高速列车关键技术分析

高速列车关键技术分析（精选五篇）

高速列车关键技术分析 篇1

一般来讲如果依据动力驱动以及轮对分布对高速列车进行划分,则包含了动力分散和动力集中两种高速列车;如果是依据车辆联结和转向架予以划分则包含了铰接型和独立型两种高速列车。随着现今技术发展高铁列车在运行速度上实现了较大化提高,顺利实现每小时三百千米以上的运行速度目标。下面就高速列车关键的五项技术进行阐述分析。

1 关键技术之牵引传动

牵引传动该种技术主要是包含了特殊装置要求以及变流系统。首先从特殊装置要求来讲,牵引传动需要建立在额定大功率基础上,牵引电机具备维修便捷以及较轻重量和耐复杂环境的实际特点,对于牵引电机进行速度控制也会比较便捷。牵引电机在速度转矩方面能够可抑制无转向,损害机械以及电气较小;其次从变流系统来讲主要是建立在交流——直流——交流转换基础上,简单来讲就是将交流单项电向直流电予以转变之后,利用逆变器再实际转变为交流三厢可调频电流,进而为牵引电机实际运行而服务。高速列车实际应用的变流系统相较于工业生产涉及变流系统更加优越,不仅具备较宽调速,而且还具备较强电压波形,尤其是在牵引传动方面可靠性较高同时效率较高,还具备较强防震功能。

2 关键技术之复合制动

复合制动该种技术主要是包含了基础制动以及制动两种系统。相较于一般列车,高速列车实际应用的复合制动该种技术要更为先进,所谓复合制动就是能够保证高速列车在紧急状况下实现短时间或者是短距离有效制动,从而将行车安全予以有效保障。首先从制动系统来讲,高铁列车涉及的先进制动系统主要是建立在摩擦制动以及电气制动两种复合方式基础上,在实际制动环节中通常首先电气制动,通过列车动力和空气动力进而实现列车自动控制运行。而在此基础上配合摩擦制动;其次从基础制动来讲,基础制动建立在盘形功率装置基础上,因此也可以将基础制动称之为是盘形制动[1]。在实际制动环节列车闸片会和相应制动盘予以良好协作,通过将两者强度予以增加以及热裂纹予以减少进而起到制动效果。

3 关键技术之高性能转向架

高性能转向架该种技术主要是包含了悬挂以及有源控制两种系统。所谓高性能转向架使高速列车具备了运行灵活性以及曲线性。这对于高速列车安全运行起着重要的影响作用。首先从悬挂系统来讲,一系悬挂利用簧下质量以及轴箱定位来对高速列车稳定运行予以作用,而二系悬挂相较于一系悬挂更为重要,能够对高速列车在较快速度的实际运行中避免较大震动状况产生,二系悬挂中的空气弹簧能够将列车运行很想刚度予以良好降低,并对列车运行水平予以调整变位;其次从有源控制来讲,通常高速列车在曲线性以及相应的平稳性和稳定性三者之间具备较强的制约性,简单来讲就是列车运行稳定和运行曲线以及运行平稳三者相互作用而又互相约束。有源控制该种系统中将列车运行中上述三者数据予以分析,之后对空气弹簧实际参与予以相应调整,结合半主动以及主动两种控制技术进而保证列车实现平稳稳定安全运行。

4 关键技术之轻量化

轻量化该种技术主要是包含了车体以及转向架两方面,首先从车体方面轻量化来讲,传统慢速列车通常应用碳素钢该种材料来加工车体,而该种材料不仅具有较大自重同时实际使用寿命也不够长,基于此高速列车将车体材料赋予轻量化先进技术,采用非金属性高分子优化材料作为车厢以及内部设备的主要材料,而采用不锈钢又或者是耐挤压铝合金作为车体材料。基于此高速列车在车体方面则具备了维修较少同时无需涂装的实际特点。而无论是高分子还是耐挤压铝合金等等材料均从很大程度上将运行中的列车予以减重;其次从转向架方面轻量化来讲,一般运行中高速列车实际转向架占到了整体列车自重的25%到30%之间[2]。而对于转向架予以减重就显得至关重要。现今高速列车往往将无摇枕该种结构应用在转向架的加工制作中,同时将H型钢板作为转向架实际材料,车轴空心同时取消端梁从而真正对转向架予以了优化。

5 关键技术之空气动力学

空气动力学该种技术主要是包含了列车头以及列车外形两方面设计技术。首先从列车头方面设计技术来讲,一般高速列车在实际运行中由于速度较快因此实际受到的阻力也会更强,如隧道气压波以及列车外部压力和相应的空气阻力等等,如果是以往的四方型列车头往往在较强的运行阻力下是很难实现提速目标的。但是如果应用空气动力该种先进设计技术可以将列车头予以流线型实际设计,而具备流线型的列车头以细长尖头为主,阻力更小;其次从及列车外形方面设计技术来讲,高速运行中的列车需要具备平整光滑的外部表面,尤其是各个车厢之间需要过渡平滑这样才能将运行中气动侧力以及交会压力予以良好减少,而先进的空气动力该种设计技术则能够较好实现上述目标[3]。

6 结论

综上分析可知,现今高铁成为了国内居民出行的重要交通工具,而高铁列车提高运行速度以及强化运行安全成为了现今国家政府以及社会大众关注焦点。而通过空气动力以及轻量化和相应的高性能转向架等关键的五项技术则可以将高速列车实际运行速度良好提高并大大的提高了其运行安全。

参考文献

[1]缪炳荣,张卫华,邓永权等.新一代中国高速铁路动车组面临的技术挑战与策略研究[J].中国工程科学,2015(04):98-112.

[2]李芾,安琪,黄春蓉.中国铁路列车车辆装备技术发展及展望[J].中国铁路,2012(11):11-17.

