多因素条件下高速轮轨关系对轨道电路性能影响

张超凡，刘 俊，罗汉冬，蒋晓鸽

（中国铁路南宁局集团集团有限公司，南宁 530003）

铁路运输系统中，铁路信号是确保行车安全、完善运行管理水平以及提升线路效率的重要基础设施。其中用于实现轨道车辆占用监测及通信的轨道电路则更是重中之重[1-2]。轨道电路是由钢轨线路和钢轨绝缘构成的电路，用于自动、连续检测这段线路是否被机车车辆占用，也用于控制信号装置或转辙装置，以保证轨道车辆的行车安全。同时，轨道电路另一个重要作用是能够检测钢轨是否发生断裂，在充当导线的钢轨安全无事时，轨道电流畅通无阻，继电器工作也正常。一旦前方钢轨发生断裂，切断了轨道电流，就会使继电器因供电不足而释放衔铁接通红色信号电路。此时，线路虽然空闲，信号机仍然显示红灯，从而防止列车颠覆事故。由此可见轨道电路系统对行车安全的重要性。目前，世界范围内各方学者都在对轨道电路的性能展开研究，其中对轮轨电阻的研究是一个重要的方向。

针对轨道电路的研究目前主要集中于对轨道电路空间域建模及传输特性、轨道电路暂态建模以及对轨道电路基础参数的获取。对于轨道电路的空间域建模及传输特性研究，意大利学者Mariscotti[3-4]研究了轨道电路中轮轨电阻的模型验证和电容补偿问题。赵林海等使用仿真方法研究补偿电容对于车辆信号幅值的影响，并提出对于ZPW-2000 的电容补偿计算方法[5]，还分析了TCR 中车辆走行速度与信号频率偏差间的关系[6]。在轨道电路暂态建模方面，赵斌等采用拉式反变换法[7]以及同伦分析法[8]对于轨道电路端面电流进行了求解，还建议利用车辆出/入区段时的信号突变特性对轨道电路的状态进行监测[9]。针对轨道电路基础参数的获取，Mariscotti[10-11]提出轨道一次参数的测量模式，并多次试验从而对直流、音频、工频工况中的一次参数进行了参数对比分析。而Lucca[12]则在边界元计算方法的帮助下对单位长度的轨道电导进行了计算。

在上述研究的基础上设计一种基于滚动台的轮轨电阻测量试验，通过对轨道车辆运行过程中常见的多种干扰因素进行测试，研究各种干扰因素对于轮轨电阻的影响。文章第一部分提出基于滚动台的轮轨电阻测量试验原理及装置；第二部分针对测量电路参数对轨道电路的影响进行试验研究，分别测试了电压值、频率值对其的影响；第三部分对轮重、走行速度等轨道车辆运行状态对轮轨电阻的影响进行试验；第四部分则着重研究了轨道状态对轮轨电阻的影响。

1 轮轨电阻测量试验

针对分路不良问题，对轮轨接触关系的电气特性进行研究，同时开发的试验装置具备模拟静态、动态工况中不同外界因素对接触电阻与分路效果的影响，通过对不同测量电路参数车型、牵引工况、车速等因素对轨道电路影响测试工作，完成数据的分析和规律统计；研究高速条件下，轨道电路轮轨电阻计算方法，完成轮轨接触关系等效模型建立，具备评估轨道电路分路性能的能力。等效电路如图1 所示，图中两轴转向架各轮对形状相同，有相同电阻w、与台车绝缘，且该转向架位于图示试验用轨道电路内。

图1 轮轨电阻测量试验等效电路Fig.1 Wheel-rail resistance measurement test equivalent circuit

在图1 中，R0为引线电阻，R1、R2、R3为钢轨部位的电阻，S1、S2为引线与钢轨连接处的电阻，r1a、r1b、r2a、r2b为轮轨间的接触电阻。规定电源电压为V、各部电流为i1、i2、i3，根据基尔霍夫定律，该并联电路如公式（1）、（2）所示。

规定各轮对轮轨电阻为r1、r2，包含轮对自身电阻，如公式（3）、（4）所示。

因此，根据电路总电流i1，及任一轮对内电流i2或i3之测量值，可连续进行走行中的轮轨电阻r1、r2的理论求算。

如图2 所示，根据上述轮轨电阻测定试验原理可以对试验所需的装置进行制备。轮-轮动态滚动试验台由转向架与嵌入轨道中的车轮组成，其中转向架上的车轮踏面与嵌入轨道中的车轮踏面紧密接触，且保证接触面光滑无锈蚀情况。在进行试验时，使用两个碳刷通过工装分别固定于轨道上端面与侧面，碳刷与工装进行了高阻抗等级的绝缘处理，其中固定于轨道上端面的碳刷前端与转向架车轮踏面贴紧，而固定于轨道侧面的碳刷前端与嵌入轨道中的车轮踏面贴紧，以此形成回路，一方面为两车轮间提供激励，另一方面能够测量两车轮间的接触电阻。

