，，

(西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

0 引言

機(jī)車信號(hào)是保證機(jī)車的行車安全，提高運(yùn)輸效率的重要信號(hào)設(shè)備，機(jī)車信號(hào)的正常與否，直接關(guān)系到列車的運(yùn)行安全與運(yùn)輸效率。目前檢查機(jī)車信號(hào)設(shè)備的運(yùn)用狀態(tài)是否正常的方法,主要依靠機(jī)車入庫后在機(jī)車信號(hào)測試環(huán)線上的測試[1]。庫內(nèi)機(jī)車信號(hào)檢測是通過循環(huán)發(fā)碼，將模擬信號(hào)電流送到測試環(huán)線，機(jī)車感應(yīng)器感應(yīng)模擬信號(hào)電流。鑒于測試環(huán)境分布的鐵磁物質(zhì)，機(jī)車信號(hào)檢測環(huán)線布置顯得十分重要，環(huán)線的布置直接關(guān)系到電磁感應(yīng)的強(qiáng)弱，同時(shí)環(huán)線的質(zhì)量、安裝位置、輸送的電流大小都可以直接影響檢測的結(jié)果，因而環(huán)線的鋪設(shè)直接影響機(jī)車信號(hào)的測試，現(xiàn)在的鋪設(shè)存在以下問題。

(1) 鋼軌和地溝內(nèi)置的鋼筋以及防滑鋼板會(huì)對(duì)機(jī)車感應(yīng)器構(gòu)成磁屏蔽環(huán)境。設(shè)置在鋼軌內(nèi)側(cè)軌腰的測試環(huán)線產(chǎn)生的磁力線，在一定程度上會(huì)被屏蔽削弱，影響機(jī)車信號(hào)測試?，F(xiàn)有技術(shù)機(jī)車信號(hào)的測試環(huán)線安裝在鋼軌內(nèi)側(cè)軌腰部，是在信號(hào)頻率從25～905 Hz情況下使用，而隨著UM71和ZPW2000制式的大量推廣使用，機(jī)車信號(hào)頻率提高到1 700～2 600 Hz, 軌腰部固定的測試環(huán)線運(yùn)用就出現(xiàn)磁屏蔽的問題，影響機(jī)車信號(hào)正常接收。

(2) 鋼軌、機(jī)車排障器、機(jī)車連接鉤和地溝內(nèi)置的鋼筋以及防滑鋼板同樣構(gòu)成磁屏蔽環(huán)境。機(jī)車信號(hào)頻率從495～2 600 Hz,也就是移頻和ZPW2000的機(jī)車信號(hào)環(huán)線試驗(yàn)，機(jī)車雙機(jī)連掛，機(jī)車結(jié)合部的機(jī)車感應(yīng)器本來應(yīng)該接收的磁力線，大量被屏蔽掉，無法完成環(huán)線試驗(yàn)。此時(shí)機(jī)車連接鉤拉開100 mm，立刻可以進(jìn)行環(huán)線試驗(yàn)?，F(xiàn)有技術(shù)采用的8字交叉布設(shè)環(huán)線可以解決部分區(qū)段雙機(jī)連掛機(jī)車信號(hào)試驗(yàn)的問題。但是如果機(jī)車感應(yīng)器恰好處于8字交叉點(diǎn)上方，是肯定無法進(jìn)行環(huán)線試驗(yàn)的。

(3) 環(huán)線鋪設(shè)的位置不固定，安裝標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一[2]。有的采用在鋼軌腰部打孔，通過螺栓在鋼軌腰部固定瓷瓶，測試環(huán)線固定在瓷瓶上；有的采用在鋼軌腰上鉆孔穿鐵線固定；有的采用在鋼軌腰上焊接螺絲帽后，再把環(huán)線從螺絲帽中穿出安裝，這些安裝方法都在一定程度上破壞了鋼軌。

針對(duì)以上問題以及現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，現(xiàn)提供了一種在25～2 600 Hz頻率下，測試環(huán)線產(chǎn)生的磁力線避免被屏蔽，完全滿足現(xiàn)有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求、成本低廉、可靠性高、工程量小的機(jī)車信號(hào)測試環(huán)線支架法。