高速列车追踪运行安全性分析 篇2

关键词：高速列车；移动闭塞；追踪运行；安全性；舒适性 文献标识码：A

中图分类号：U284 文章编号：1009-2374（2016）12-0090-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.12.042

1 概述

高速铁路行车密度大、安全要求高，而移动闭塞系统通过改善高速列车运行速度和间隔距离控制，使高速列车能够以较高的速度和较小的间隔运行，提高铁路运营效率和安全性，是高速铁路信号系统的发展方向。因此，在移动闭塞的各种环境条件下，对高速列车追踪运行的安全性和舒适性进行分析具有现实意义。

2 高速列车追踪运行过程多特征描述模型

高速列车追踪运行过程中，其操纵状态与移动闭塞下高速列车追踪运行特征（如前车信号影响）、线路特征等密切相关，因此，本文建立高速列车运行追踪特征模型，运行线路特征描述模型为研究提供量化依据。

高速列车的运动方程如式（1）：

2.1 高速列车追踪运行过程描述模型

移动闭塞系统运用先进的通信技术、计算机技术和控制技术进行高速列车追踪运行间隔控制。移动闭塞下，高速列车相对追踪运行较绝对追踪的运营效率更高，而且闭塞区间长度随前车与后车的速度、位置、制动能力等运行参数的变化而实时变化。因此，本文建立移动闭塞下高速列车相对追踪运行过程描述模型如图1所示：

图1中，区间调度中心DCC（Dispatching Control Center）与车站调度中心SCC（Station Control Center）之间、SCC与SCC之间进行双向有线通信，SCC与车载设备OBC（On Board Computer）之间、OBC与OBC之间进行双向无线通信。为高速列车最小追踪间隔安全距离，为判断后车（代表追踪列车）是否受前车（代表前行列车）信号影响的间隔距离阀值，为两车停车后必须保证的间隔距离，为列车长度，为的紧急制动距离，为的常用制动距离，为的当前速度，为的当前速度，为的减速度，为的减速度。

综上，基于高速列车追踪运行特征描述模型，实时获取、的限速、速度、位置等信息，从而计算得到变量的动态数值，为本文优化策略提供实时决策依据。

2.2 高速列车运行线路特征模型

高速列车运行操纵状态与其运行线路特征密切相关，线路特征模型的精确性直接影响高速列车操纵优化结果的准确、实用性。因此，要求该模型最大可能地保持线路固有属性同时便于计算，以提高研究结果的准确性和实用性。

本文建立的线路特征模型主要考虑了线路特性以及牵引供电。线路特性充分考虑了线路纵断面、曲线、桥隧；牵引供电主要考虑电气化铁道牵引供电区之间的分相区，因为CRH3动车组在京沪高铁上运行时采用ATP过分相技术通过分相区，且惰行通过分相区得线路特征模型表达式如下：

3 安全性分析

高速列车追踪运行的行车安全主要体现为保持安全追踪间隔距离、不超速运行。本文通过实时优化的运行速度（）控制来保证行车安全性，以实现安全目标。除了路况及其动态信息以及线路允许速度、临时限速等列控命令等因素外，还必须适应前车的行为变化，始终与前车保持合理的动态间距安全、高效运行。

依据高速列车运动方程、上文2.1节建立的特征描述模型，建立高速列车超速运行的风险评价模型如式（8）和式（9）所示；

当后车在前车信号影响范围内时（即<），基于式（3）、式（5）可得高速列车追踪间隔过小的风险评价模型如下：

式中：为高速列车追踪运行安全评价指标值。式（6）、式（9）中所示的风险系数、越小，则相应越小，即高速列车追踪运行过程全性越高。

4 舒适性分析

动车组运行速度快具有强大惯性，其操纵过程中的突然加/减速、加速过快都会严重影响乘客的舒适性，因此将动车组的乘坐舒适性定义为纵向加速度变化的大小及其变化率。以加速度（>0表示牵引，<0表示制动）以及牵引/制动冲动作为动车组乘坐舒适性的评价指标。我国对动车组纵向加速度变化及其变化率的限制为≤、≤的参考舒适度要求。

5 结语

本文针对移动闭塞下高速列车追踪运行的各种复杂情况，建立了高速列车追踪运行多特征描述模型，并通过实时获取高速列车限速、速度、位置等信息，对高速列车追踪运行的安全性和舒适性进行了分析。然而，本文还未对实际高速列车的追踪运行进行仿真分析，因此在后续工作中，将在以上研究的基础上，以实际高速列车的追踪运行为依据，进行仿真计算，将更具现实

意义。

参考文献

[1] 潘登，郑应平.铁路移动闭塞系统列车追踪运行的安全间隔[J].同济大学学报（自然科学版），2008，30（9）.

[2] 周艳红，唐金金.高速列车追踪运行过程仿真方法研究[J].铁道标准设计，2012，（8）.

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[D].北京交通大学，2009.

[5] 路飞，宋沐民，李晓磊.基于移动闭塞原理的地铁列车追踪运行控制研究[J].系统仿真学报，2005，17（8）.

作者简介：龙真真，女，湖南高速鐵路职业技术学院助教，研究方向：铁道信号自动控制；王锐东，男，湖南高速铁路职业技术学院助教，研究方向：计算机技术。

高速列车寿命预测技术专利计量分析 篇3

重大产品和重大设施寿命预测技术的研究, 作为我国《国家中长期科学和技术发展规划纲要 (2006—2020年) 》中的重点发展项目, 为提高我国重大产品和重大设施的寿命和安全可靠运行能力、预防重大事故、增强高技术产业的国际竞争力提供了先进的技术方法与手段。涂善东, 赵永翔对若干重大机械装备和高技术发展中的关键科学问题进行了归纳列表, 其中, 高速列车是速度≥200km/h, 受高频、交变、冲击的列车, 它在复杂载荷史下的寿命以及超高周循环疲劳寿命预测是其关键科学之一[1]。

专利代表了科学研究产出所形成的技术成果。通过对技术进行专利计量分析, 可以了解重大产品和重大设施寿命预测技术在国际间研究竞争的情况, 掌握其主要研发方向及发展趋势。由于专利代表了具体的应用技术, 所以在重大产品和重大设施寿命预测技术的研究中可以利用专利细分到具体的应用技术。本文以高速列车做为研究对象, 运用美国德雷克赛尔大学的陈超美博士 (Chaomei Chen) 开发的基于JAVA平台的CitesSpaceⅡ软件, 对从Derwent数据库中获得的有关高速列车寿命预测技术的专利数据进行专利可视化计量分析。通过对专利关联网络的可视化分析, 以期了解该技术领域中的发展趋势和研究热点的变化过程[2]。

