动车组车载信号设备布局的影响因素分析

段丽娜

(呼和浩特市机械工程职业技术学校，内蒙古 呼和浩特 010051)

1 动车组信号设备概述

高速铁路是我国铁路客运的新型运输方式，在世界范围内领先于其他国家，呈速度化发展趋势。作为现代交通运输的重要标志，高铁对速度的要求逐渐提升，保证行车安全不能仅靠地面设备，这对车载信号设备提出更高要求，满足使用车载信号设备为主要的列车运行方式，并达到动车组运行要求。目前主要使用的是列车超速防护系统ATP，它具有安全、可靠、技术于一体的智能设备。

2 动车组信号设备的分类

ATP系统包括地面和车载设备两部分构成。①地面设备主要通过轨道电路、应答器接收运行前方轨道区段有关运行坡度、曲线、隧道等线路的相关参数信息，确定列车运行位置，实现对动车组实时速度的监测和运行中固定信息的采集、存储并发送。②车载设备主要是在司机室及车底。为了准确及时地接收地面信号，动车组信号接收天线(主要包括BTM天线、TCR天线、速度传感器及连接电缆等)全部安装于车体下方，这就对车体设计带来了困难，要防止运行阻力、特殊天气、恶劣运行环境、电磁辐射干扰等原因对车底信号设备的影响，这就要求设计时增加必要的防护措施，达到列车运行安全的目的。

3 动车组车载信号设备布局的影响因素

3.1 动车组运行阻力的影响

在车组运行时具有阻碍作用，且不可操控的外力称作列车阻力。

列车的阻力主要包括两部分，即基本阻力和附加阻力。基本阻力主要有车体零部件间的运动阻力、运行时的空气阻力，以及轨道与轮对之间的摩擦阻力和冲击阻力。附加阻力包括坡道附加阻力、曲线附加阻力和隧道附加阻力三部分。

3.1.1 基本阻力

在运行过程时，动车组形成基本阻力，包括列车零部件之间、车体表面与流动空气之间及轨道与轮对之间的摩擦和冲击。基本阻力基本包括以下5种形式：①由轴承摩擦产生的运行阻力；②车轮在钢轨上滚动所产生的运行阻力；③运行的轮对在轨道上摩擦形成的运行阻力；④冲击和震动产生的运行阻力；⑤空气阻力。

根据动力学在动车车辆的应用，列车运行时所形成的空气阻力与动车车体的流线型程度、表面光滑度以及车体长度有关。

空气阻力的计算公式为：

Wa=CxFρv2/2

(1)

式中：Wa——空气阻力(N)；Cx——空气阻力系数；F——列车迎风面的截面积(m2)；ρ——空气密度(kg/m2)；v——列车相对风的速度(m/s)。

其中空气阻力系数Cx与每——辆机车的空气阻力系数有关。机车包括首车、尾车及首车和尾车之外的其他车组。它们的关系如下：

Cx=Cx1+Cx2+Cx3

(2)

式中：Cx——空气阻力系数；

Cx1——首车空气阻力系数；

Cx2——尾车空气阻力系数；

Cx3——同车组其他列车的空气阻力系数。

由式1可以认为，空气阻力与列车运行速度的平方成正比。当列车低速运行时(v<200 km/h)，空气阻力占据较少小比例。当列车高速行驶时(v>200 km/h)，基本阻力主要是空气阻力。实际运行中由于理论数据不足，难于计算空气阻力系数的大小，可经过数次对实际的列车编组和线路运行条件进行测试测得。

如果基于理论分析，空气阻力只是一种对车组运行有阻碍作用的基本阻力，分析时可将空气阻力看作是与车组运行方向相反的作用力。现实条件下，空气阻力和列车运行方向不在一条直线上，空气阻力对列车运行产生侧向力，行驶的列车在侧向力的影响下形成侧向力矩。因此，改善侧向力对动车组的影响，可有效地达到列车运行安全的要求。实际情况下，速度须考虑风速的作用，列车在不同风速下的运行速度，见表1。

表1 列车在不同风速下的运行速度

从以上的数据可以看出，列车的基本阻力有多种形式，而且部分形式不是定值，不能采用公式得出。所以，通过一系列真实车组的牵引试验得出基本阻力的近似值，来表征列车基本阻力的大小。

列车单位重量基本阻力的计算公式为：

w0=a+bv+cv2

(3)

式中：w0——列车单位基本阻力；v——列车运行速度；a，b，c——与车辆类型有关的经验常数。

3.1.2 附加阻力

动车组的附加阻力几乎不受动车组车辆影响，而是与坡道、曲线、隧道等线路行驶参数有直接关系。由这些形式产生的阻力分别称作坡道附加阻力、曲线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，列车运行时的重力沿下坡道方向的分力。坡道附加阻力(Wi)为：

Wi=Mgsinθ

(4)

式中：Wi——坡道附加阻力(kN)；M——列车质量(t)；g——重力加速度(m/s2)；θ——坡道夹角。

在实际情况下，sinθ很难计算，而在工程设计时可确定sinθ的大小。在真实运行条件中，坡道夹角θ一般不高于30‰，因此tanθ≈sinθ。《列车牵引计算规程》中要求坡道的坡度采用千分数表示，其大小是坡道高度差和坡道水平长度的比值，结果保留两位小数。

我们在牵引计算时，经常需要计算单位重量坡道阻力(Wi)的大小，它可以通过式(5)得到：

(5)