1 技術(shù)方案

結(jié)合近年來信號(hào)制式頻率的變化以及現(xiàn)場施工情況，跨線橋施工采用懸掛支架支撐體系施工技術(shù)[3]，那么對(duì)于機(jī)車信號(hào)環(huán)線施工也可以考慮類似技術(shù)。所謂測試環(huán)線支架法，就是通過軌底勾固支架體采用扣件將測試環(huán)線支架固定在鋼軌底部，軌底勾固支架體通過線卡將機(jī)車信號(hào)測試環(huán)線固定在鋼軌外側(cè)的鋼軌頭踏面下沿處。具體安裝效果簡化圖如圖1右側(cè)圖所示。軌底勾固支架體可以是直徑6～12 mm的圓鋼軌底勾，注塑件卡固鋼軌底部。

圖1 改進(jìn)前后測試環(huán)線方案圖

2 物理分析

機(jī)車信號(hào)測試環(huán)線是一根長直載流導(dǎo)線，恒定電流I均勻地通過導(dǎo)線橫截面，計(jì)算導(dǎo)線外部的機(jī)車感應(yīng)線圈的P點(diǎn)的磁場分布以及磁感應(yīng)強(qiáng)度需要應(yīng)用畢奧-薩伐爾定律[4]進(jìn)行計(jì)算。其中電流元Idl在P點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為

(1)

對(duì)(1)式進(jìn)行積分為長直載流導(dǎo)線在感應(yīng)線圈P點(diǎn)的磁場分布

(2)

采用圓柱坐標(biāo)系，直線電流與z軸重合，直線電流的中點(diǎn)位于坐標(biāo)原點(diǎn)，如圖2所示，可以看出，直線電流元Idl′=ezIdz′，場點(diǎn)P的位置矢量 ，源點(diǎn)的位置矢量r′=erz′，Idl′到場點(diǎn)P的距離矢量為R=[r-r′=err+ez(z-z′)]，代入(1)式可得

B(r)=eφμ0(cosθ1-cosθ2)/4πr

(3)

現(xiàn)代工程場中的二維靜磁場的邊界問題，利用圓柱坐標(biāo)系分離變量法求解，通常是歸結(jié)為給定邊界條件的泊松方程2A=μJ或拉普拉斯2A=0的解[5]，計(jì)算出長直導(dǎo)線與鋼軌等鐵磁體構(gòu)成的磁場，得出線電流在鋼軌等鐵磁體外部空間的磁矢勢(shì)分布，首先利用如下通解公式,然后再利用邊界條件求出其中的系數(shù)。

(4)

如圖3所示，與鋼軌構(gòu)成的角度為α(α=2π-Nπ/M,M,N為任意不為零的正整數(shù)，并且0

圖2 測試環(huán)線簡化數(shù)學(xué)模型 圖3 長直導(dǎo)線電流與鋼軌鐵磁質(zhì)

(5)

整理式(5)可得到z平面的磁感線方程為

[(ρM/NcosMφ/N-ρ0M/NcosMφ0/N)2+(ρM/NsinMφ/N-ρ0M/NsinMφ0/N)2]·

[(ρM/NcosMφ/N-ρ0M/NcosMφ0/N)2+(ρM/NsinMφ/N+ρ0M/NsinMφ0/N)2]=ec

(6)

式中,c為任意常數(shù)。圖4、圖5根據(jù)式(6)通過借助于MATLAB軟件強(qiáng)大的仿真功能，繪制出的載流導(dǎo)線分別安裝在鋼軌內(nèi)側(cè)腰部和在鋼軌外沿處所構(gòu)成的磁場磁感線分布。圖中二維磁場的磁感線分布為磁矢勢(shì)的等值線，圖線按照矢勢(shì)值等間隔繪制，其疏密程度反映出磁感應(yīng)的強(qiáng)弱，密集處磁感應(yīng)強(qiáng)度大，稀疏處磁感應(yīng)強(qiáng)度弱。由此可以看出，環(huán)線支架法具有很優(yōu)越的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，此方法機(jī)車感應(yīng)線圈能更好的接收信號(hào)，使信號(hào)接收靈敏度大大提高，檢測精確度有了大幅提升。