1 数据来源及方法

为获得高速列车寿命预测技术更加全面和准确的信息, 本文的数据来源选取全球最权威的专利情报和科技情报机构之一Derwent公司的Derwent Innovation Index作为依据。在使用德温特数据库进行专利检索、收集专利数据的过程中, 可以综合三种检索策略, 比如使用关键词、IPC国际分类号、德温特手工代码这三种方式来确保检索的准确性和全面性。由于“高速列车寿命预测”实质涉及两个技术领域的问题, 所以只从关键词检索存在过多的冗余信息。而DerwerntII中可查询使用的IPC国际分类号是对所有的技术类别的划分, 由该分类号可以检索出需要的技术领域。依据此经验, 将“寿命预测”为主题的检索词结合“高速列车”的IPC国际分类码进行综合检索, 将获得比较理想的专利信息。

首先, 选取关键词。根据《国家中长期科学和技术发展规划纲要 (2006—2020年) 》对重大产品和重大设施寿命预测技术所下的定义:提高运行可靠性、安全性、可维护性的关键技术, 研究零部件材料的成分设计及成形加工的预测控制和优化技术, 基于知识的成形制造过程建模与仿真技术, 制造过程在线检测与评估技术, 零部件寿命预测技术, 重大产品、复杂系统和重大设施的可靠性、安全性和寿命预测技术。基于这条定义并通过在中文期刊全文数据库中的数据, 进行关键词词频统计, 选取频次较高的词语, 再结合指南内容中的探索导向, 将类似“虚拟制造”等意义不大的词语去掉, 得到“寿命预测技术”相关的英文的检索词为表1中的左列所示。对于IPC国际分类号的获取, 先选择高速列车的英文相关词 (“Multiple Units”、“MU”、“magnetic suspension”、“levitated super conducting magnet train”、“express train”、”highway train”、“high speed train”和“high speed vehicle”, 结合在高速列车寿命预测中的重点部件领域:转向架、车体、底架 (“locomotive body”、“bodywork*”、“train body”、“underframe”、“chassis of train”、“underbed”、“low frame”和“bogie*”) , 在DerwerntII中查询获得IPC分类号如表1中右列所示。

在DerwerntII中进行主题词和IPC国际分类号的综合检索方式, 检索时间范围为1963年—2008年12月20日。该数据以数据库的标注时间为准, 没有考虑专利申请于公布之间的时滞。在检索到的1, 665结果中, 排除化学类等与机械设备类没有关系的学科领域, 一共获得1, 503项有效专利记录。

2 统计结果与分析

2.1 时间分布

本文首先对高速列车寿命预测技术专利的时间分布进行了分析。从1988年到2008年20年间, 与高速列车寿命预测技术有关的专利共有1452项, 占总量的96.6%。其时间分布如图1所示。

从图中可以清楚地看到, 高速列车寿命预测专利数量是逐年增长的, 从1990年前的每年20篇左右到1995年的47篇, 增长趋势平缓。在1996年专利数突增至78, 并在次年 (1998年) 专利数又回落到47篇, 但之后一直保持比较大幅的增长。2004年以后, 每一年间的申请数均超过了100。这种情况说明很有可能是该项技术在96年获得了突破, 并导致了高速列车的寿命预测技术在04年后迅速成为一个研究热点。

2.2 主要发明人及合作

Web of Science和DII数据库都是基于ISI Web of Konwledge检索平台的。DII数据库中的每条专利记录与前者一样具有一定的格式, 也都包含发明人、标题、专利类型、所属领域、摘要、授权人及参考专利等信息。下载的文本文档中每篇专利文献数据信息都是以“PT-P”开始, 以“ER”结束, 每一个字段标识的都是完整的信息, 如“TI”、“AU”、“AE”、“AB”等等。这与Web of Science数据库中的每条文献记录所含有的字段及其格式有众多相似之处。

CitesSpaceⅡ数据转换器默认的数据识别格式是Web of Science中的数据格式。本节选择陈超美教授在CiteSpaceII软件中对DWT数据库设计的格式转换方法对数据进行了转换。经过转换的专利数据可以对专利文献的作者、机构、德文特分类进行分析。采用CiteSpaceII中输出方式的第一种选择频次范围, 使1988—2008年间超过所有专利数量前20%频次的发明人出现, 其阈值是由线性内插值来确定的。以每两年分区对高速列车寿命预测技术高频发明人间的合作分析。

高速列车寿命预测技术的主要发明人之间的合作关系大部分发生在小范围内。比如申请量比较大, 有6件专利的REICHEL D, 其专利申请都是属于马克斯BÖgl建筑有限公司, 他的合作仅限于在公司内部, 早期和FEIX有过2次合作, 之后与BOEGL有2次合作, 与WAIDHAUSER有3次合作。

如图2所示, 属于中国的发明者比较突出的是LIU G和LI X。两人连接了3个小聚类, LIU G与LIU W等人合作了3次, 并且在之后又与LI X合作。他们所在的中国西南交通大学已经成立了磁悬浮列车及高速重载列车的专题项目并拥有牵引动力国家重点实验室, 在国内高速列车的研究发展中占据重要位置。

专利作为企业保护自身技术成果的重要手段, 不仅是企业形成技术创新能力的保障, 还是占领市场竞争制高点的有力武器[3]。从以上分析可以看出, 在重大产品和设施寿命预测技术的研发上, 专利发明人跨机构合作的可能性很小, 合作活动受到一定限制, 并且几乎都是内部小范围的合作。

2.3 机构分布与合作分析

通过对所下数据中的专利权人进行分析, 得到前10位申请高速列车寿命预测方面技术的机构, 如图3所示。其中, 日立集团的申请数量最多, 达到76篇, 是其他机构的两倍以上。前5位的研究机构全部来自日本, 分别是:住友金属工业公司;東海旅客鉄道股份有限公司 (JR东海) ;东芝公司;铁道综合技术研究所。他们的申请专利数差不多都占2%左右。位列6到10位的分别是:西门子;IBM;川崎重工業股份有限公司;WABCO西屋空气制动公司;三菱电机机电。其中IBM的专利数量是专利权人为IBM及全称为INT BUSINESS MACHINES COR的专利总计, 共26项。

