張超凡，劉 俊，羅漢冬，蔣曉鴿

（中國(guó)鐵路南寧局集團(tuán)集團(tuán)有限公司，南寧 530003）

鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)中，鐵路信號(hào)是確保行車安全、完善運(yùn)行管理水平以及提升線路效率的重要基礎(chǔ)設(shè)施。其中用于實(shí)現(xiàn)軌道車輛占用監(jiān)測(cè)及通信的軌道電路則更是重中之重[1-2]。軌道電路是由鋼軌線路和鋼軌絕緣構(gòu)成的電路，用于自動(dòng)、連續(xù)檢測(cè)這段線路是否被機(jī)車車輛占用，也用于控制信號(hào)裝置或轉(zhuǎn)轍裝置，以保證軌道車輛的行車安全。同時(shí)，軌道電路另一個(gè)重要作用是能夠檢測(cè)鋼軌是否發(fā)生斷裂，在充當(dāng)導(dǎo)線的鋼軌安全無(wú)事時(shí)，軌道電流暢通無(wú)阻，繼電器工作也正常。一旦前方鋼軌發(fā)生斷裂，切斷了軌道電流，就會(huì)使繼電器因供電不足而釋放銜鐵接通紅色信號(hào)電路。此時(shí)，線路雖然空閑，信號(hào)機(jī)仍然顯示紅燈，從而防止列車顛覆事故。由此可見(jiàn)軌道電路系統(tǒng)對(duì)行車安全的重要性。目前，世界范圍內(nèi)各方學(xué)者都在對(duì)軌道電路的性能展開(kāi)研究，其中對(duì)輪軌電阻的研究是一個(gè)重要的方向。

針對(duì)軌道電路的研究目前主要集中于對(duì)軌道電路空間域建模及傳輸特性、軌道電路暫態(tài)建模以及對(duì)軌道電路基礎(chǔ)參數(shù)的獲取。對(duì)于軌道電路的空間域建模及傳輸特性研究，意大利學(xué)者M(jìn)ariscotti[3-4]研究了軌道電路中輪軌電阻的模型驗(yàn)證和電容補(bǔ)償問(wèn)題。趙林海等使用仿真方法研究補(bǔ)償電容對(duì)于車輛信號(hào)幅值的影響，并提出對(duì)于ZPW-2000 的電容補(bǔ)償計(jì)算方法[5]，還分析了TCR 中車輛走行速度與信號(hào)頻率偏差間的關(guān)系[6]。在軌道電路暫態(tài)建模方面，趙斌等采用拉式反變換法[7]以及同倫分析法[8]對(duì)于軌道電路端面電流進(jìn)行了求解，還建議利用車輛出/入?yún)^(qū)段時(shí)的信號(hào)突變特性對(duì)軌道電路的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)[9]。針對(duì)軌道電路基礎(chǔ)參數(shù)的獲取，Mariscotti[10-11]提出軌道一次參數(shù)的測(cè)量模式，并多次試驗(yàn)從而對(duì)直流、音頻、工頻工況中的一次參數(shù)進(jìn)行了參數(shù)對(duì)比分析。而Lucca[12]則在邊界元計(jì)算方法的幫助下對(duì)單位長(zhǎng)度的軌道電導(dǎo)進(jìn)行了計(jì)算。

在上述研究的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一種基于滾動(dòng)臺(tái)的輪軌電阻測(cè)量試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)軌道車輛運(yùn)行過(guò)程中常見(jiàn)的多種干擾因素進(jìn)行測(cè)試，研究各種干擾因素對(duì)于輪軌電阻的影響。文章第一部分提出基于滾動(dòng)臺(tái)的輪軌電阻測(cè)量試驗(yàn)原理及裝置；第二部分針對(duì)測(cè)量電路參數(shù)對(duì)軌道電路的影響進(jìn)行試驗(yàn)研究，分別測(cè)試了電壓值、頻率值對(duì)其的影響；第三部分對(duì)輪重、走行速度等軌道車輛運(yùn)行狀態(tài)對(duì)輪軌電阻的影響進(jìn)行試驗(yàn)；第四部分則著重研究了軌道狀態(tài)對(duì)輪軌電阻的影響。

