鐵路及火車環(huán)境磁場的實驗研究

鐵路及火車環(huán)境磁場的實驗研究

1處理鐵路在中國南方的鐵路設(shè)計和施工中，鐵路必須通過單位附近的實驗室。該實驗室要求，鐵路環(huán)境磁體的影響不應(yīng)超過鐵路距離的1.1km（1n為10-9拉普拉斯）。在距離鐵路2.1公里的地方，鐵路環(huán)境磁體的梯度不得超過0.03n/100m（相鄰100m和2m的磁體變化值）。為了使鐵路線路設(shè)計合理,節(jié)省資金投入,同時又要保證火車環(huán)境磁場不影響該實驗室的工作,因此必須研究火車環(huán)境磁場的影響。以往文獻資料所研究的環(huán)境磁場數(shù)量級大多為數(shù)十納特,它不需考慮地磁場日變化影響,也不必考慮環(huán)境磁場的數(shù)學模型。本文所涉及的環(huán)境磁場為10-1nT數(shù)量級的弱磁場,為了保證研究結(jié)果的可靠性,本文采用實際觀測與理論計算相結(jié)合的方法。2地磁場作用及評估鐵路由火車、鋼軌及所裝載貨物組成,火車與鋼軌及火車所裝載貨物(如鐵礦石等)受現(xiàn)代地磁場磁化而具有超低頻磁場(即穩(wěn)定磁場),其大小與火車及所裝載貨物的磁化率、火車的體積、當?shù)氐卮艌龅拇笮∨c方向、火車行駛的方向有關(guān)。運動的火車切割地磁場而產(chǎn)生的環(huán)境磁場對觀測點P的影響,是隨運動時間變化的(火車在動,而觀測點靜止),實際上也可以看作隨空間,即隨距離變化(火車靜止,而測點在動)。可以把火車近似為有限長的水平圓柱體,在地磁場的作用下其產(chǎn)生的總磁場強度異常計算如下。設(shè)有一長為2L的均勻磁化水平圓柱體,其中心埋深為R(對火車環(huán)境磁場計算而言,火車在地面行駛,R為零),磁化強度為J,坐標系與水平圓柱體的空間位置如圖1所示,Y軸平行于水平圓柱體走向(柱軸,即火車運動方向),X軸(即觀測剖面)垂直于柱軸,A為x剖面上的磁方位角,以逆時針轉(zhuǎn)為正。若不考慮剩余磁化強度的影響,則J=KT0,K為磁化強度,T0為當?shù)氐牡卮艌鰪姸?而沿走向單位長度的磁矩為M1,M1=JS,S為圓柱體截面。可得火車受地磁場作用而產(chǎn)生的環(huán)境磁場為ΔT=M1cos2Icos2A?2cos2Isin2A+sin2I3(x2+R2)×{(y?L)3[x2+R2+(y?L)2]3/2?(y+L)3[x2+R2+(y+L)2]3/2}ΔΤ=Μ1cos2Ιcos2A-2cos2Ιsin2A+sin2Ι3(x2+R2)×{(y-L)3[x2+R2+(y-L)2]3/2-(y+L)3[x2+R2+(y+L)2]3/2}+M1(xcos2Isin2A?RsinAsin2I)×{1[x2+R2+(y?L)2]3/2?1[x2+R2+(y+L)2]3/2}+M13(x2+R2)2[(2x2?R2)cos2Icos2A?(x2+R2)cos2Isin2A+(2R2?x2)sin2I?3xRsin2IcosA]×{(y+L)[3(x2+R2)+2(y+L)2][x2+R2+(y+L)2]3/2?(y?L)[3(x2+R2)+2(y?L)2][x2+R2+(y?L)2]3/2}+Μ1(xcos2Ιsin2A-RsinAsin2Ι)×{1[x2+R2+(y-L)2]3/2-1[x2+R2+(y+L)2]3/2}+Μ13(x2+R2)2[(2x2-R2)cos2Ιcos2A-(x2+R2)cos2Ιsin2A+(2R2-x2)sin2Ι-3xRsin2ΙcosA]×{(y+L)[3(x2+R2)+2(y+L)2][x2+R2+(y+L)2]3/2-(y-L)[3(x2+R2)+2(y-L)2][x2+R2+(y-L)2]3/2}上式表明,若把火車看作水平圓柱體,受現(xiàn)代地磁場作用獲得感應(yīng)磁化強度,則其產(chǎn)生的總磁場強度異常為ΔT,當給定當?shù)氐卮艌鰪姸萒0,地磁場傾角I和測線磁方位角A,火車的磁化率κ,火車半長度L和火車截面積等參數(shù)之后,就可以按上式計算火車對某一觀測點P的環(huán)境磁場。