同样选择CiteSpaceII对近20年间机构的合作情况进行分析, 选取的分析方法与作者合作一致, 机构共现在2004-2005年有91次, 可见此时的合作数最多。图4为CiteSpaceII所作机构合作关联的部分截图。对图4中的聚类进行分析, 可以看到东海旅客铁道股份有限公司 (Tokai Ryokyaku Tetsudo) 位于聚类的中心 (中心度0.02) , 再加上日本铁道综合技术研究所 (Tetsudo Sogo Gijutsu Kenkyusho) 的中心度为0.01, 与前10位的其他5所研究机构均构成了联系形成聚类, 可以看出日本以日立、三菱、东芝几大集团为核心形成了技术关联集群。

2.4 高速列车寿命预测的热点领域及发展分析

由于德温特手工代码 (Derwent Manual Codes) 是由德温特标引专家分配, 用来揭示一项发明的某些新颖性及其应用, 具备比IPC国际分类号更精准, 解释更具体的特点, 非常适合在专利分析中使用。因此可以通过对某一技术领域的专利 (或申请的专利) 按DMC码进行统计, 可得知该技术主要集中在哪些部类, 以及各部类专利在该技术领域中所占的比重, 从而获知该领域的技术构成情况的热点分析。[3]

由于此前CiteSpaceII并没有自带对DMC码进行分析的功能, 我们对德温特中所下的专利数据进行了修正, 本文对高速列车寿命预测技术领域的技术构成分析, 采用DWT码共现与词频统计相结合的方法。在德温特数据库中所有的专利都由德温特标引专家为其分配了1个以上的DMC码, 经过数据预处理后, 将DMC码 (DC) 字段改为Web of Science格式中的主题词 (SC) 字段做为标识, 采用CiteSpaceII中输出方式的第二种, 在1988—2008年间以2年为时间段, 将每个时间段出现频次在前20的主题词进行显示, 如图5。

如图5中代表高速列车寿命预测技术领域热点的DMC码有很多, 其中每个节点所示的DMC码在图谱中由于专利申请时间的不同, 所以连线的颜色也不相同。在网络分析理论中, 介数中心度是指其所在网络中通过该点的任意最短路径的条数, 是网络中节点在整体网络中所起连接作用大小的度量。[4]紫红色的圈为技术间相互联系的关键点, 其重要程度由CiteSpaceII自带的介数中心度计算公式来确定的。如表2所示列出中心度排名前10位的DWT手工代码的核心部类。

由于金属结构在变载荷作用下, 都会产生疲劳现象。在工程结构和设备中, 疲劳现象的破坏极为广泛。据统计约有50%～90%的机械结构的破坏属于疲劳破坏。所以, 很有必要开发出专业软件对金属结构的疲劳寿命进行准确估算, 以极大地减少疲劳破坏事故的发生[5]。类似于结构疲劳寿命分析这样的软件在高速列车寿命预测技术中占据十分中心的地位 (中心度为0.54) 。结合其他中心度在前十的主题词, 可以看出高速列车寿命预测技术主要有:车辆的监测与测试技术;神经网络和并行指令的相关软件开发;解决识别, 指令特征关系, 资料处理系统的技术。

如图6所示。在该软件生成的DWT码网络图谱中, 由不同大小和不同颜色的圆环组成的DWT码年轮来表示DWT码 (节点) 的被引频次和被引年份, 不同颜色的连线来表示被点标注的专利文献的申请时间。选择可视化界面Link Walkthrough项, 利用triangle inequality tests 算法通过对整过进程的探测, 显现出复杂网络中重要的连线, 这种新功能可以演示某知识领域的演进[1]。该图谱可看作是DWT码构成的一定意义上的技术路线图, 为一个部门或一个运作小组提供了关于产品线过去、现在、未来的完整图景[6]。

该软件还提供了词频增长检测 (burst detection) 算法, 该算法主要通过考察词频的时间分布, 将那些频次变化率高、频次增长速度快的“凸现”词 (burst term) 从大量的常用词中检测出来, 通过词频的变动趋势, 而不仅仅是词频的高低来分析科学的前沿领域和发展趋势[1]。我们对主题词统计的“凸现”率进行排序最高的3位与他们标注的网络中的关键连线划分三个发展阶段为:t01-j16c1 (“凸现”率10.50) 从1991-1999;x23-a01c (“凸现”率8.63) 从2005到2008年;t01-j09 (“凸现”率8.07) 从1989到1991, 解读高速列车寿命预测发展中经历的进程。在CitesSpaceⅡ软件的可视化分析中可以按时间进程用红色突显出该阶段连线, 如图6。通过对连线的专利的分时段解读, 可以了解高速列车寿命预测技术的发展历程与态势。

可以看出在91年以前, 主要是对图形分析及神经网络中的开发, 有了以并行结构的计算方法来提高速度的创新[7]。91—04年间, 基于对已形成的寿命预测的相关算法、图表进行优化, 使得能够对高速列车进行测试的软件更有效率, 以提高高速列车可靠性、安全性的测控技术广泛发展[8];04年起, 从柴油车到电力机车的控制方面, 可试图使得燃料的最少化[9]与对分布式电源列车的监测和控制, 来使得提高可靠性、安全性。

3 结语

综上所述, 日本在整个技术发展中从研究机构的数量到专利的获取量都处于绝对的领先地位, 高速列车的寿命预测技术越来越多的建立在可靠性、安全性软件的研发对电力机车的运行测算的方法的研究上。

在可视化的图谱中, 每个连线代表一篇或多篇具有相同技术部类的专利, 我们可以从获取其专利的研发机构再做深入研究, 利用以DMC码的共现进行可视化分析, 可从其社会网络的结构中得到此技术在知识流动与企业机构研发创新过程中的发展态势。并从社会群体合作与竞争促进下的知识流动作用发生的技术转移角度, 及研究群体的主要动态, 对我们发展此项技术及指定决策提供帮助。

参考文献

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[8]KOMATSUH, ISIZAKI K, GOHDAO, ISHIZAKI K.Data process-ing method for parallel processors in computer system-involves calcu-lating communication and communication dependence vectors and de-termining manner of operand communication and loop execution[P].US:5852734-A, 1998-12-22.