1 輪軌電阻測(cè)量試驗(yàn)

針對(duì)分路不良問(wèn)題，對(duì)輪軌接觸關(guān)系的電氣特性進(jìn)行研究，同時(shí)開(kāi)發(fā)的試驗(yàn)裝置具備模擬靜態(tài)、動(dòng)態(tài)工況中不同外界因素對(duì)接觸電阻與分路效果的影響，通過(guò)對(duì)不同測(cè)量電路參數(shù)車型、牽引工況、車速等因素對(duì)軌道電路影響測(cè)試工作，完成數(shù)據(jù)的分析和規(guī)律統(tǒng)計(jì)；研究高速條件下，軌道電路輪軌電阻計(jì)算方法，完成輪軌接觸關(guān)系等效模型建立，具備評(píng)估軌道電路分路性能的能力。等效電路如圖1 所示，圖中兩軸轉(zhuǎn)向架各輪對(duì)形狀相同，有相同電阻w、與臺(tái)車絕緣，且該轉(zhuǎn)向架位于圖示試驗(yàn)用軌道電路內(nèi)。

圖1 輪軌電阻測(cè)量試驗(yàn)等效電路Fig.1 Wheel-rail resistance measurement test equivalent circuit

在圖1 中，R0為引線電阻，R1、R2、R3為鋼軌部位的電阻，S1、S2為引線與鋼軌連接處的電阻，r1a、r1b、r2a、r2b為輪軌間的接觸電阻。規(guī)定電源電壓為V、各部電流為i1、i2、i3，根據(jù)基爾霍夫定律，該并聯(lián)電路如公式（1）、（2）所示。

規(guī)定各輪對(duì)輪軌電阻為r1、r2，包含輪對(duì)自身電阻，如公式（3）、（4）所示。

因此，根據(jù)電路總電流i1，及任一輪對(duì)內(nèi)電流i2或i3之測(cè)量值，可連續(xù)進(jìn)行走行中的輪軌電阻r1、r2的理論求算。

如圖2 所示，根據(jù)上述輪軌電阻測(cè)定試驗(yàn)原理可以對(duì)試驗(yàn)所需的裝置進(jìn)行制備。輪-輪動(dòng)態(tài)滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)由轉(zhuǎn)向架與嵌入軌道中的車輪組成，其中轉(zhuǎn)向架上的車輪踏面與嵌入軌道中的車輪踏面緊密接觸，且保證接觸面光滑無(wú)銹蝕情況。在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，使用兩個(gè)碳刷通過(guò)工裝分別固定于軌道上端面與側(cè)面，碳刷與工裝進(jìn)行了高阻抗等級(jí)的絕緣處理，其中固定于軌道上端面的碳刷前端與轉(zhuǎn)向架車輪踏面貼緊，而固定于軌道側(cè)面的碳刷前端與嵌入軌道中的車輪踏面貼緊，以此形成回路，一方面為兩車輪間提供激勵(lì)，另一方面能夠測(cè)量?jī)绍囕嗛g的接觸電阻。

圖2 輪軌電阻測(cè)量試驗(yàn)裝置Fig.2 Test device of wheel-rail resistance measurement

由于輪軌間電阻值小，因此對(duì)測(cè)量精度要求較高。輪-輪動(dòng)態(tài)滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)搭建完成后，對(duì)試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定，在輪軌間施加大小為3 V，頻率為50 Hz 的激勵(lì)電壓，通過(guò)測(cè)量相鄰5 個(gè)點(diǎn)的電阻，得到輪軌電阻大小均為0.24 Ω，測(cè)量設(shè)備具有良好的精度。

2 測(cè)量電路參數(shù)對(duì)輪軌電阻的影響

為保證對(duì)輪軌電阻測(cè)量試驗(yàn)研究的可靠性，首先需要對(duì)試驗(yàn)所采用的測(cè)量電路參數(shù)的影響進(jìn)行研究。在本文中，關(guān)于測(cè)量電路的關(guān)鍵參數(shù)主要選取其電壓值與頻率值。

