Использование Г-образных антенн с траншейным заземлением для поездной радиосвязи

скажется на работоспособности инструмента, путем вышлифовки [2], когда нагрузка на резец уменьшается и плавно возрастает при прохождении дефекта, или необходимо создать условия, при которых резец постоянно будет нагружен.

Список литературы

1. Смалев, А. Н. Оценка влияния малых масс системы «колесо - рельс» на статистические характеристики ее динамики [Текст] / А. Н. Смалев // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2011. - № 1 (5). - С. 20 - 30.

2. Обрывалин, А. В. Обеспечение работоспособности цельнокатаных колес повышенной твердости, поступающих в ремонт с термомеханическими повреждениями [Текст]: Дис... канд. техн. наук. - Омск, 2010. - 137 с.

3. Рыбик, В. А. Повышение эффективности восстановления колесных пар подвижного состава [Текст]: Дис. канд. техн. наук. - Омск, 2000. - 151 с.

4. Бобров, В. Ф. Основы теории резания металлов [Текст] / В. Ф. Бобров. - М.: Машиностроение, 1975. - 344 с.

5. Режимы лезвийной обработки деталей ГТД [Текст] / В. Ц. Зориктуев, В. В. Постнов и др. / Уфимский авиационный ин-т. - Уфа, 1991. - 80 с.

6. Симсиве, Д. Ц. Прогнозирование износа режущего инструмента при высокоскоростной обработке колес повышенной твердости / Д. Ц. Симсиве, Т. Б. Брылова, Ж. В. Симсиве // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск.- 2012. - № 1(9). - С. 32 - 38.

7. Любомиц, М. И. Справочник по сопротивлению материалов [Текст] / М. И. Любомиц, Г. М. Ицкович. - М.: Высшая школа, 1969. - 464 с.

8. Александров, А. В. Сопротивление материалов [Текст] / А. В. Александров, В. Д. Потапов, Б. П. Державин. - М.: Высшая школа, 2003. - 560 с.

9. Шилер, В. В. Исследование динамических свойств колесной пары с гибкими независимо вращающимися бандажами [Текст] / В. В. Шилер, П. А. Шипилов, А. В. Шилер // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2011. - № 4 (8). - С. 69 - 75.

УДК 621.396.67

В. М. Рогилев

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ Г-ОБРАЗНЫХ АНТЕНН С ТРАНШЕЙНЫМ ЗАЗЕМЛЕНИЕМ ДЛЯ ПОЕЗДНОЙ РАДИОСВЯЗИ

В статье приведены результаты расчетов характеристик и параметров Г-образных антенн с типовыми размерами, обеспечивающих прямую радиосвязь для абонентов в условиях железнодорожного многопутья над земной поверхностью с разными параметрами почвы. Представлен способ определения сопротивления заземления антенн, обеспечивающий эффективность их действия и дальность радиосвязи, а также защищенность от грозовых разрядов.

На железных дорогах разных категорий функционируют каналы поездной радиосвязи в гектометровом диапазоне радиоволн на отведенных для этого частотах 2,13 и 2,15 МГц, работающие с Г-образными антеннами [1]. Такие каналы могут использоваться для радиосвязи с машинистами как прибывающих на станцию поездов, так и готовящихся к отправлению. Каналы на частоте 2,15 МГц применяются для радиосвязи со специальными службами ремонта, охраны и т. п.

На рисунке 1 представлен эскиз Г-образной антенны с размерами вертикальной части H и горизонтальной - L, которую называют «крышей» антенны. Расчет параметров и характеристик Г-образных антенн производится по методикам, известным еще с 40-х - 50-х гг. прошлого века [2].

Горизонтальная часть антенны определяет эквивалентную длину надстройки Ь, увеличивающую вертикальную часть Н, при этом реактивные сопротивления отрезков Ь и L в точке их соединения остаются одинаковыми при разных их волновых сопротивлениях: Г Хг =-jWг ^Ыт;

[ Хг =-jWвCtgkb,

волновое сопротивление «крыши»; волновое сопротивление провода вертикальной части антенны.