式中，Wi——单位重量坡道附加阻力(N/kN)。

从上式得出，能使用坡道的坡度千分数值近似地看作单位重量坡道附加阻力的大小。

3.1.2.2 曲线附加阻力。 曲线附加阻力(简称“曲线阻力”)是指由于相同情况下，列车在曲线行驶时的阻力超出直线行驶时的那部分阻力。曲线阻力产生其主要原因包括轮对上纵横双向之间滑动、轮缘和轨道内侧的接触增大、转向架转向与侧向力的影响以及上下心盘等部件接触增大。

由于导致原因较多，很难确定曲线阻力的大小，因此《列车牵引计算规程》里要求，车组运行在标准轨距的圆曲线上，其单位重量曲线附加阻力计算公式为：

(6)

式中：wr——单位曲线附加阻力；R——曲线半径(m)。

3.1.2.3 隧道附加阻力。隧道附加阻力(简称“隧道阻力”)表示运行的动车组在隧道中空气阻力超出空旷地区空气阻力的部分。隧道阻力的影响因素包括隧道长度、隧道截面积、列车截面积以及列车外形。目前，隧道阻力的大小还没有明确，正常通过经验公式以及证明测试得出，单位重量隧道附加阻力的计算公式为：

ws=0.000 13·Ls(N/kN)

(7)

式中：Ls——隧道长度(m)；vs——列车在隧道内的运行速度(km/h)。

3.1.2.4 加算附加阻力。 根据上述得出，线路运行条件改变，导致车组运行附加阻力的大小的变化。附加阻力的形式包括坡道附加阻力、曲线附加阻力和隧道附加空气阻力。这些附加阻力建立在不同的线路参数上可独立出现，或采用更多形式共存。目前我们将所有关于线路运行参数变化造成的单位重量附加阻力之和通过单位加算附加阻力Wj计算，即：

wj=wi+wr+ws(N/kN)

(8)

3.1.2.5 其他附加阻力。 除此之外，还有部分阻力源于气候条件的改变，比如刮风或极寒气候。基本阻力的计算公式是通过试验并满足特定的气候条件下验证的。

3.2 电磁辐射与信号干扰的影响

①动车组车底信号设备较多，间隔距离小，大部分以无线通信为主，易造成干扰，电磁环境较为复杂；②动车组其动力来源为高压接触网，所以能够形成较大的电磁辐射。对于通过电磁波实现无线通信的车载-地面通信，不能免除受到所形成电磁辐射的危害，尤其是升、降受电弓和过分相区过程中，瞬间高压导致的浪涌脉冲，会带来危害更严重的电磁辐射。这就对地面设备和车载信号设备的电磁兼容性提出更高的目标，不仅能实现正常通信，还能减少接触网对车载-地面通信造成的电磁辐射干扰。所以，电磁兼容与信号抗干扰是实现列车行车稳定的重要原因。

3.3 特殊天气的影响

正常情况下，良好天气对行车没有太大影响，而较为特殊的天气条件下，比如低温、冰雪天气，使车底信号设备易造成危害，极大影响列车运行安全。由于轨面有冰，降低车轮对黏着系数易发生打滑，会导致测速测距的准确性降低；车底部分信号设备长时间暴露在温度较低和冰雪环境中更加脆弱，在异物作用时容易引发损坏；车下测速雷达表面结冰会降低测速测距的精准度，甚至出现测速测距不正常等情况。

3.4 恶劣环境的影响

车载信号设备的车底部分工作环境相当恶劣，完全暴露在较为开放的空间中，列车高速运行时，很容易受到地面带起的异物撞击，而且高速气流对连接电缆具有破坏性，造成车底信号设备无法正常工作，甚至损坏，严重影响列车运行安全。

4 防护措施

在设计车体时，车体底部的形状对空气阻力影响很大，而车载信号设备的车底部分为了更好地接收地面设备发送的信号，必须降低空气阻力对其影响，所以使用和车身横断面形状相匹配的裙板遮挡车底设备，同时也可预防列车在极快的车速行驶时带起的异物撞击车底设备。还可以增加底部倒流板，使车底气流形成“死水”区，有效减少了车辆部件的表面摩擦阻力和前后压差阻力。

为了减少浪涌电压和干扰信号对车底信号设备的影响，可通过加装浪涌保护装置，抑制动车组在升、降受电弓和过分相头时车头车体和转向架之间的高压瞬变浪涌；加装线路滤波器消除无线干扰；加装光电隔离盒等。

针对特殊天气，可临时进行应急处理，比如为了减少结冰，在测速雷达表面进行打蜡，及时安排人员对车底设备除冰，对连接电缆等重要部位加强防水处理等。

对于恶劣行车环境，可以通过安装防护板、橡胶皮套等装备改善设备防护条件，增强对设备的保护作用；其次，要加固车底设备，主要是车底连接电缆的紧固及其他信号设备固定螺母的防松防脱的预防。在日常维护时，进行关键部位的检查，找到问题及时报告、及时处理。

5 结束语

笔者以动车组车载信号设备布局的影响因素进行分析，表明车载信号设备对于列车运行起到至关重要的作用。车体设计布局时，要充分考虑车载信号设备的放置位置，主要位于机车内部，但部分信号设备必须放置在车底，为了更好地与地面设备发送和接收信号。为防止车底空气阻力、电磁辐射及干扰、特殊天气及恶劣环境的影响，做出有效的防护措施是十分必要的。