2.1 電壓值對(duì)于輪軌電阻的影響

如圖3（a）所示，當(dāng)改變輪軌之間的激勵(lì)電壓時(shí)，接觸電阻值產(chǎn)生明顯的變化。當(dāng)激勵(lì)電壓越高，接觸電阻越小。由于加在輪軌兩端的電壓越大，越容易擊穿輪軌之間保護(hù)膜，導(dǎo)致輪軌之間接觸電阻值會(huì)更小。但是電壓在增大到一定程度后，電阻值下降的幅度變小。

圖3 電壓值對(duì)輪軌電阻的影響Fig.3 Influence of voltage on wheel-rail resistance

為研究輪軌電路的諧振電壓對(duì)電阻影響，可以選取多種不同電壓幅值對(duì)電阻進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)合前期研究得出軌道電路電壓主要分為200 mV、500 mV、800 mV、3 V 以及10 V。通過(guò)更改信號(hào)發(fā)生器輸出電壓幅值，可以實(shí)現(xiàn)不同電壓的輸出。如圖3（b）所示，隨著輪軌間分電路電壓的增大，接觸電阻隨之減小。當(dāng)分路電壓為100 mV 時(shí)，接觸電阻最大，為0.56 Ω，且當(dāng)電壓從100 mV 變化到3 V 時(shí)，電阻迅速下降到0.24 Ω，而當(dāng)電壓繼續(xù)增大時(shí)，電阻下降速度逐漸變緩，這是由于分路電壓已增大到能夠擊穿接觸膜的臨界電壓值，此時(shí)接觸電阻基本為最小輪軌電阻。若繼續(xù)增大電壓，分路效果不會(huì)再發(fā)生大變化。

2.2 頻率值對(duì)于輪軌電阻的影響

交流電頻率即電流大小和方向在一定的時(shí)間內(nèi)所變化的次數(shù)。為研究輪軌電路的諧振電流頻率對(duì)電阻影響，可以選取多種不同諧振電流頻率的諧振電流對(duì)電阻進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過(guò)前期研究，可以得出軌道電路頻率主要分為25 Hz、50 Hz、550 Hz 以及1 700 Hz。通過(guò)更改信號(hào)發(fā)生器輸出電壓頻率，以實(shí)現(xiàn)不同頻率電流的輸出。如圖4（a）所示，接觸電阻隨壓力增大而減小，但頻率改變對(duì)電阻的大小沒(méi)有明顯改變，可以判定信號(hào)頻率對(duì)接觸電阻幾乎沒(méi)有影響。

如圖4（b）所示，隨著輪軌間分電路頻率的變化，接觸電阻并不隨之變化。當(dāng)分路電壓為500 mV 時(shí)，電阻穩(wěn)定在約0.45 Ω。當(dāng)電壓增大到3 V 時(shí)，電阻變小至0.25 Ω。在這種情況下，接觸電阻不隨電路頻率的變化而變化，充分說(shuō)明接觸電阻并不隨頻率值的變化而變化。

3 車輛運(yùn)行狀態(tài)對(duì)輪軌電阻的影響

3.1 軸重對(duì)于輪軌電阻的影響

通過(guò)調(diào)整加壓閥可對(duì)輪軌接觸點(diǎn)加壓，從而對(duì)不同軸重下的輪軌電阻進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)前文所述方法記錄不同壓力下的電壓電流關(guān)系，即可得出接觸電阻隨輪軌壓力變化的關(guān)系如圖5（a）所示。從圖5（a）可以看出，當(dāng)輪軌間壓力增大時(shí)，接觸電阻隨壓力增大而減小?？梢钥闯鰤毫? 剛增大時(shí)電阻值下降較快，當(dāng)?shù)竭_(dá)15 kN 左右下降速度放緩。

圖5 軸重對(duì)輪軌電阻的影響Fig.5 Influence of axle load on wheel-rail resistance

接觸面清潔和有銹跡的不同軸重時(shí)的輪軌電阻變化如圖5（b）所示。當(dāng)接觸面為光滑接觸面時(shí)，接觸電阻從0.7 Ω 下降到0.18 Ω，變化較小，但也符合軸重壓力增大輪軌電阻減小的變化趨勢(shì)。當(dāng)接觸面為銹跡接觸面時(shí)，增加軸重，則相應(yīng)輪軌電阻按等比級(jí)數(shù)驟減。軸重輕，輪軌電阻也低，隨軸重增加，輪軌電阻也進(jìn)一步下降，輪軌電阻從7 Ω 下降到2.5 Ω。在這種情況下，電阻隨著軸重壓力的增大而減小且趨勢(shì)明顯。