图2 轮轨电阻测量试验装置Fig.2 Test device of wheel-rail resistance measurement

由于轮轨间电阻值小，因此对测量精度要求较高。轮-轮动态滚动试验台搭建完成后，对试验测试设备进行标定，在轮轨间施加大小为3 V，频率为50 Hz 的激励电压，通过测量相邻5 个点的电阻，得到轮轨电阻大小均为0.24 Ω，测量设备具有良好的精度。

2 测量电路参数对轮轨电阻的影响

为保证对轮轨电阻测量试验研究的可靠性，首先需要对试验所采用的测量电路参数的影响进行研究。在本文中，关于测量电路的关键参数主要选取其电压值与频率值。

2.1 电压值对于轮轨电阻的影响

如图3（a）所示，当改变轮轨之间的激励电压时，接触电阻值产生明显的变化。当激励电压越高，接触电阻越小。由于加在轮轨两端的电压越大，越容易击穿轮轨之间保护膜，导致轮轨之间接触电阻值会更小。但是电压在增大到一定程度后，电阻值下降的幅度变小。

图3 电压值对轮轨电阻的影响Fig.3 Influence of voltage on wheel-rail resistance

为研究轮轨电路的谐振电压对电阻影响，可以选取多种不同电压幅值对电阻进行监测，结合前期研究得出轨道电路电压主要分为200 mV、500 mV、800 mV、3 V 以及10 V。通过更改信号发生器输出电压幅值，可以实现不同电压的输出。如图3（b）所示，随着轮轨间分电路电压的增大，接触电阻随之减小。当分路电压为100 mV 时，接触电阻最大，为0.56 Ω，且当电压从100 mV 变化到3 V 时，电阻迅速下降到0.24 Ω，而当电压继续增大时，电阻下降速度逐渐变缓，这是由于分路电压已增大到能够击穿接触膜的临界电压值，此时接触电阻基本为最小轮轨电阻。若继续增大电压，分路效果不会再发生大变化。

2.2 频率值对于轮轨电阻的影响

交流电频率即电流大小和方向在一定的时间内所变化的次数。为研究轮轨电路的谐振电流频率对电阻影响，可以选取多种不同谐振电流频率的谐振电流对电阻进行监测。通过前期研究，可以得出轨道电路频率主要分为25 Hz、50 Hz、550 Hz 以及1 700 Hz。通过更改信号发生器输出电压频率，以实现不同频率电流的输出。如图4（a）所示，接触电阻随压力增大而减小，但频率改变对电阻的大小没有明显改变，可以判定信号频率对接触电阻几乎没有影响。

如图4（b）所示，随着轮轨间分电路频率的变化，接触电阻并不随之变化。当分路电压为500 mV 时，电阻稳定在约0.45 Ω。当电压增大到3 V 时，电阻变小至0.25 Ω。在这种情况下，接触电阻不随电路频率的变化而变化，充分说明接触电阻并不随频率值的变化而变化。

3 车辆运行状态对轮轨电阻的影响

3.1 轴重对于轮轨电阻的影响

通过调整加压阀可对轮轨接触点加压，从而对不同轴重下的轮轨电阻进行测量。根据前文所述方法记录不同压力下的电压电流关系，即可得出接触电阻随轮轨压力变化的关系如图5（a）所示。从图5（a）可以看出，当轮轨间压力增大时，接触电阻随压力增大而减小。可以看出压力从0 刚增大时电阻值下降较快，当到达15 kN 左右下降速度放缓。

图5 轴重对轮轨电阻的影响Fig.5 Influence of axle load on wheel-rail resistance

接触面清洁和有锈迹的不同轴重时的轮轨电阻变化如图5（b）所示。当接触面为光滑接触面时，接触电阻从0.7 Ω 下降到0.18 Ω，变化较小，但也符合轴重压力增大轮轨电阻减小的变化趋势。当接触面为锈迹接触面时，增加轴重，则相应轮轨电阻按等比级数骤减。轴重轻，轮轨电阻也低，随轴重增加，轮轨电阻也进一步下降，轮轨电阻从7 Ω 下降到2.5 Ω。在这种情况下，电阻随着轴重压力的增大而减小且趋势明显。

3.2 走行速度对于轮轨电阻的影响

轮-轮动态滚动试验台通过将车轮嵌入混凝土地面来实现主动轮的固定，当车轮转动时，仅存在车轮沿轴向的转动，剩余方向自由度被完全约束。如图6 所示，列车走行速度对轮轨间接触电阻影响相对较小。当轮轨间静止时，接触电阻大小为0.18 Ω；随着走行速度逐渐提升到9 km/h，轮轨接触电阻迅速增大到0.27 Ω；此后再增大走行速度时，接触电阻增加速度逐渐变缓。当走行速度从10 km/h 增大到50 km/h 的过程中，接触电阻仅从0.275 Ω 上升到0.32 Ω，当走行速度继续增大至100 km/h 时，接触电阻基本稳定在0.33 Ω 左右，不再发生明显增加。这是因为当车轮静止时，轮轨之间形成面积更大的接触斑点，这时拥有较好的分路效果，若车轮开始走行，随着轮轨间的蠕滑运动，接触斑点面积开始减小，且随着走行速度增加，分路效果逐渐变差。但当速度增大到一定数值后，接触斑点面积不再发生改变，分路效果达到阈值，接触电阻不再发生明显变化。