Одним из параметров Г-образной антенны является ее собственная длина волны АО, т. е. наиболее длинная волна, при которой антенна становится настроенной в резонанс без добавления реактивностей. Собственная длина волны должна удовлетворять условию:

Рисунок 1 - Эскиз Г-образной антенны

где W г

Wв

2п

п

(/. + Ь) = 2,

при этом длина отрезка Ь также становится зависящей от Ао

Ь = - * -

Из выражений (1) с учетом (2) и (3) получается уравнение для расчета А0:

W

tgk о*в = 0

которое является трансцендентным и решается методом последовательных приближений. На рабочих частотах, отличных от резонансной частоты У0, антенну приходится настраивать в резонанс путем подбора реактивностей и изменения коэффициента трансформации в ан-тенносогласующем устройстве радиостанции (АнСУ).

Собственная длина волны А0 зависит не только от соотношений между 1в и 1Г, но и от волновых сопротивлений этих проводов Wв и Wг. При их известных значениях в результате решения уравнения (4) определяется А0, а затем и отрезок Ь, дополняющий вертикальную часть 1в Г-образной антенны. Далее по известным формулам рассчитываются действующая высота антенны ^ и сопротивление излучения вертикально поляризованной волны, излучаемой антенной на рабочей частоте [2]:

\ =

coskb - cosk

=160п2

V к /

Мощность, подводимая к антенне, характеризуется выражением:

12

I:

Р- = у Явх = Яп + ЯЗ),

2

! 4

где 10 - ток в месте подключения АнСУ;

Rвх - входное сопротивление антенны в месте ее подключения; Rп - сопротивление потерь в реальных проводах антенны; Rз - сопротивление земли.

На основании выражения (6) определяется формула для расчета КПД антенны:

Л

Я

Я,+ Яп + Яз

Волновые сопротивления вертикального и горизонтального проводников могут быть вычислены через распределенную статическую емкость антенны С, которая рассчитывается по приближенному методу Хоу [2]. На основании формул для этой емкости получены выражения для расчета волновых сопротивлений проводников, ориентированных горизонтально и вертикально относительно земли:

Ж =

2 Н

2Н

а

\

1

(п -1)!

ЖВ = 601п п

Н

г Н \

Г л/3 V а л/3

(п -1)!

где п - число проводников, образующих вертикальную и горизонтальную части Г-образной антенны;

г - радиус проводника; а - расстояние между проводниками.

Многопроводные антенны являются более широкополосными, чем однопроводная железнодорожная Г-образная антенна, которой не требуется широкая полоса частот. В случае одного проводника (п = 1) выражения (8) и (9) упрощаются:

Ж = 601п

2Н

V г

г

ЖВ = 601п

Н

-Я.

Современные методы расчетов и компьютерные технологии вычислений позволяют, как видно из выражения (6), уточнять значения потерь в проводах и земле и рассчитывать близкие к истинным значения КПД Г-образной антенны для различных величин Н и L.

При расчетах используется метод «моментов», или метод многомерных матриц, применяемый при решении системы интегральных уравнений Галлена для проводников, образующих антенну, с наведенными в них неизвестными токами [3]. Метод сводится к разбиению каждого проводника антенны на сегменты малой длины и определению в них собственного тока и тока, наведенного от других сегментов этого и соседних проводников. Количество сегментов может достигать нескольких тысяч единиц в зависимости от новизны программы, быстродействия и памяти компьютера, а также рабочей частоты антенны.

С помощью использования вычислительных программ, выложенных в Интернете [4], были произведены расчетные оценки сопротивления потерь в проводах антенны Яп, зависящие как от высоты Н антенны, так и от длины ее «крыши» L. Расчеты производились для идеального провода с а = да и медного с диаметром 6 мм, располагающихся над идеально проводящей земной поверхностью (аз = да).

п

г

1

В реальных же условиях распространение гектометровых радиоволн происходит над землей с различными значениями диэлектрической проницаемости в' и проводимости аз (при влажной, сухой, мерзлой и слабопроводящей (горной) почвах). Уменьшение в' и аз приводит к значительному поглощению землей энергии вертикальнополяризованной радиоволны, излучаемой антенной, и снижению ее коэффициента усиления G, а значит, и к уменьшению коэффициента полезного действия антенны п, которые связаны между собой известным соотношением [2]:

Л

G

D

где G - реальный коэффициент усиления антенны с учетом земли;

D - ее коэффициент направленного действия (КНД), или максимальный коэффициент усиления ^тах = D), так как при G = D п = 1.

