動車組車載信號設備布局的影響因素分析

段麗娜

(呼和浩特市機械工程職業技術學校，內蒙古 呼和浩特 010051)

1 動車組信號設備概述

高速鐵路是我國鐵路客運的新型運輸方式，在世界范圍內領先于其他國家，呈速度化發展趨勢。作為現代交通運輸的重要標志，高鐵對速度的要求逐漸提升，保證行車安全不能僅靠地面設備，這對車載信號設備提出更高要求，滿足使用車載信號設備為主要的列車運行方式，并達到動車組運行要求。目前主要使用的是列車超速防護系統ATP，它具有安全、可靠、技術于一體的智能設備。

2 動車組信號設備的分類

ATP系統包括地面和車載設備兩部分構成。①地面設備主要通過軌道電路、應答器接收運行前方軌道區段有關運行坡度、曲線、隧道等線路的相關參數信息，確定列車運行位置，實現對動車組實時速度的監測和運行中固定信息的采集、存儲并發送。②車載設備主要是在司機室及車底。為了準確及時地接收地面信號，動車組信號接收天線(主要包括BTM天線、TCR天線、速度傳感器及連接電纜等)全部安裝于車體下方，這就對車體設計帶來了困難，要防止運行阻力、特殊天氣、惡劣運行環境、電磁輻射干擾等原因對車底信號設備的影響，這就要求設計時增加必要的防護措施，達到列車運行安全的目的。

3 動車組車載信號設備布局的影響因素

3.1 動車組運行阻力的影響

在車組運行時具有阻礙作用，且不可操控的外力稱作列車阻力。

列車的阻力主要包括兩部分，即基本阻力和附加阻力?；咀枇χ饕熊圀w零部件間的運動阻力、運行時的空氣阻力，以及軌道與輪對之間的摩擦阻力和沖擊阻力。附加阻力包括坡道附加阻力、曲線附加阻力和隧道附加阻力三部分。

3.1.1 基本阻力

在運行過程時，動車組形成基本阻力，包括列車零部件之間、車體表面與流動空氣之間及軌道與輪對之間的摩擦和沖擊。基本阻力基本包括以下5種形式：①由軸承摩擦產生的運行阻力；②車輪在鋼軌上滾動所產生的運行阻力；③運行的輪對在軌道上摩擦形成的運行阻力；④沖擊和震動產生的運行阻力；⑤空氣阻力。

根據動力學在動車車輛的應用，列車運行時所形成的空氣阻力與動車車體的流線型程度、表面光滑度以及車體長度有關。

空氣阻力的計算公式為：

Wa=CxFρv2/2

(1)

式中：Wa——空氣阻力(N)；Cx——空氣阻力系數；F——列車迎風面的截面積(m2)；ρ——空氣密度(kg/m2)；v——列車相對風的速度(m/s)。

其中空氣阻力系數Cx與每——輛機車的空氣阻力系數有關。機車包括首車、尾車及首車和尾車之外的其他車組。它們的關系如下：

Cx=Cx1+Cx2+Cx3

(2)

式中：Cx——空氣阻力系數；

Cx1——首車空氣阻力系數；

Cx2——尾車空氣阻力系數；

Cx3——同車組其他列車的空氣阻力系數。

由式1可以認為，空氣阻力與列車運行速度的平方成正比。當列車低速運行時(v<200 km/h)，空氣阻力占據較少小比例。當列車高速行駛時(v>200 km/h)，基本阻力主要是空氣阻力。實際運行中由于理論數據不足，難于計算空氣阻力系數的大小，可經過數次對實際的列車編組和線路運行條件進行測試測得。

如果基于理論分析，空氣阻力只是一種對車組運行有阻礙作用的基本阻力，分析時可將空氣阻力看作是與車組運行方向相反的作用力?，F實條件下，空氣阻力和列車運行方向不在一條直線上，空氣阻力對列車運行產生側向力，行駛的列車在側向力的影響下形成側向力矩。因此，改善側向力對動車組的影響，可有效地達到列車運行安全的要求。實際情況下，速度須考慮風速的作用，列車在不同風速下的運行速度，見表1。

表1 列車在不同風速下的運行速度

從以上的數據可以看出，列車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，通過一系列真實車組的牽引試驗得出基本阻力的近似值，來表征列車基本阻力的大小。

列車單位重量基本阻力的計算公式為：

w0=a+bv+cv2

(3)

式中：w0——列車單位基本阻力；v——列車運行速度；a，b，c——與車輛類型有關的經驗常數。

3.1.2 附加阻力

動車組的附加阻力幾乎不受動車組車輛影響，而是與坡道、曲線、隧道等線路行駛參數有直接關系。由這些形式產生的阻力分別稱作坡道附加阻力、曲線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，列車運行時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——列車質量(t)；g——重力加速度(m/s2)；θ——坡道夾角。

在實際情況下，sinθ很難計算，而在工程設計時可確定sinθ的大小。在真實運行條件中，坡道夾角θ一般不高于30‰，因此tanθ≈sinθ?！读熊嚑恳嬎阋幊獭分幸笃碌赖钠露炔捎们Х謹当硎?，其大小是坡道高度差和坡道水平長度的比值，結果保留兩位小數。