圖4 載流導(dǎo)線位于鋼軌內(nèi)側(cè)腰部 圖5 載流導(dǎo)線位于鋼軌外沿

由圖4、圖5可以看出，載流導(dǎo)線電流所形成的磁場，結(jié)合電磁場與電磁波的相關(guān)定律可以很容易分析出磁場分布[6]。在整個(gè)機(jī)車檢測庫內(nèi)鐵磁物質(zhì)所構(gòu)成的環(huán)境下，使原來繞著載流導(dǎo)線呈現(xiàn)一系列同心圓狀的磁感線發(fā)生畸變，使之成為程度不同的脫離同心圓族形狀的磁感線分布，這一分布圖線在工程磁場當(dāng)中有著正確的物理意義。

3 測試試驗(yàn)與結(jié)果

由MATLAB軟件仿真的磁場磁感線疏密程度可以很清楚的看出,通過大小相同的電流，環(huán)線位于鋼軌外側(cè)且與鋼軌相平這種方式磁場強(qiáng)度較強(qiáng)，為了驗(yàn)證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，同樣在測試環(huán)線上通過大小不同的測試電流，用F.W.BELL Model 7010 Gauss Meter高斯計(jì)分別對(duì)兩種不同的安裝進(jìn)行磁場強(qiáng)度測試，高斯計(jì)位于機(jī)感線圈位置，大約離鋼軌腰部導(dǎo)線10 cm，距離鋼軌外沿導(dǎo)線2 cm，通過電流越大，磁感應(yīng)強(qiáng)度一次增強(qiáng)，測試結(jié)果如表1所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：新型環(huán)線有很好的接收信號(hào)的能力，較傳統(tǒng)的安裝有了很大的優(yōu)化。

表1 磁感應(yīng)強(qiáng)度測試結(jié)果

4 結(jié)束語

給出了一種新的機(jī)車庫內(nèi)檢測環(huán)線安裝方法，該技術(shù)已經(jīng)在西安動(dòng)車運(yùn)用所得到應(yīng)用，經(jīng)過實(shí)際施工以及運(yùn)用，與傳統(tǒng)安裝技術(shù)比較，測試環(huán)線支架法的主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1) 由于測試環(huán)線產(chǎn)生的磁力線避免被屏蔽，所以和現(xiàn)有技術(shù)比較，在1 700～2 600 Hz頻率下，機(jī)車感應(yīng)器的感應(yīng)電壓提高了300%～600%，磁感應(yīng)強(qiáng)度得到增強(qiáng)，提高了測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

(2) 環(huán)線安裝在鋼軌外側(cè)，試驗(yàn)效果好。具有良好的推廣價(jià)值，至于鐵磁質(zhì)物體間的互相影響有待進(jìn)一步驗(yàn)證，環(huán)線支架固定避免了傳統(tǒng)施工過程打孔等對(duì)鋼軌的損壞。

(3)通過改變環(huán)線安裝方法，在設(shè)備安裝時(shí)按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，為以后環(huán)線鋪設(shè)、日常維護(hù)等工作做好鋪墊，同時(shí)有利于日常的巡檢，方便電纜的維護(hù)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]陳鵬，陳文漢，劉亞西.機(jī)車信號(hào)環(huán)線檢測方法改進(jìn)[J].鐵道通信信號(hào)，2007,43(5):13-14.

[2]羅杰.淺談機(jī)車信號(hào)測試環(huán)線設(shè)計(jì)方案[J].鐵道通信信號(hào)，2013，49(8):35-38.

[3]姚宏生，馬秋果，劉漢斌,等.高架框架墩連續(xù)梁懸吊支架法的施工技術(shù)研究[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2012,26(1):14-17.

[4]鄒澎，周曉萍等.電磁場與電磁波[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[5]王福謙.由鐵磁質(zhì)限定的無限深槽內(nèi)線電流的磁場[J].大學(xué)物理，2012，31(1):23-26.

[6]丁冬艷.長直載流導(dǎo)線空間磁場分布的分析[J].中國科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2013(4):105-106.