高速列车关键技术分析 篇4

【关键词】高速公路；路基设计；施工技术

0.引言

软土地基处理是我国南方高速公路修建过程中经常遇到的问题。目前常用的方法有:换填法、强夯法、抛石挤淤法、反压护道法、砂垫层法、木(柴)排及反铺搭头法、设置砂井法、爆破排淤法、土工布软基处理法、竖向塑料板、排水板法、振冲及干振碎石桩法。以上这些软土处理技术都已有了成熟的工法,在公路路基施工中产生了比较好的效果。下面就对高速公路施工中的软土路基设计与施工分别进行探讨。

1.工程实例

怀化至通道高速公路第三十八合同段，全长2.69km，主要工程内容为路基工程、路面底基层、桥梁工程以及隧道工程等，总投资2.029亿元，开工日期为2009年11月10日。

2.路基设计

2.1路基设计组成

路基设计组成如下：

（1）整体式路基宽度为26.0m，其中，行车道2×2×3.75m、硬路肩2×3.0m（含右侧路缘带2×0.5m）、中间带3.50m（中央分隔带2.0m、左侧路缘带2×0.75m）、土路肩2×0.75m。

（2）分离式路基适用于隧道出入口的路基，单幅路基宽度为13.0m，其中：行车道2×3.75m、硬路肩3.0m（含右侧路缘带0.5m）、左侧路缘带1.0m土路肩2×0.75m。

2.2超高方式、设计标高及路拱横坡

超高方式、设计标高及路拱横坡的具体设置如下：

（1）路线平曲线半径小于5 500m时，在曲线上设超高，对于整体式路基，超高采用绕中央分隔带外边缘旋转的方式，超高过渡在缓和曲线内完成；对于分离式路基，超高采用绕各自的行车道中心线旋转的方式，超高过渡在缓和曲线内完成。

（2）对于整体式路基，路基设计标高为距路线中心线1m处的路面标高（中央分隔带边缘路面标高），对于分离式路基，路基设计标高为各自行车道中心线处的路面标高。

（3）正常路段的行车道和硬路肩采用2%的路拱横坡，土路肩横坡为4%。

3.软土路基处理的一般措施

软土主要是由天然含水量大、压缩性高、承载能力低的淤泥沉积物及少量腐殖质所组成的土。由于它形成于水流不通畅、饱和缺氧的静水盆地，淤泥的粘粒含量较高，一般达30%～60%。这类土主要由粘粒和粉粒等细小颗粒组成，粘粒的粘土矿物成分以水云母和蒙托石为主，含大量的有机质。这些粘土矿物和有机质颗粒表面带有大量负电荷，与水分子作用非常强烈，因而在其颗粒外围形成很厚的结合水膜，且在沉积过程中由于粒间静电荷引力和分子引力作用，形成絮状和蜂窝状结构。所以，软土含大量的结合水，并由于存在一定强度的粒间连接而具有显著的结构性。在其自重作用下难以压密，而且来不及压密。公路软基处理常用方法有以下几种。

3.1预压处理

无论是桥头，还是一般路基段，地基处理都要从稳定、沉降及满足构造物的承载力要求等方面进行分析。设计的原则一般是：依据路堤填土高度，稳定满足要求但工后沉降超限的路段首先采用预压方案，以满足工后沉降的要求，该方案处理费用低、施工方便。

3.2挤密法处理

挤密法是通过对地基压实，提高强度和降低收缩性达到加固的目的，或者在地基中用锤击、振冲、爆破等方法成孔，在孔中分别填入砂、碎石、灰土、生石灰等材料，压实后形成直径较大的桩体，并与桩间挤密的土共同组成复合地基，提高地基强度。

3.3加筋土处理

加筋土有着独特的优点和性能，在处治软土地基中可以发挥作用。把加筋土结构与其他处治软土的方法恰当地结合起来会取得更好的效果。在许多情况下，加筋土是避免深基础处理的有效方法，节约了大量的工程费用，而且能够保证路堤和结构物之间沉降的连续性。常用的加筋土处理方法为：直接填筑法、分阶段施工法、加筋土与换土相结合、加筋土与竖向排水相结合、加筋土与石柱相结合等。

3.4清淤换填方案处理

对于局部路基段，如果软弱土层处于近地表深度位置或厚度较小，将基底的淤泥全部挖除、运走，直到出现较硬底层，然后换填砂砾，砂砾应分层铺筑，每层松铺厚度不超过50cm，逐层冲水压实，至原地面标高。

3.5土工织物铺垫法处理软土路基

在软土地基表层铺设一层或多层土工织物，可以减少路堤填筑后的地基不均匀沉降，又可以提高地基的承载能力，同时也不影响排水。对于淤泥之类高含水量的超软弱地基，在采用砂井及其他深层加固法之前，土工织物铺垫可作为前期处理，以提高施工的可能性。

4.对高速公路软土路基施工具体方法的探讨

对于软土路基的具体施工，不同处理方法施工也不相同，下面以袋装砂井加固和高压喷射注浆技术为例对软土路基施工进行探讨。

4.1袋装砂井加固软土路基的施工方法

此方法的原理是通过缩短排水距离，使垂直排水固结变成水平排水固结，加快排水速度，加快软土固结，从而提高抗剪强度。具体的处理方法是采用挖除换填，设置垫层，土工格珊，袋装砂井，超载预压等分项进行的。袋装砂井平面布置按正三角形布置，根据路段情况确定直径、根数、砂垫层及双向拉伸土工格珊数量；砂料一般采用分选性好，渗水率较高的中粗砂，大于0.5cm的砂含量占总重量的50%以上，含泥量小于3%，最大粒径不大于20mm，不含有有机质、粘土团块和其它杂质的沙料进行充填。砂井的布置范围一般比路堤范围宽一些，使路堤以外一定范围内地基土能加速固结，这对于提高地基的稳定性和减小侧向变形以及由此引起的沉降有好处。为了保证袋装砂井内渗出来的水能顺利排出，在砂井顶部铺设50cm厚的砂垫层，袋装砂井顶部伸人砂砾垫层内至少30cm，使其与砂砾垫层贯通，保证排水畅通。当加固面积较大时，需设置纵横盲沟，在纵横盲沟交叉处设排水井，井内积水用水泵排出。砂垫层的边部设泄水孔通至排水沟，泄水孔直径5cm，间距1m。泄水孔内侧设一层碎石或土工布反滤层。以利排水和防止砂垫层砂的流失。加固区设排水沟，以构成较完整的排水系统，这是软基处理的关键所在。