На рисунке 2 представлены рассчитанные по программе MMANA [4] диаграммы направленности вертикально поляризованного поля радиоволны и коэффициенты усиления Г-образной антенны с размерами Н = L = 20 м над землей с различными ее параметрами: а) идеально проводящей (а = да); б) влажной ( в = 20, а = 0,1 См/м); в) средней влажности (в = 10, а = 0,01 См/м); г) сухой (в = 5, а = 0,001 См/м); д) мерзлой (в = 3 и а = 0,001 См/м), е) слабо проводящей (горной - в = 2,5 и а = 0,00001 См/м).

1 С = 4,63с1В^^г— /7

0с1В-3 -6-10

0с1В-3 -6 -10

I С = 2,31 — -—/

/ж/ л^у жД

0 сШ -3 -6 -10

I С = 0,35с)В^—

0 с!В -3 -6 -10

О = 0,25 с!В

ОсШ-З -6-10

з' = -0,7с)В^— ~г/- / /\

\ ж/ Л- \

I \ I

оав-з -6-ю

а е

Рисунок 2 - Диаграммы направленности Г-образной антенны над землей с параметрами: а) идеально проводящая земля с проводниками антенны (ап = да); б) влажная земля; в) земля средней влажности; г) сухая земля; д) мерзлая земля; е) слабо проводящая (горная) земля

Проведенные расчеты показали, что направленные свойства антенны и ее коэффициент усиления G зависят от параметров земли (в1 и аз), тогда как входное сопротивление Rвх

№ 201

оставалось неизменным при разных типах почвы, что не соответствует действительности. Это противоречие легко объясняется, если представить, что в расчетной формуле программы MMANA [4] используются только две составляющих поля радиоволны: прямая и отраженная от земли, а дифракционная составляющая поля с точными граничными условиями для земли с реальными параметрами не учитывается. На это косвенно указывает вид диаграмм направленности антенны: при всех типах почвы (кроме бесконечно проводящей земли) все они обращаются в нули вдоль касательной к поверхности земли. Из электродинамики наземного распространения радиоволн как раз и следует, что дифракционная составляющая поля волны вертикальной поляризации обеспечивает отличное от нуля поле вдоль поверхности земли [5].

Известно, что любая антенна должна иметь сопротивление заземления Rз по возможности минимальной величины, как того требует техника безопасности эксплуатации антенн. При оценке сопротивления заземления Rз Г-образных антенн вплоть до настоящего времени в диапазонах длинных и сверхдлинных радиоволн используется формула М. В. Шулей-кина [2]:

Пз = А ^,

где А = (0,5 ^ 7), Ом - сопротивление «заземления» резонансной антенны.

Однако неопределенность в оценке параметра А для гектометровых радиоволн во многом затрудняет работу проектировщиков и эксплуатационных служб железнодорожной радиосвязи при оценке защищенности антенны от грозовых разрядов и расчетах ее рабочей эффективности (^ и п). Выход из положения подсказывает сопоставление формул (7) и (11):

Пу G

Л =---= —.

П- + Rп+ Rз В К )

Из выражения (13) можно получить формулу для расчета реального сопротивления земли Rз:

п в

^ = - п-- П,,

а

если при расчетах становятся известными параметры антенны атах, G, и Пп.

По результатам расчетов, выполненных в соответствии с выражениями (4), (5), (10) и (14), в таблице 1 представлены для сравнения параметры Г-образной антенны с размерами Н = L = 20 м для земли с разными характеристиками.

