中低速磁浮車站區(qū)域軌枕布置方案

賈云光，石 晶，崔俊鋒，王 冠，嚴(yán) 兵

（北京全路通信信號研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070）

1 問題提出

近年來，中低速磁浮技術(shù)在我國發(fā)展迎來了新一波發(fā)展機(jī)遇，因其具有爬坡能力強(qiáng)、運(yùn)行平穩(wěn)、噪音小、造價(jià)低等特點(diǎn)，逐漸受到了廣泛關(guān)注。目前，已經(jīng)開通運(yùn)行的北京S1線[1]、長沙磁浮線均采用了中低速磁浮技術(shù)[2]，但這兩條磁浮線路所采用的列控定位測速系統(tǒng)存在較大差異，S1線采用的環(huán)線定位，而長沙磁浮采用的應(yīng)答器絕對定位，前者成本較高，后者成為磁浮線路主要采用的定位方式。

中低速磁懸浮列車由于無法采用輪式傳感器測量列車速度，因此發(fā)明了一種基于霍爾效應(yīng)的非接觸式電傳感器[3-4]，但要求軌枕是金屬的，其原理如圖1所示[5]。

磁浮列車的測速單元所用傳感器為6個(gè)或者4個(gè)獨(dú)立的渦流傳感器構(gòu)成的傳感器組，如圖1所示。列車運(yùn)行過程中，渦流傳感器依次劃過金屬軌枕，產(chǎn)生脈沖信號輸出，測速單元獲取所有渦流傳感器輸出的脈沖信號，計(jì)算后得出當(dāng)前車輛運(yùn)行的速度值[6]。

圖1 車輛速度傳感器安裝示意Fig.1 Schematic diagram of the installation of speed sensors on a vehicle

由以上原理可知，當(dāng)金屬軌枕越密，列車測速精度越準(zhǔn)確，軌枕間距越大，測速精度越不精確。因此，對于列車測速來講，軌枕間距越密越好。

然而，對于應(yīng)答器來講，其對周邊的非金屬空間有要求，過小的非金屬空間會(huì)影響應(yīng)答器的定位性能，因此對于應(yīng)答器來講，軌枕間距越大越好。

上述兩種服務(wù)于列控定位產(chǎn)品的測速測距產(chǎn)品對軌枕的需求產(chǎn)生了矛盾。為解決好以上問題，且最大限度發(fā)揮好各自產(chǎn)品的性能，本文結(jié)合鳳凰磁浮工程實(shí)際探討中低速磁浮軌枕間距的布置方案。

2 既有線路調(diào)研

目前國內(nèi)僅開通了兩條磁浮線路北京S1線以及長沙機(jī)場線，北京S1采用環(huán)線定位，不存在該問題。長沙機(jī)場磁浮信號采用某公司的應(yīng)答器進(jìn)行定位，經(jīng)過調(diào)研，該線路站內(nèi)應(yīng)答器安裝處的軌枕間距為1 200 mm，能夠很好滿足應(yīng)答器安裝條件，但列車在進(jìn)站過程存在測速精度不高等問題。針對鳳凰磁浮軌枕間距的布置問題，車輛技術(shù)人員根據(jù)之前運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)提出在車站內(nèi)的軌枕間距按625 mm進(jìn)行布置，軌道專業(yè)技術(shù)人員考慮制造、平順、經(jīng)濟(jì)等因素能做到站內(nèi)軌枕間距最小600 mm，上述間距要求對應(yīng)答器的應(yīng)用帶來挑戰(zhàn)。

3 應(yīng)答器對軌枕間距需求分析

3.1 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范分析的要求

根據(jù)應(yīng)答器（標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)答器尺寸為390 mm×200 mm）無金屬區(qū)空間的規(guī)范[7]要求，當(dāng)本工程按照橫向安裝應(yīng)答器的方式下，軌枕間距至少應(yīng)滿足830 mm。

根據(jù)《應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)技術(shù)資料》（TB/T 3485-2017）中第3.1.2所屬，應(yīng)答器對安裝環(huán)境中無金屬的規(guī)定，應(yīng)答器橫向安裝時(shí)對無金屬區(qū)水平沿線路方向最低要求為315+315=630 mm，水平垂直與線路中心方向最低要求為410+410=820 mm。

考慮金屬軌枕的物理應(yīng)答器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對無金屬區(qū)規(guī)定寬度為200 mm，則應(yīng)答器相鄰金屬軌枕之間的中心間距應(yīng)不小于630+200=830 mm，如圖2所示。

圖2 符合應(yīng)答器標(biāo)準(zhǔn)的軌枕布置Fig.2 Sleeper layout conforming to the balises standard

3.2 軌枕過密時(shí)對應(yīng)答器定位的影響分析

由于磁浮軌枕由金屬構(gòu)成，導(dǎo)致每兩個(gè)軌枕與磁浮軌道構(gòu)成一個(gè)閉合回路，磁場在回路的作用下產(chǎn)生感應(yīng)電流，相當(dāng)于在應(yīng)答器上增加了發(fā)射線圈。

如圖3所示，當(dāng)應(yīng)答器天線接近次一級鋼軌時(shí)，應(yīng)答器天線向下產(chǎn)生27 MHz的變化磁場，該磁場首先感應(yīng)應(yīng)答所在位置的前一級鋼軌回路，前一鋼軌回路產(chǎn)生感性電流，導(dǎo)致應(yīng)答器所在鋼軌產(chǎn)生磁場激活應(yīng)答器。