4.2高压喷射注浆技术处理软土路基的施工方法

高压喷射注浆技术是化学注浆技术结合高压射流切割技术发展起来的。其实质是采用钻机先钻进至预定深度后，由钻杆一端安装的特别喷嘴，把水泥浆液高压喷出，以喷射流切割搅动土体，同时钻杆边旋转边提升，使土粒与水泥浆混合凝固，从而造成一个均匀的圆柱状水泥土固结体，以达到加固地基和止水防渗的目的。成桩质检技术的研究，喷嘴结构及管路的改进，施工设计质检规范的制订，现场技术管理问题，降低成本和冒浆等问题，高压喷射注浆技术主要应用在N值(土壤标准贯入值)为0～30的淤泥、粘性土、砂土、砂砾及含部分卵石层的地基中，用于铁路、公路和建筑物基础加固防止下沉，坝基等防渗帷幕，以及施工中的临时支护等。

5.结语

软土地基上修建高等级公路，软基处理质量如何是工程成败的关键。合理地对软土路基进行处理和施工，对整个路基工程的安全、质量、造价及工期都会产生重要影响，因此必须引起足够的重视。

【参考文献】

［１］赵俊刚.高速公路工程地质与特殊路基设计[J].山西交通科技，2008，（3）：42-66．

高速列车关键技术分析 篇5

关键词：自动测试设备,Loadboard,信号完整性,通孔,传输线,涂层

0前言

近年来,随着CMOS器件的数据速率达到10Gb/s和I/O数目的不断增加,这不仅给ATE(Automatic Test Equipment)的测试带来很大的挑战,而且给Loadboard的设计也带来越来越多的挑战。工程师们不但要在狭窄的区间完成高密度的布局和布线,而且还要保证数据速率在达到10Gb/s时,仍能达到可接受的误码率。但是系统在数据速率达到3Gb/s以上范围所衍生的损耗、串扰、反射等严重问题都是不可避免的[1],本文基于ATE测试机台从pogo、传输线、以及通孔、电源完整性方面来简述一下高速Loadboard的设计。

随着对带宽需求的增长,逐渐出现几种SerDes、PCI Express、Rapid I/O、Hypertransport、LVDS等高速接口,这对ATE测试提出了很高的要求,尤其是对Loadboard上DUT高速接口设计带来更高的挑战,这已不再是简单地在loadboard放置50Ω的布线。实现高速Loadboard板上信号完整性必需采取一些适当的技术和设计技巧。

在ATE机台上对具有高速接口的芯片进行测试中,信号通路上有很多因素会影响信号的质量,甚至会导致测试结果失效。图(1)大致描述了信号路径及线路中比较有争议的因素。

高速Loadboard板最重要的是信号完整性问题,要解决上面因素对信号完整性质量的影响,必需通过精确的计算和仿真来寻找最合适的参数并应用到Loadboard设计中,下面将从Loadboard设计中的几个关键点分别加以讨论。

1 Pogo及通孔设计方法

Pogo通孔是机台和DUT Loadboard连接的第一个阻抗突变点,pogo通孔设计是否合适,直接影响高速Loadboard板的质量,另外,随着DUT引脚数目的不断增加,给信号走线带来很大的困难,有时必须要借助过孔切换走线层次。一般来说,信号在平面上可以很简单地进行处理,如果信号借助过孔

图1 Loardboard上影响信号完整性的因素(参加右栏)

在垂直方向上有一定方向的迁移,那就很容易导致线路上的阻抗不匹配,破坏信号的完整性。这些pogo Via和过孔。它们就像一个低通滤波器,降低信号的翻转速度、增加信号的传输时间。随着信号速率的增高,就要求pogo via处有很好的阻抗匹配。虽然pogo物理位置ATE机台上已定,但还是可以控制通孔一些参数还取得较好的阻抗匹配,所以在设计loadboard时,需要精细设计通孔的参数。

高速电路中过孔会产生寄生电容和电感,这些寄生电容大小可近似为:

其中:C-通孔的寄生电容,D1-过孔的焊盘直径,D2-过孔反焊盘直径,H-Loadboard板的厚度,ε-电路板的相对电磁率[2]。

从公式可以看出通孔寄生的电容主要和孔的焊盘和反焊盘的直径和介电常数以及电路板的厚度有关。

过孔的寄生电容对电路的影响主要是使信号的上升沿变缓,降低电路的信号速度。一般寄生电容对信号延迟大约为几十ps,但当信号速率达到数G时,必须对通孔的使用加以重视。

寄生电感是通孔的另一个寄生参数,对于高速数字电路来说,它的影响应该比电容还大,其主要影响是降低了电源旁路电容的有效性,使电源的供电滤波效果变差,可以用下面的公式简单地计算过孔近似的寄生电感:

其中L-为过孔寄生电感,h-过孔的长度,d-中心孔的直径。

由公式看出对寄生电感影响较大的参数是过孔的长度,对于一般的loadboard上面的通孔,其一般的寄生电感大约是nH级,如果信号的上升时间再小于1ns,那么其等效的阻抗就可以的高达到10欧姆左右,这在高频信号电路中应该不能被忽视。

从上面的通孔寄生参数知道,在设计DUT loadboard时,需要仔细考虑信号通孔和焊盘的直径、接地通孔和焊盘的直径,信号通孔和接地通孔的间距,接地空环/电源空环,以及是否使用盲埋孔。