3.2 走行速度對(duì)于輪軌電阻的影響

輪-輪動(dòng)態(tài)滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)通過(guò)將車輪嵌入混凝土地面來(lái)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)輪的固定，當(dāng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，僅存在車輪沿軸向的轉(zhuǎn)動(dòng)，剩余方向自由度被完全約束。如圖6 所示，列車走行速度對(duì)輪軌間接觸電阻影響相對(duì)較小。當(dāng)輪軌間靜止時(shí)，接觸電阻大小為0.18 Ω；隨著走行速度逐漸提升到9 km/h，輪軌接觸電阻迅速增大到0.27 Ω；此后再增大走行速度時(shí)，接觸電阻增加速度逐漸變緩。當(dāng)走行速度從10 km/h 增大到50 km/h 的過(guò)程中，接觸電阻僅從0.275 Ω 上升到0.32 Ω，當(dāng)走行速度繼續(xù)增大至100 km/h 時(shí)，接觸電阻基本穩(wěn)定在0.33 Ω 左右，不再發(fā)生明顯增加。這是因?yàn)楫?dāng)車輪靜止時(shí)，輪軌之間形成面積更大的接觸斑點(diǎn)，這時(shí)擁有較好的分路效果，若車輪開(kāi)始走行，隨著輪軌間的蠕滑運(yùn)動(dòng)，接觸斑點(diǎn)面積開(kāi)始減小，且隨著走行速度增加，分路效果逐漸變差。但當(dāng)速度增大到一定數(shù)值后，接觸斑點(diǎn)面積不再發(fā)生改變，分路效果達(dá)到閾值，接觸電阻不再發(fā)生明顯變化。

圖6 走行速度對(duì)輪軌電阻的影響Fig.6 Influence of running speed on wheel-rail resistance

4 軌道狀態(tài)對(duì)輪軌電阻的影響

4.1 踏面粗糙程度對(duì)于輪軌電阻的影響

通過(guò)不同砂紙對(duì)車輪進(jìn)行打磨，以實(shí)現(xiàn)不同粗糙度變化。其中對(duì)于砂紙型號(hào)的區(qū)分：砂號(hào)數(shù)值越大，表示砂紙的粗細(xì)度越細(xì)；砂號(hào)數(shù)值越小，則表示砂紙的粗細(xì)度越粗。場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡顯示的不同粗糙程度下的表面特征如圖7 所示?？梢钥闯?，隨著粗糙程度的增加，金屬表面的紋路明顯加重，起伏狀態(tài)也愈加明顯。

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

如圖8 所示，在同一軸重下，踏面粗糙度越高，輪軌接觸電阻越小。在500 N 軸重條件下，當(dāng)粗糙度為0.15 μm 時(shí)，輪軌接觸電阻為0.35 Ω，而當(dāng)粗糙度達(dá)到0.5 μm 時(shí)，輪軌接觸電阻下降到0.3 Ω。這是因?yàn)槿魏谓?jīng)過(guò)精細(xì)加工的名義平面都是粗糙不平的，因此兩接觸元件發(fā)生接觸時(shí)，視在接觸斑中只有一部分凸出表面發(fā)生了實(shí)際機(jī)械接觸。

圖8 踏面粗糙程度對(duì)輪軌電阻的影響Fig.8 Influence of tread roughness on wheel-rail resistance

4.2 輪軌間油污對(duì)于輪軌電阻的影響

在輪軌接觸摩擦學(xué)研究中，輪軌間的污染膜層通常也被稱作“第三介質(zhì)”，它是由多種污染物的混合體，在行車過(guò)程中經(jīng)由輪軌碾壓作用而形成的。通常第三介質(zhì)由多個(gè)膜層疊加構(gòu)成，致密而堅(jiān)實(shí)，不同應(yīng)用環(huán)境下污染膜層的構(gòu)成和特性會(huì)有所差異。油膜厚度屬于微觀研究領(lǐng)域，因此需要借助現(xiàn)為設(shè)備觀察輪軌表面油污形貌。