圖3 接近應(yīng)答器過程中鋼軌磁場變化Fig.3 Changes in rail magnetic field when a train approaches the balises

應(yīng)答器激活后，以4 MHz左右的交變磁場感應(yīng)鋼軌，產(chǎn)生感生電流作用于前一級鋼軌，導(dǎo)致應(yīng)答器天線誤以為接收到了應(yīng)答器發(fā)送的信息，如圖4所示。

圖4 鋼軌閉合可能產(chǎn)生的虛擬應(yīng)答器示意Fig.4 Schematic diagram of a virtual balises that may be produced by induced currents of rails

應(yīng)答器作用原理導(dǎo)致其對閉合金屬特別敏感。因此通過修改應(yīng)答器方案解決當(dāng)前的問題存在相當(dāng)大困難。如果一味縮小應(yīng)答器，會(huì)導(dǎo)致應(yīng)答器作用距離過短，從而無法正常接收。

鐵路選擇應(yīng)答器主要基于應(yīng)答器兩個(gè)作用：一是接收應(yīng)答器報(bào)文，二是實(shí)現(xiàn)精確定位。如上通過軟件能夠解決應(yīng)答器報(bào)文接收問題，使得應(yīng)答器不再出現(xiàn)丟失或全零導(dǎo)致的列車停車問題，而對于應(yīng)答器精確定位問題卻無法解決。因此，軌枕過密會(huì)導(dǎo)致應(yīng)答器定位不準(zhǔn)。

4 鳳凰磁浮項(xiàng)目軌枕間距問題的解決方案

根據(jù)工程應(yīng)用情況和相關(guān)規(guī)范要求，針對鳳凰磁浮的實(shí)際情況提出3種建議解決方案。

方案1：軌枕非等間距布置方案

綜合應(yīng)答器安裝以及列車測速對鋼軌布置的要求，站內(nèi)鋼軌間距維持600 mm，僅在要求安裝應(yīng)答器位置的鋼軌處，將鋼軌安裝間距設(shè)置為900 mm。

該方案既滿足了應(yīng)答器的安裝需求，也能夠提升測距的精度，但應(yīng)答器安裝的地方不能滿足測速測距對軌枕間距的最小要求。

方案2：軌枕等間距布置方案

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)答器水平方向無金屬區(qū)要求，一并考慮應(yīng)答器安裝誤差等因素，站臺(tái)區(qū)域（有效站臺(tái)范圍內(nèi)）軌枕中心間距按900 mm設(shè)計(jì)。

該方案首先滿足規(guī)范要求，另外考慮磁浮列車低速測速測距精度要求，在長沙磁浮快線應(yīng)用實(shí)例的基礎(chǔ)上，盡可能降低相鄰軌枕之間間距。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證，降低軌枕間距將有利于提升低速條件下的測速測距精度。

方案3：軌枕截?cái)喾桨?/p>

此方案按照站臺(tái)區(qū)域軌枕間距625 mm進(jìn)行安裝，在遇應(yīng)答器安裝沖突位置處截?cái)嘬壵怼?/p>

如圖5所示，軌枕間距為625 mm，渦流傳感器間距為800 mm，渦流傳感器的安裝要求存在尺寸干涉（渦流傳感器要求135 mm金屬尺寸寬度），紅色虛線框?yàn)閼?yīng)答器規(guī)范要求的無金屬區(qū)范圍。

圖5 采用軌枕截?cái)喾椒ǖ能壵聿贾梅桨窮ig.5 The sleeper layout scheme using the method of cutting off a sleeper

方案中按照應(yīng)答器縱向布置方式，沿線路方向滿足應(yīng)答器的無金屬區(qū)要求，但垂直線路中心線方向，被截?cái)嗟氖Ｓ嘬壵硪亚秩霊?yīng)答器無金屬區(qū)范圍內(nèi)。此方案在實(shí)驗(yàn)室測試基本滿足要求，但由于應(yīng)答器周邊金屬環(huán)境復(fù)雜，不屬于典型應(yīng)用場景，在應(yīng)答器相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)沒有相應(yīng)的應(yīng)用案例，在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)風(fēng)險(xiǎn)不好把控。

5 方案對比

方案1能夠滿足應(yīng)答器的安裝要求，也考慮了測速測距的間距要求，相比方案2有所提升。但非等間距的軌枕布置會(huì)對車輛懸浮的平穩(wěn)性、平順性[8]等其他問題可能造成影響。

方案2軌枕布置均勻，且在長沙磁浮工程中有1 200 mm等間距布置工程實(shí)例的基礎(chǔ)上有較大提升空間。同時(shí)根據(jù)計(jì)算能夠符合對行車平穩(wěn)性、安全性的要求。

方案3雖可滿足工程應(yīng)用條件，但對于截?cái)嘬壵韼淼能壵矸堑乳g距布置、工程實(shí)施困難和軌枕規(guī)格不統(tǒng)一等問題，將有可能使本工程在實(shí)施及后續(xù)維保過程中產(chǎn)生諸多風(fēng)險(xiǎn)。

綜合以上3種軌枕布置方案，如果不考慮應(yīng)力變化對磁浮車輛平順的影響，方案3是最佳方案，既能滿足應(yīng)答器安裝要求，也能最大限度滿足速度傳感器的要求。

6 結(jié)論

軌枕布置的間距問題目前在中低速磁浮應(yīng)用領(lǐng)域還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，本文結(jié)合應(yīng)答器安裝條件、測速測距需求、軌道設(shè)計(jì)生產(chǎn)要素以及車輛需求，建議軌枕按照830 mm等間距進(jìn)行設(shè)置。