在设计ATE机台的pogo时,实验已验证,若按照传统单个pogo pin设计方法,由于受到pogo表面谐振现象的影响,信号的带宽受到很大的限制,当信号带宽达到一定频率时,信号的衰减甚至会高达10dB。为了能传输高速率信号,必须采用新颖的pogo设计方法,仔细考虑信号路径的完整性,包括每小部分的阻抗,减少信号受到的谐振,串扰、反射的影响[3]。

一种合适的方法就是利用数个地pogo环绕信号pogo的方式。这样不仅可以产生一个阻抗可调的垂直通道,同时,地pogo也为信号pogo的信号提供屏蔽和信号返回路径的作用。接地通孔的个数、大小可以根据具体情况而定,一般选三、四个就比较合适,通孔的个数太多电路会呈现容性。采用这种方法并借助3D-EM仿真工具对pogo焊盘、孔直径、通孔位置等具体参数进行优化,可以使信号在传输高达10G的速率时,仍保持较好的信号完整性[4]。

我们在计算这种方法优化的通孔参数时,可以先计算一个接地通孔与信号通孔形成的电容量和电感量,并假定这两个通孔实质上是两根直径相同的导线。D为通孔的直径,a为信号通孔和接地通孔之间的中心距。一对通孔的电感L的计算公式为:

因为优化的通孔一般是由5个通孔构成的垂直通道是均匀的,因此一对通孔的的阻抗Z的计算公式为:

公式(4)计算了两根近似两根直线导体间的电容量。改进的通孔结构增加了三个额外的接地通孔,所以信号通孔中的正电荷量保持不变,但所有的负电荷则均匀地分布在四个接地通孔上。因此,改进的通孔结构的总电容量大约与双线系统的总电容相同。但是,这种通孔模型的电感量则是双线系统电感量的四分之一,因为信号通孔与四个接地通孔之间构成了四个并联的电感回路,从而通孔的阻抗Z为:[2]。

为验证通孔设计了几块小PCB板,采用Rojers4350板材,镀有0.7mil的金属厚度,板厚为0.25inch,走线为线宽21mil的50欧姆的阻抗控制线,信号通孔周围有4个匹配的接地通孔,顶层和底层的通孔金属厚度为1.4mil,内壁的金属厚度为0.7mil。图(2)是经过优化后通孔的参数示意图。信号通孔和地通孔的大小相同,通孔间距为100mil,两种通孔的孔径和焊盘直径分别是29mil、40mil。通孔地空环有不同的直径。

从通孔的具体参数可以知道增加通孔的尺寸会增加通孔的容性,增加通孔的长度会增大通孔的感性,现在验证通孔的空环对通孔的影响。并借助于3D HFSS工具比较三种不同地空环的大小带来的损耗:地空环为70mil、地空环为100mil、信号地空环为70mil,其它地空环100mil。图(3)是这三种设计方法S参数的仿真结果,可以清楚地看出来三种设计方法的插入损耗大约在超过16G附近急剧下降,但第三种方法相对较好些,图(4)它们TDR的仿真结果显示:波形的第一个转折点为信号刚流经通孔,空环都为70mil的通孔在信号转移中呈现较多的容性,而空环为100mil的通孔呈现较多的感性。图(5)是三者在网络分析仪实际测试的结果,图(6)是三者TDR测试的结果,可以容易地看出仿真和实际的结果相差不是太大,从中也可以得出一般高速过孔的设计方法[5].

2. 传输线

在信号经过pogo通孔后流经传输线时,传输线路上的阻抗不匹配会照成反射、振铃及信号间的串扰会对信号

质量照成一定的影响,所以在设计Loadboard时要尽量保证传输线上的阻抗匹配。

另外,在信号达到数GHz时,传输线的长度,类型以及加工工艺等都会给信号带来严重的影响。下面也将注重对这一方面做下论述。

较长的传输路径会给信号造成严重的危害,这主要包括两部分:介质损耗和趋肤效应。介质损耗是由于PCB板上的介质材料并非完全绝缘,所以在信号线和参考面之间的介质材料存在一个与阻性损耗有关的能量损耗。多数设计中这种损耗可以忽略,但随着频率的升高,这种介电损耗会随频率的升高而增加,进而会影响信号的质量,所以高速电路中介电损耗是造成信号衰减的一个主要的原因,常选用介电损耗较小的材料。不同的材料的PCB板,其介电损耗不同,这种差异可以用介电常数来表示。

一般常用的RF4材料在信号速率达到3G以上就会对信号衰减很大,而ROGERS 4350材料介电损耗随信号的频率的变化相对不是太大。这也是该材料常用作高速PCB板上的原因。

另外一个造成信号能量衰减的因素是趋肤效应,高频时传输线上的电流分布不像低频那样均匀分布而是将趋向集中在导线的表面流动,横截面上的电流见被限制在一个很小的区域中,这种现象将导致电阻增大,信号能量衰减增大。

由于线路上的能量衰减对高频信号影响较大,所以信号的上升时间将被拉长,图(7)是信号在Rogers4350板材14mil微带传输线上升时间随走线长度变化的曲线[6]。

从图中可以看出信号传输线长度对信号上升时间的退化影响很大,随着芯片的集成度增加,引脚数目也会越来越多,PCB板上的布线线宽裕度却会变得越来越小,而走线长度却会增加,所以必须采取其它方法来解决传输路径对信号衰减的影响,例如:采用预加重电路或利用cable线来取代一些走线[2]。

Loadboard板上两种常见的布线是微带线和带状线,它们各有特点,带状线对能为信号提供很好的屏蔽作用,不受远端干扰的影响。但带状线要经过通孔或盲孔来实现信号的跃层,这不仅增加了制造工艺的难度和费用,同时增加的通孔或埋空会给信号的质量带来损害。微带线可以避免这一点,但微带线传播速度受传输模式、介电材料、空气中场密度影响较大,易受电磁干扰和介电损耗较大。