放大后的實(shí)際鋼軌表面的污染膜層如圖9 所示，可以看出，油膜層將整個(gè)踏面金屬表面包裹。在研究油污對(duì)輪軌間電阻影響時(shí)，油污通過(guò)油刷均勻涂刷在轉(zhuǎn)向架車輪踏面無(wú)銹蝕處，選取走行速度5 km/h 勻速運(yùn)行，分析車輪在走行過(guò)程中車輪踏面由于摩擦使油污厚度不斷減少時(shí)，接觸電阻的變化情況。

圖9 鋼軌表面污染膜層Fig.9 Contaminated film on rail surface

如圖10 所示，通過(guò)觀察輪軌的接觸電阻隨走行時(shí)間變化曲線能夠看出，隨著走行時(shí)間的增加，輪軌間的接觸電阻逐漸減小，在走行的初始時(shí)刻，接觸電阻高達(dá)10 Ω，且在起始一段時(shí)間內(nèi)下降迅速，而在15 s 時(shí)已經(jīng)下降到1.2 Ω，隨后明顯能夠看出接觸電阻減小的速度逐漸降低，最終趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)樵谲囕嗊\(yùn)動(dòng)的0 ～15 s 時(shí)間內(nèi)，油膜厚度在踏面摩擦的作用下迅速減小，而當(dāng)油膜厚度下降到一定數(shù)值后，踏面摩擦不再能夠消耗油膜層的厚度，此時(shí)接觸電阻不再變化，分路效果達(dá)到最優(yōu)值。這說(shuō)明污染膜層雖然堅(jiān)實(shí)，但在輪軌間切向摩擦力和法向載荷等因素的共同作用下，會(huì)隨著列車運(yùn)行次數(shù)等因素的增加而逐漸變薄，直至破裂。

圖10 輪軌間油污對(duì)輪軌電阻的影響Fig.10 Influence of oil pollution between wheel and rail on wheel-rail resistance

5 結(jié)論

本文基于多因素干擾下滾動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)對(duì)軌道車輛輪軌電阻的特性及影響程度展開(kāi)了研究，得到下列結(jié)論。

1）對(duì)于測(cè)量電路參數(shù)的改變，電壓值對(duì)輪軌間接觸電阻大小有著一定的影響，當(dāng)電壓增大時(shí)，輪軌間接觸電阻將隨之減小，更大的電壓將會(huì)有效改善分路效果；而頻率大小對(duì)接觸電阻并沒(méi)有明顯影響，在改變頻率值時(shí)，可以觀察到接觸電阻并未隨之發(fā)生明顯改變。

2）對(duì)于軌道車輛運(yùn)行狀態(tài)的改變，更大的軸重能夠使輪軌間形成更加有效的接觸斑點(diǎn)，從而降低輪軌接觸電阻，改善分路效果。此外，銹蝕情況對(duì)輪軌間接觸電阻大小起著支配性作用，當(dāng)輪軌接觸面間存在銹蝕情況時(shí)，接觸電阻明顯增大。但隨著軸重增大，接觸電阻同樣會(huì)隨之減小。而車輪走行速度對(duì)輪軌間接觸電阻的影響則較小，且當(dāng)走行速度提升時(shí)，分路效果存在閾值，當(dāng)走行速度達(dá)到某一特定數(shù)值后，輪軌間接觸電阻將保持穩(wěn)定，不再發(fā)生明顯變化。

3）對(duì)于軌道狀態(tài)的改變，光滑的車輪踏面一般具有相對(duì)更大的接觸電阻，而提高車輪踏面的粗糙度會(huì)減小輪軌間的接觸電阻。這是因?yàn)榇植诘能囕喬っ嬖谧咝械倪^(guò)程中更易形成有效的、面積更大的接觸斑點(diǎn)，從而改善分路效果。而油污則對(duì)輪軌間接觸電阻有較大影響，當(dāng)輪軌間存在油污時(shí)，分路效果急劇惡化，輪軌接觸電阻明顯增大，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生分路不良，但隨著走行時(shí)間增加，油膜厚度在踏面摩擦的作用下變薄，輪軌接觸電阻會(huì)隨之降低。