上式中火車的磁化率κ是一個重要的參數(shù),下面分析火車的磁化率κ。3實際問題的測量與計算文獻列出:Fe的磁化率κ為102～106SI(κ),磁導(dǎo)率μ為102～106;文獻列出:磁鐵礦Fe3O4的磁化率κ為0.7～2.2SI(κ),剩磁Jγ為490A/M。以上資料表明:鋼鐵的磁化率在102數(shù)量級以上,磁鐵礦在0.7～2.0SI(κ)左右。文獻所指的硅鋼,電工軟鐵等都是純凈的物質(zhì),與實際的火車車廂及車上所裝載的磁鐵礦等貨物還有差別。如筆者用卡帕儀實測中山艦的磁化率只有0.8～1.5SI(κ),實測解放卡車、東風卡車及各種鋼板材料的磁化率,大致也在此數(shù)量級,可能由于生銹,涂上油漆或含各種雜質(zhì),實際材料與理論上的物質(zhì)磁化率、磁導(dǎo)率有較大的差異。筆者認為,必須通過試驗的方法來測量及計算實際火車的磁化率。為了獲得火車的磁化率,筆者做了實際測定與計算。2002年6月7日,在武東車站貨場,筆者特地拉來5節(jié)貨車,車型為C63B和C64,每輛自重21.7～22t,載重60t,長12.5m,寬2.8～2.9m,車廂滿載鋼板與圈鋼。鐵路方向為北偏西15°。在垂直鐵路方向用激光經(jīng)緯儀按5m點距布置測線,測線總長220m。用2臺加拿大產(chǎn)ENV1MAG質(zhì)子磁力儀(分辨率0.1nT)作地磁場日變觀測與測點觀測。在遠離鐵路的正常地磁場處設(shè)地磁場日變觀測站,設(shè)置儀器自動按2s間隔記錄地磁場日變,共記錄5450個地磁場日變值,最大地磁場日變值為20nT,地磁場日變值正常。在垂直鐵路的測線上按5m點距逐點測量磁場變化。圖2是火車及鐵路磁場影響曲線。a為5節(jié)滿載鋼板、圈鋼的車廂及鐵軌的磁場曲線,b為5節(jié)車廂拉走后,只剩下鐵軌影響的磁場曲線。由曲線可以看出,火車及鐵軌的主要影響在50m范圍內(nèi)。c是取磁化率κ=56SI(κ)的計算結(jié)果(火車體積按5節(jié)車廂滿載鋼鐵,體積為54.37m3,5節(jié)車廂自重及鋼鐵總重量為5×(22+60)t=410t,除以鐵比重7.8t/m3,按有限長水平圓柱體計算體積V=πr2·2L=3.14×0.522×64=54.37m3,地磁場強度T0=48900nT),曲線c與曲線a擬合較好。由此可見,火車的磁化率κ取為56SI(κ)比較合理,估算為n·101SI(κ)也比較合理,而n·100SI(κ)或n·102SI(κ)都可能偏小或偏大。4u3000地磁場作用下x向非織造環(huán)境磁場的影響近似取該地區(qū)正常地磁場T0=48900nT,火車體積V0=500m3,火車磁化率κ=56SI(κ),火車半長度L為440m,按上述的正演公式計算火車的環(huán)境磁場。圖3a是A=0°,I=45°計算結(jié)果(火車運動方向為東西向),可以看出,在這種情況下,火車的磁場是正值,且隨x增大,火車產(chǎn)生的磁場迅速減小。圖3b是A=45°,I=45°計算結(jié)果(火車運動方向為北東向)?？梢钥闯?在這種情況下,火車的磁場是負值。對比圖3a,3b得出,火車運動方向不同,所產(chǎn)生的磁場也不同。由表1可以看出,當距離火車1100m,火車東西向行駛、北東45°行駛及南北向行駛,其產(chǎn)生的磁場分別為0.0346nT,0.0180nT和0.0707nT,而在2100m,其產(chǎn)生的磁場分別為0.0058nT,0.0027nT和0.011nT。由此可見,運動火車在地磁場作用下所產(chǎn)生的環(huán)境磁場的影響是相當小的,在1.1km處影響值為0.018～0.071nT。完全可以滿足小于0.1nT的要求。5問題的提出和理論解釋為了驗證理論計算的結(jié)果(包括簡化數(shù)學模型是否合理?