为了研究这两种连线方式的特点,采用Roger4350板材,制作了几块类似图(8)小PCB板块。实验从电介质层厚度和微带线表面镀金情况来比较两者一下。

2.1 微带线

微带传输线损耗由三个因素决定:介质热损耗αd(上面已讨论);高频趋肤效应引起的导体损耗;辐射损耗。前两者是主要的,辐射损耗一般很小,导体损耗与W/h(W为走线宽度,h为基片厚度)成反比。当W/h一定,介质损耗与损耗因子和频率成正比。

当频率高到微带尺寸相对λ/4或λ/2足够大时,将出现严重色散特性还增加了辐射损耗。如果固定在某个频率,在此频率下色散效应可不考虑。阻抗越低、基片越厚、εr越高,微带线色散越严重,或板材确定后,频率愈高色散愈严重[7]。

图(9)是利用HFSS工具仿真几种不同介质层厚度的微带线色散效应和频率的变化关系,在如图所示,介质层厚度为18mil微带线要比介质厚度为10mil的微带线在达到一定频率色散损耗要大,这是因为微带线是含有空气和Rojers4350的混合介质传输线,在低频时近似为TEM模传输线,对于较高的频率则必须考虑在速率达到一定频率,则必须考虑其混合模式下的散色特性。在低频时,PCB的基材的有效介电常数是变化很小的,当工作频率增加到一定值时,有效介电常数就会随频率上升而增加,微带线的色散效应也变得尤为严重。而带状线的散射损耗却不受频率的影响。另外,当微带线的线宽较窄时,由于高频趋肤效应,微带线的导体损耗会对信号质量产生很大的衰减。所以在高速Loadboard的设计中,线宽和介质层的厚度需要根据具体情况做一个折中的考虑。

另外一个可以对微带线在传输过程中造成的影响是微带线上的表面涂层,由高频趋肤效应易知当信号频率达到一定频率时,电流会迫使集中在微带线的表面,表面的涂层也会对微带线的传输产生很大的影响。

所以一般高频用途的导线可以利用导线表面的屏蔽层来增加更多表面导体来消除集肤效应。图(10)是几种采用不同表面涂层的微带线单位英寸长度线路损耗表。采用在镍层镀30微英寸镀金的微带线在10GHz处有0.32的损耗,而在镍层表面只有5微英寸金涂层的微带线在10GHz却有0.5db的损耗。在直流情况下,大量的铜导线是造成能量损耗的原因,而在高频情况下,微带线表面的镀金层却成为导致信号能量衰减的主要因素。

相对镍而言,金具有良好的导电率,对信号的损耗较小,出于镀金的成本较昂贵原因。所以高速Loadboard板一般采用在镍层上镀有30微英寸的金。不同的镀金方式,会有不同的效果,所以高速Loadboard也要仔细选择合适的镀金方式。

2.2 带状线

和微带线不同,带状线是在同一介子层中传输从上面一些对比图表可以看出,其特性阻抗、损耗、传输速度和介质材料的关系同微带线相似,由于其在同一介质层中传输,具有较稳定的特性阻抗和传播速度,并不受远端串扰的影响等优点。另外,带状线不需要在表面涂层,所以在制造中受工艺的影响较小。可以利用上述优化信号通孔的方法来设计带状线信号切换叠层时所需要的通孔。

2.3 封装焊盘及BGA引脚下的走线

常用的高端芯片,大都采用BGA封装,在信号流向被测芯片时,由于要经过焊盘、焊锡、socket pogo、管脚、封装外壳、绑定线等才到达芯片内部,这些环节都会对信号产生影响,而且很难对具体焊盘和焊锡对信号的影响,所以在建立时序时,首先要对这一部分预留较宽的时序裕度。做封装需要的参数最好按照SPICE模型提供的封装参数。若一些关键引脚信号需借助过孔切换信号层来走线,如果必要,可以利用埋孔来避免通孔的残端造成的天线效应,若BGA封装引脚间的空间较大,可以按上述方法在该信号过孔周围环绕几个孔直径较小的接地过孔对信号通孔进行优化。

但是,随着芯片的集成度不断增加,封装引脚的数量和引脚间距的比值变得也越来越大,这也增加了封装下面引脚布线难度。引脚数目的不断增加,引脚间距变得狭窄,一些布线必须绕过很长路径才能到达目的,而为了减少趋肤效应带来传导损耗,必须增加走线宽度,这势必给布线线带来巨大的挑战。例如,随着BGA封装球间距减少到0.7mm甚至更低,这使Loadboard板上的焊盘间可走线距离已降到4mil左右,而对于高速信号,为了减少传输线路上趋肤效应带来的导体损耗对带宽的影响,走线带宽应该大于12mil的宽度。这就意味着信号通路上必有一个因走线宽度的变化引起个阻抗突变,这个阻抗突变会造成信号巨大反射而引起信号质量的衰减,为了减少信号的反射,可以通过减小Loadboard板上走线宽度来减小线宽变化点的阻抗突变,但这样做如果走线长度超过1英寸会造成信线路上损耗较大而使信号质量较差,为弥补信号在信号通路上能量损耗,可以采用预加重电路。线路上线宽变突变点处可容许的线宽变化比多大,以及采用如何的预加重电路,这都是要针对不同的系统利用仿真工具去优化。另外,一个还需要考虑的因素是封装球较窄的间距也使在其间走线的信号有较窄返回路径,当信号经过有通孔处,必然也会造成其返回路径上阻抗不连续[6]。

高速Loadboard设计除了保证信号的完整性外,还要精心设计电源分配网络,包括添加去耦电容以及电容的容值和位置,并采用仿真方法去优化电源完整性的设计[8],这些将在以后的工作中具体研究。

3 结束语:

高速Loadboard设计是十分具有挑战性的,随着芯片集成度规模不断提高,信号完整性问题的重要性越来越突出,这就要求设计者要根据系统要求周密考虑,精心布局,可以在Loadboard板预布局的情况下,就对关键的部分进行仿真,通过仿真寻找最佳布局,在完成布线后还要进行仿真,对效果达不到要求的网络分析其原因,再针对性的改进,直到得到取得理想的效果。

参考文献

[1]Leo Wong,10Gbps网络背板设计关键[J],PCB设计网,2007;3-4.

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[7]张建慧、饶龙记,高频布线工艺和PCB板选材,<<无线电工程>>2001年第31卷第02期;2-3。