Таблица 1 - Параметры Г-образной антенны при Н = L= 20 м

Параметры земли (в и аз) и проводов (стп) Rп , Ом б, дБ О 0 о ^макс ^ п Rз , Ом

Идеальные земля и провода, аз = ап = да 0 4,63 2,90 0 1 0

Идеальная земля, медные провода 0,49 4,56 2,86 0 0,985 0

Влажная земля (в = 20; аз = 0,1 См/м), здесь 0,49 3,49 2,23 16,2 0,769 7,8

и далее провода везде медные

Земля средней влажности (в = 10; 0,49 2,31 1,702 23,8 0,586 19,01

аз = 0,01 См/м) 0,49 0,35 1,084 33,1 0,373 45,9

Сухая земля (в = 5; аз = 0,001 См/м) 0,49 0,25 1,059 33,8 0,365 47,6

Мерзлый грунт (в =3; аз =0,001 См/м) 0,49 - 0,67 0,857 33,9 0,295 65,4

Земля песчаная, мало проводящая (горная —

в = 2,5; аз = 0,00001 См/м)

В таблицу 1 вошли дополнительные параметры 0тах и G'. Первый из параметров представляет угол наклона главного лепестка диаграммы направленности антенны над плоскостью земли, по которому может быть рассчитан реальный коэффициент усиления антенны G в относительных единицах. Второй параметр G' выражает коэффициент усиления в децибелах согласно формуле:

о'= 101ё а.

Важную роль в расчетах приобретает коэффициент полезного действия антенны п, величина которого зависит от сопротивления земли ЯЗ (14), поскольку диаграмма направленности антенны формируется при явном влиянии земли с ее параметрами на огромных территориях, окружающих антенну.

Однако не следует забывать о том, что сопротивление земли Яз оказывает существенное влияние и на постоянную времени разряда ЭДС, наведенной в Г-образной антенне при грозовых разрядах молний. При прямом попадании молнии в антенну трудно избежать материальных потерь в оборудовании. При непрямых воздействиях коротких электрических грозовых разрядов главную роль в антенне играет ее индивидуальный самостоятельный заземли-тель (ИСЗ). Заземлители бывают штыревые, траншейные, радиальные и петлевые.

Самый неэффективный заземлитель - штыревой, так как у него минимальная площадь соприкосновения с землей. Длительность наведенной ЭДС электрического разряда из-за большого сопротивления земли Яз возрастает по сравнению с первоначальной, и высоковольтное наведенное напряжение оказывает разрушающее воздействие на все параллельные цепи, связанные с антенной. Для более надежной защиты от разрушения оборудования радиостанций в регламентирующих документах требуется прокладка на глубине 0,2 - 0,3 м под землей нескольких траншейных проводников, разнесенных друг от друга на 1,5 - 2 м и соединенных с проводом ИСЗ. Траншейное заземление протягивается параллельно «крыше» антенны L от основания одной ее мачты к другой. Разветвленное траншейное заземление «расщепляет» ток электрического разряда, наведенный в антенне, на множество микротоков, образующих параллельные цепи соединения ИСЗ с землей, снижающие его сопротивление и повышающие защиту антенны от грозы.

Петлевые заземлители в отличие от траншейных прокладываются вокруг зданий, в которых кроме радиоаппаратуры могут размещаться системы СЦБ и связи. Петлевые заземлители не обязательно соединять с траншейными, обслуживающими Г-образные антенны. Радиальные заземлители работают по тому же принципу, что и траншейные, но в железнодорожной радиосвязи применяются редко.

Результаты расчетов основных параметров Г-образной антенны над влажной землей при различных значениях Н и L представлены в таблице 2. Значения сопротивления Я3, приведенные в таблице 2, определены косвенным методом с использованием выражения (14). Исследование характеристик направленности Г-образных антенн показало, что главным влияющим фактором при формировании диаграмм вертикально и горизонтально поляризованного поля радиоволны, излучаемой Г-образной антенной, являются параметры почвы, над которой происходит распространение радиоволны. Чем меньше относительная диэлектрическая проницаемость в1 и проводимость земли а, тем сильнее отжимаются от земли лепестки диаграмм направленности вертикально и горизонтально поляризованных радиоволн и большая часть подводимой к антенне энергии поглощается землей.