客車、貨車及所運載貨物磁化率的大小如何估計?火車及鐵軌熱剩磁的大小及方向等各種問題),采用5臺高精度磁力儀固定在垂直鐵路測線上的不同位置自動觀測記錄一天內(nèi)不同類型的貨車,客車通過時產(chǎn)生的環(huán)境磁場變化,從實驗觀測方式上直接獲取火車環(huán)境磁場的數(shù)據(jù)。2002年7月10～11日,完成了火車環(huán)境磁場的實驗觀測。采用5臺加拿大SCINTREX公司生產(chǎn)的總場磁力儀ENVIMAG。選擇在漢丹線辛安渡車站附近,實驗觀測的方式為:1)用1臺磁力儀在遠離鐵路的正常地磁場上設(shè)地磁場日變站。2)用4臺磁力儀在垂直鐵路的測線上按距離鐵路s=25,50,75,100m(11:17～12:08時間段觀測);s=150,200,250,300m(12:34～13:19時間段觀測);s=350,400,450,500m(13:40～14:33時間段觀測);s=600,700,800,900m(15:14～16:11時間段觀測)。將儀器的探頭固定,4臺儀器同時觀測,地磁場日變站與4個測點的儀器按每2秒鐘和每1秒鐘間隔自動記錄磁場的變化。當有火車通過時,即可記錄到火車的磁場影響。3)將觀測結(jié)果在實驗室內(nèi)用專門軟件消除地磁場日變影響和正常地磁場影響。獲得純粹由火車與鐵路產(chǎn)生的環(huán)境磁場。圖4是4臺儀器安放在25,50,75,100m的觀測結(jié)果,根據(jù)磁力儀記錄的結(jié)果和監(jiān)視火車通過的時間得出,12點02分為上行客車,12點06分為下行貨車,其磁場隨離開鐵路的距離的增大迅速衰減。其特征如下:①貨車的磁場比客車大;②在25m處貨車磁場最大值為443.5nT,在100m處已衰減為11.4nT;③在25m處客車磁場最大值為293.1nT,在100m處已衰減為12.2nT;④火車的磁場為跳躍變化不規(guī)則的負磁場,表明火車鐵磁體其熱剩磁方向變化大,且無規(guī)律。當儀器安放在150,200,250,300m處,根據(jù)磁力儀記錄的結(jié)果得到的磁場幅值比安放在25,50,75m,100m小。而當4臺儀器安放在350m,400m,450m,500m處,根據(jù)記錄可以看出(圖未列出),盡管進行了地磁場日變改正,但是地磁場日變化改正后的殘差值和其他因素的影響仍十分明顯,其幅值可達3～5nT,而在350～500m,火車行駛時產(chǎn)生的磁場的影響已非常微弱,完全淹沒在地磁場日變的噪聲中,無法識別。由此得出,大于300m以遠的環(huán)境磁場不能直接觀測得到,只能用計算的方法解決,這也是本文為什么要用理論方法計算火車環(huán)境磁場的原因。其次,不同行駛方向計算的火車磁場在100m處為1～12nT,而實測的在100m處為11.4nT,12.2nT,數(shù)量級相近,說明近似理論計算所選用的公式和磁化率等參數(shù)正確。6理論模型的驗證1)把火車簡化為均勻磁化的有限長水平圓柱體,取該地區(qū)正常地磁場T0=48900nT和地磁傾角I=44.5°,火車半長度L=440m,火車體積V0=500m3,磁化率κ=56SI(κ),分別考慮火車運動方向為東西,南北和北東等不同情況,得出在距離鐵路1.1km處,火車產(chǎn)生的環(huán)境磁場為0.018～0.071nT;小于0.1nT的要求,在距離鐵路2.1km處,火車環(huán)境磁場梯度小于0.03nT/100m(相距100m兩點磁場變化值)。2)為了獲得火車實際的磁化率,對5節(jié)C63B和C64型貨車(滿載鋼板和圈鋼)產(chǎn)生磁場進行了實地觀測,并對所獲得觀測結(jié)果按有限長水平圓柱體模型進行擬合,得出火車磁化率估算值為n×101SI(κ)的數(shù)量級比較合理(κ=56SI(κ)),而估算為n×10°SI(κ)和n×102SI(κ)都偏小和偏大。此數(shù)值(κ=56SI(κ))是上述計