我們在牽引計算時，經常需要計算單位重量坡道阻力(Wi)的大小，它可以通過式(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數值近似地看作單位重量坡道附加阻力的大小。

3.1.2.2 曲線附加阻力。 曲線附加阻力(簡稱“曲線阻力”)是指由于相同情況下，列車在曲線行駛時的阻力超出直線行駛時的那部分阻力。曲線阻力產生其主要原因包括輪對上縱橫雙向之間滑動、輪緣和軌道內側的接觸增大、轉向架轉向與側向力的影響以及上下心盤等部件接觸增大。

由于導致原因較多，很難確定曲線阻力的大小，因此《列車牽引計算規程》里要求，車組運行在標準軌距的圓曲線上，其單位重量曲線附加阻力計算公式為：

(6)

式中：wr——單位曲線附加阻力；R——曲線半徑(m)。

3.1.2.3 隧道附加阻力。隧道附加阻力(簡稱“隧道阻力”)表示運行的動車組在隧道中空氣阻力超出空曠地區空氣阻力的部分。隧道阻力的影響因素包括隧道長度、隧道截面積、列車截面積以及列車外形。目前，隧道阻力的大小還沒有明確，正常通過經驗公式以及證明測試得出，單位重量隧道附加阻力的計算公式為：

ws=0.000 13·Ls(N/kN)

(7)

式中：Ls——隧道長度(m)；vs——列車在隧道內的運行速度(km/h)。

3.1.2.4 加算附加阻力。 根據上述得出，線路運行條件改變，導致車組運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路參數上可獨立出現，或采用更多形式共存。目前我們將所有關于線路運行參數變化造成的單位重量附加阻力之和通過單位加算附加阻力Wj計算，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，比如刮風或極寒氣候?；咀枇Φ挠嬎愎绞峭ㄟ^試驗并滿足特定的氣候條件下驗證的。

3.2 電磁輻射與信號干擾的影響

①動車組車底信號設備較多，間隔距離小，大部分以無線通信為主，易造成干擾，電磁環境較為復雜；②動車組其動力來源為高壓接觸網，所以能夠形成較大的電磁輻射。對于通過電磁波實現無線通信的車載-地面通信，不能免除受到所形成電磁輻射的危害，尤其是升、降受電弓和過分相區過程中，瞬間高壓導致的浪涌脈沖，會帶來危害更嚴重的電磁輻射。這就對地面設備和車載信號設備的電磁兼容性提出更高的目標，不僅能實現正常通信，還能減少接觸網對車載-地面通信造成的電磁輻射干擾。所以，電磁兼容與信號抗干擾是實現列車行車穩定的重要原因。

3.3 特殊天氣的影響

正常情況下，良好天氣對行車沒有太大影響，而較為特殊的天氣條件下，比如低溫、冰雪天氣，使車底信號設備易造成危害，極大影響列車運行安全。由于軌面有冰，降低車輪對黏著系數易發生打滑，會導致測速測距的準確性降低；車底部分信號設備長時間暴露在溫度較低和冰雪環境中更加脆弱，在異物作用時容易引發損壞；車下測速雷達表面結冰會降低測速測距的精準度，甚至出現測速測距不正常等情況。

3.4 惡劣環境的影響

車載信號設備的車底部分工作環境相當惡劣，完全暴露在較為開放的空間中，列車高速運行時，很容易受到地面帶起的異物撞擊，而且高速氣流對連接電纜具有破壞性，造成車底信號設備無法正常工作，甚至損壞，嚴重影響列車運行安全。

4 防護措施

在設計車體時，車體底部的形狀對空氣阻力影響很大，而車載信號設備的車底部分為了更好地接收地面設備發送的信號，必須降低空氣阻力對其影響，所以使用和車身橫斷面形狀相匹配的裙板遮擋車底設備，同時也可預防列車在極快的車速行駛時帶起的異物撞擊車底設備。還可以增加底部倒流板，使車底氣流形成“死水”區，有效減少了車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對車底信號設備的影響，可通過加裝浪涌保護裝置，抑制動車組在升、降受電弓和過分相頭時車頭車體和轉向架之間的高壓瞬變浪涌；加裝線路濾波器消除無線干擾；加裝光電隔離盒等。

針對特殊天氣，可臨時進行應急處理，比如為了減少結冰，在測速雷達表面進行打蠟，及時安排人員對車底設備除冰，對連接電纜等重要部位加強防水處理等。

對于惡劣行車環境，可以通過安裝防護板、橡膠皮套等裝備改善設備防護條件，增強對設備的保護作用；其次，要加固車底設備，主要是車底連接電纜的緊固及其他信號設備固定螺母的防松防脫的預防。在日常維護時，進行關鍵部位的檢查，找到問題及時報告、及時處理。

5 結束語

筆者以動車組車載信號設備布局的影響因素進行分析，表明車載信號設備對于列車運行起到至關重要的作用。車體設計布局時，要充分考慮車載信號設備的放置位置，主要位于機車內部，但部分信號設備必須放置在車底，為了更好地與地面設備發送和接收信號。為防止車底空氣阻力、電磁輻射及干擾、特殊天氣及惡劣環境的影響，做出有效的防護措施是十分必要的。