Таблица 2 — Параметры Г-образных антенн при разных значениях Н и Ь

Н, м 10 15 20 25

L, м 20 30 20 30 20 30 20 30

Wг, Ом 528 528 553 553 570 570 583 583

W в, Ом 454 454 478 478 495 495 509 509

Wг / Wв 1,164 1,164 1,156 1,156 1,150 1,150 1,146 1,146

Хо, м 115,5 154,9 134 173,2 153,2 191,8 172 210,9

Ь, м 18,8 28,7 18,5 28,3 18,3 27,95 18,15 27,72

^ м 9,03 10,02 13,54 15,74 18,61 22,80 24,79 32,62

Rs, Ом 6,5 8,00 14,61 19,75 27,61 41,44 48,99 84,82

Rп, Ом 0,28 0,47 0,36 0,66 0,49 0,97 0,69 1,58

Rз, Ом 1,33 0,55 3,64 2,58 7,8 7,07 15,2 17,49

п 0,80 0,89 0,78 0,86 0,77 0,84 0,76 0,82

«Крыша» антенны L превращает часть подводимой к антенне мощности в энергию радиоволны горизонтальной поляризации. Эта энергия полностью не пропадает, а частично принимается горизонтальным проводом локомотивной антенны, значительно превосходящим по длине ее вертикальную часть. Важно при этом горизонтальную часть Г-образной антенны располагать параллельно оси пути, что непосредственно рекомендовано в Правилах организации сетей поездной радиосвязи.

Следует обратить внимание на то, что величина сопротивления земли RЗ (см. таблицу 2) подобно сопротивлению излучения антенны уменьшается с уменьшением высоты антенны Н. Следовательно, сопротивление RЗ состоит из двух составляющих: постоянного сопротивления земляных потерь, не зависящего от геометрических размеров антенны, но зависящего только от реальной проводимости земли аЗ, и сопротивления «преломления» радиоволны, уходящей в почву, снижающего эффективность действия антенны на рабочей частоте. При грозовой защите антенны главную роль играет сопротивление потерь, которое можно уменьшить с помощью траншейного заземления. Вторая составляющая RЗ при этом мала, поскольку длительность наведенного сигнала грозового разряда все-таки во много раз превосходит период колебания частоты радиоволны, уходящей в землю.

В расчетной практике определения эффективного значения напряженности поля Е радиоволны, излучаемого вертикальной антенной вдоль поверхности земли, применяется формула [5]:

Е = JmiDLF

Г г

где

F _ 2 + 0,3X

_ 2 + х + 0,6х2' ^17)

Выражение (16), известное в литературе как формула М. В. Шулейкина - Ван-дер-Поля [5], нашло широкое применение при инженерных расчетах наземного затухания радиоволн, излучаемых неподнятыми антеннами (Н < X). Входящий в выражение (16) безразмерный параметр х, называемый «численным» расстоянием и учитывающий реальные параметры земли, расчитывается по формуле:

гс гУ

В Правилах организации и расчета сетей поездной радиосвязи приведена почти аналогичная формула для расчета напряженности поля Е:

10,9*/Я Щ

Е _ ^ £ ' F,

г

имеющая сомножителем число 10,9 при заранее оговоренных значениях В = 1,5 и п = 0,25 для Г-образной антенны с Н = 15 м.

На рисунке 3 приведены рассчитанные по формуле (16) кривые наземного затухания напряженности поля Е с частотой f = 2,13 МГц над влажной и сухой землей, излученного Г-образной антенной с Н = 15 м и «крышей» L = 20 м при Р^ = 8 Вт. Кривые представлены в децибелах относительно значения Е = 1 мкВ/м.

50

100

150

200

250

300

400

Рисунок 3 - Кривые затухания поля радиоволны и напряжения сигнала на входе приемника радиостанции

над влажной (1) и сухой (2) почвой

На рисунке 3 приведены также кривые затухания напряжения сигнала и на входе локомотивной радиостанции с рекомендованным для практики значением действующей высоты ее антенны йдлок = 0,02 м, позволяющие оценивать дальность радиосвязи в пределах станционного многопутья между Г-образной антенной и локомотивом. Значения напряженности поля Е, рассчитанные по формуле (19), занимают среднее положение между кривыми (1) и (2) для влажной и сухой почвы, поэтому широко используются на практике при расчетах полей радиоволн для Г-образных антенн с высотой Н = 15 м.