图6 走行速度对轮轨电阻的影响Fig.6 Influence of running speed on wheel-rail resistance

4 轨道状态对轮轨电阻的影响

4.1 踏面粗糙程度对于轮轨电阻的影响

通过不同砂纸对车轮进行打磨，以实现不同粗糙度变化。其中对于砂纸型号的区分：砂号数值越大，表示砂纸的粗细度越细；砂号数值越小，则表示砂纸的粗细度越粗。场发射扫描电子显微镜显示的不同粗糙程度下的表面特征如图7 所示。可以看出，随着粗糙程度的增加，金属表面的纹路明显加重，起伏状态也愈加明显。

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

如图8 所示，在同一轴重下，踏面粗糙度越高，轮轨接触电阻越小。在500 N 轴重条件下，当粗糙度为0.15 μm 时，轮轨接触电阻为0.35 Ω，而当粗糙度达到0.5 μm 时，轮轨接触电阻下降到0.3 Ω。这是因为任何经过精细加工的名义平面都是粗糙不平的，因此两接触元件发生接触时，视在接触斑中只有一部分凸出表面发生了实际机械接触。

图8 踏面粗糙程度对轮轨电阻的影响Fig.8 Influence of tread roughness on wheel-rail resistance

4.2 轮轨间油污对于轮轨电阻的影响

在轮轨接触摩擦学研究中，轮轨间的污染膜层通常也被称作“第三介质”，它是由多种污染物的混合体，在行车过程中经由轮轨碾压作用而形成的。通常第三介质由多个膜层叠加构成，致密而坚实，不同应用环境下污染膜层的构成和特性会有所差异。油膜厚度属于微观研究领域，因此需要借助现为设备观察轮轨表面油污形貌。

放大后的实际钢轨表面的污染膜层如图9 所示，可以看出，油膜层将整个踏面金属表面包裹。在研究油污对轮轨间电阻影响时，油污通过油刷均匀涂刷在转向架车轮踏面无锈蚀处，选取走行速度5 km/h 匀速运行，分析车轮在走行过程中车轮踏面由于摩擦使油污厚度不断减少时，接触电阻的变化情况。

图9 钢轨表面污染膜层Fig.9 Contaminated film on rail surface

如图10 所示，通过观察轮轨的接触电阻随走行时间变化曲线能够看出，随着走行时间的增加，轮轨间的接触电阻逐渐减小，在走行的初始时刻，接触电阻高达10 Ω，且在起始一段时间内下降迅速，而在15 s 时已经下降到1.2 Ω，随后明显能够看出接触电阻减小的速度逐渐降低，最终趋于稳定。这是因为在车轮运动的0 ～15 s 时间内，油膜厚度在踏面摩擦的作用下迅速减小，而当油膜厚度下降到一定数值后，踏面摩擦不再能够消耗油膜层的厚度，此时接触电阻不再变化，分路效果达到最优值。这说明污染膜层虽然坚实，但在轮轨间切向摩擦力和法向载荷等因素的共同作用下，会随着列车运行次数等因素的增加而逐渐变薄，直至破裂。

图10 轮轨间油污对轮轨电阻的影响Fig.10 Influence of oil pollution between wheel and rail on wheel-rail resistance

5 结论

本文基于多因素干扰下滚动台试验对轨道车辆轮轨电阻的特性及影响程度展开了研究，得到下列结论。

1）对于测量电路参数的改变，电压值对轮轨间接触电阻大小有着一定的影响，当电压增大时，轮轨间接触电阻将随之减小，更大的电压将会有效改善分路效果；而频率大小对接触电阻并没有明显影响，在改变频率值时，可以观察到接触电阻并未随之发生明显改变。

2）对于轨道车辆运行状态的改变，更大的轴重能够使轮轨间形成更加有效的接触斑点，从而降低轮轨接触电阻，改善分路效果。此外，锈蚀情况对轮轨间接触电阻大小起着支配性作用，当轮轨接触面间存在锈蚀情况时，接触电阻明显增大。但随着轴重增大，接触电阻同样会随之减小。而车轮走行速度对轮轨间接触电阻的影响则较小，且当走行速度提升时，分路效果存在阈值，当走行速度达到某一特定数值后，轮轨间接触电阻将保持稳定，不再发生明显变化。

3）对于轨道状态的改变，光滑的车轮踏面一般具有相对更大的接触电阻，而提高车轮踏面的粗糙度会减小轮轨间的接触电阻。这是因为粗糙的车轮踏面在走行的过程中更易形成有效的、面积更大的接触斑点，从而改善分路效果。而油污则对轮轨间接触电阻有较大影响，当轮轨间存在油污时，分路效果急剧恶化，轮轨接触电阻明显增大，此时会产生分路不良，但随着走行时间增加，油膜厚度在踏面摩擦的作用下变薄，轮轨接触电阻会随之降低。