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原文传递无绝缘轨道电路建模仿真及应用研究

论文题名：	无绝缘轨道电路建模仿真及应用研究
关键词：	无绝缘轨道电路;TCR天线;传输线;有限元;电磁场;列车运行控制系统
摘要：	无绝缘轨道电路是我国铁路列车运行控制系统的关键设备之一，其除了用于列车定位与完整性检查外，还通过电磁感应方式将钢轨中包含有列车控制信息的无绝缘轨道电路信号电流转换为车载轨道电路读取器(Track Circuit Reader, TCR)的感应电压，以实现地-车间列车运行控制信息的连续传输。可见，TCR天线中的感应电压的生成质量在很大程度上影响列车的安全运行，而随着我国高速铁路的不断发展，需要从理论层面对这一传输过程进行深入研究，通过数学建模构建相应的仿真平台，为进一步研究该过程对列车高速运行的适应性，及其相应的过程优化和性能优化等热点问题提供相应的理论支持和验证手段。论文的研究结构如下: 　　1.针对无绝缘轨道电路信号电流的传输过程，为了弥补传统四端口网络模型忽略钢轨电流对地漏泄的不足，本文提出了基于传输线六端口网络的无绝缘轨道电路建模仿真方法。内容包括:基于六端口网络建立无绝缘轨道电路各个组成单元的传输特性等效模型，建立无绝缘轨道电路的短路电流分布模型，建立无绝缘轨道电路在分路状态下钢轨不同位置的电流分布模型。　　2.针对无绝缘轨道电路和TCR天线间列车控制信息动态传输过程，即电磁感应过程，本文采用有限元电磁场理论进行建模仿真研究。内容包括:基于有限元电磁场仿真软件Ansoft Maxwell建立钢轨、补偿电容、TCR天线、钢筋网络、道床、列车轮对等有限元模型，对模型设置相应的材料属性、网格划分、边界条件和施加相应的无绝缘轨道电路信号激励源，对模型设置相应的列车运动仿真条件，实现无绝缘轨道电路和TCR天线间在不同速度下的动态电磁感应过程的仿真。通过实验室应用数据验证表明，本文基于有限元电磁场理论建立的无绝缘轨道电路和TCR天线间电磁感应过程模型符合实际情况。　　3.针对无绝缘轨道电路有限元模型过于庞大而导致仿真效率较低问题，本文提出一种基于传输线理论和有限元电磁场理论的无绝缘轨道电路和TCR天线间信息动态传输过程的联合建模仿真方法。该联合建模仿真方法首先通过有限元方法计算轨道电路和TCR天线间的互感系数，以确定轨道电路对TCR天线的有效作用范围，然后在有效作用范围内，利用有限元对无绝缘轨道电路和TCR天线间的电磁感应过程进行建模，而在有效作用范围外，由传输线对无绝缘轨道电路信号的传输过程进行建模，将有效作用范围分界点处的轨道电路信号电流作为有限元模型的激励源输出信号，实现对无绝缘轨道电路和TCR天线间信息动态传输过程的仿真。通过现场实际应用数据验证表明，本文联合建模仿真方法具有建模准确、仿真精度和仿真效率较高等优点。　　4.针对目前缺少无绝缘轨道电路电流和TCR天线感应电压在振幅和相位方面的关系表达式等问题，本文将从理论层面对这一问题进行研究。内容包括:基于电磁场理论建立TCR天线感应电压的理论模型，研究轨道电路不同位置电流对TCR天线感应电压的影响分布，通过理论计算获得无绝缘轨道电路电流和TCR天线感应电压在振幅特征和相位特征上的表达式，研究并通过实验验证了本文提出结论的正确性。这些研究将为进一步确定无绝缘轨道电路和TCR天线间信息动态传输过程的影响参数以及定量分析各参数的影响规律，为进一步优化设计地-车传输过程提供理论依据。
作者：	石卫师
专业：	交通信息工程及控制
导师：	赵林海
授予学位：	硕士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文