По кривым зависимости напряжения сигнала на входе приемника радиостанции и от расстояния связи г, представленным на рисунке 3, может быть определено предельное расстояние связи между абонентами. Европейский стандарт для определения чувствительности приемника «СИНАД» требует четырехкратного превышения уровня сигнала над помехой (12 дБ) при приеме как на стационарной, так и на локомотивной радиостанциях. Минимально допустимые уровни полезного сигнала на входах стационарных и локомотивных радиостанций на российских железных дорогах документально регламентированы соответствующими значениями 68 и 72 дБ при электрической тяге переменного тока; значениями 58 и 70 дБ при электрической тяге постоянного тока и при тепловозной тяге на станциях без контактной сети - значениями 39 и 47 дБ.

Проведенный анализ графиков напряженности поля Г-образных антенн для радиосвязи с локомотивами на многопутных станциях показывает, что даже с тягой на переменном токе минимальное расстояние между антеннами абонентов на станции при сухом и мерзлом грунте превышает 100 м, а при влажной почве составляет более 150 м.

Для станций с поперечными расстояниями более 150 м рекомендуется устанавливать Г-образные антенны на искусственных «островках», создаваемых в центре каждой такой станции, поскольку длина «крыш» антенны вписывается в минимальные расстояния между опорами контактной сети.

г

Список литературы

1. Роенков, Д. Н. Антенны диапазона гектометровых волн [Текст] / Д. Н. Роенков // Автоматика, связь, информатика. - 2011. - № 5. - С. 16 - 19.

2. Марков, Г. Т. Антенны [Текст] / Г. Т. Марков. - М.: Госэнергоиздат, 1960. - 535 с.

3. Коротковолновые антенны [Текст] / Г. З. Айзенберг, С. П. Белоусов и др. - М.: Радио и связь, 1985. - 536 с.

4. Гончаренко, И. В. Компьютерное моделирование антенн. [Текст] / И. В. Гончаренко. -М.: РадиоСофт, 2002. - 79 с.

5. Петров, Б. М. Электродинамика и распространение радиоволн [Текст] / Б. М. Петров. -М.: Горячая линия-Телеком, 2004. - 558 с.

УДК 621.336.2

О. А. Сидоров, А. Н. Смердин, М. В. Емельянов

АДАПТАЦИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ УНИВЕРСАЛЬНОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ТОКОПРИЕМНИКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМЫ ТОКОСЪЕМА НА ЛИНИИ МОСКВА - САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

В статье рассмотрены основные трудности, возникающие при исследовании процесса взаимодействия токоприемников электроподвижного состава с контактными подвесками, предложен комплексный подход к решению проблем токосъема, заключающийся в использовании универсального измерительного токоприемника и создании с последующим расчетом математических моделей как самого токоприемника в среде Matlab SimMechanics, так и нейросетевой модели контактной сети. Использование математической модели взаимодействия позволяет достаточно точно и адекватно исследовать процессы, реально происходящие с токоприемником и контактной сетью во время движения электроподвижного состава, а также эта модель является универсальным инструментом имитации любых типов токоприемников путем изменения широкого ряда заложенных в нее параметров и характеристик.

На железных дорогах мира для оценки состояния контактных подвесок и процесса взаимодействия их с токоприемниками электроподвижного состава (ЭПС) регулярно проводятся испытательные поездки с применением новейших методов исследования и анализа процесса токосъема.

Например, в Японии для выявления неисправностей путевой структуры, контактной сети, устройств сигнализации и связи или выхода их количественных показателей за пределы допустимых норм используются современные измерительные поезда серии «0». В Германии для оценки состояния контактной сети применяются измерительные токоприемники с тензо-метрическими и оптическими полозами.

В Российской Федерации нет специальных измерительных поездов, для оценки качества взаимодействия токоприемника с контактной сетью применяются автоматизированный диагностический комплекс контроля состояния технических объектов железнодорожной инфраструктуры АДК-И «Эра», вагоны-лаборатории контактной сети (ВИКСы) и измерительные токоприемники, разработанные в Омском государственном университете путей сообщения (ОмГУПСе) [1].

Применение специального подвижного состава для испытаний устройств токосъема является экономически затратным мероприятием, особенно в случае использования высокоскоростного электропоезда «Сапсан» для испытательных поездок на линии Москва - Санкт-Петербург.

Трудности применения ВИКСа и АДК-И «Эра» связаны прежде всего с тем, что уста-