌間接觸電阻大小有著一定的影響，當電壓增大時，輪軌間接觸電阻將隨之減小，更大的電壓將會有效改善分路效果；而頻率大小對接觸電阻并沒有明顯影響，在改變頻率值時，可以觀察到接觸電阻并未隨之發生明顯改變。

2）對于軌道車輛運行狀態的改變，更大的軸重能夠使輪軌間形成更加有效的接觸斑點，從而降低輪軌接觸電阻，改善分路效果。此外，銹蝕情況對輪軌間接觸電阻大小起著支配性作用，當輪軌接觸面間存在銹蝕情況時，接觸電阻明顯增大。但隨著軸重增大，接觸電阻同樣會隨之減小。而車輪走行速度對輪軌間接觸電阻的影響則較小，且當走行速度提升時，分路效果存在閾值，當走行速度達到某一特定數值后，輪軌間接觸電阻將保持穩定，不再發生明顯變化。

3）對于軌道狀態的改變，光滑的車輪踏面一般具有相對更大的接觸電阻，而提高車輪踏面的粗糙度會減小輪軌間的接觸電阻。這是因為粗糙的車輪踏面在走行的過程中更易形成有效的、面積更大的接觸斑點，從而改善分路效果。而油污則對輪軌間接觸電阻有較大影響，當輪軌間存在油污時，分路效果急劇惡化，輪軌接觸電阻明顯增大，此時會產生分路不良，但隨著走行時間增加，油膜厚度在踏面摩擦的作用下變薄，輪軌接觸電阻會隨之降低。