高速動(dòng)車組列車牽引仿真計(jì)算技術(shù)研究

康 熊

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，北京 100081)

高速動(dòng)車組列車牽引仿真計(jì)算技術(shù)研究

康 熊

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，北京 100081)

隨著我國(guó)高速鐵路的發(fā)展，高速動(dòng)車組列車牽引仿真計(jì)算具有重要意義。對(duì)高速動(dòng)車組的牽引仿真計(jì)算的方法進(jìn)行了研究，分析了與普通列車牽引計(jì)算的區(qū)別及相關(guān)的關(guān)鍵理論。介紹了自主研發(fā)的牽引仿真系統(tǒng)的構(gòu)成和功能。以京滬高速鐵路為計(jì)算實(shí)例，對(duì)4種不同的運(yùn)行方案進(jìn)行了仿真計(jì)算，對(duì)線路中的電分相的設(shè)置和影響進(jìn)行了計(jì)算分析，并以京滬高速鐵路先導(dǎo)試驗(yàn)段的沖高速試驗(yàn)為對(duì)象進(jìn)行了模擬仿真。多次實(shí)際應(yīng)用表明提出的高速動(dòng)車組牽引仿真計(jì)算的方法具有良好的仿真精度和實(shí)用意義，可以為我國(guó)高速鐵路工程建設(shè)提供有效的手段，并據(jù)此提出了今后的發(fā)展方向。

高速;動(dòng)車組;牽引;仿真計(jì)算

1 研究目的

近年來，高速鐵路在我國(guó)獲得了飛速的發(fā)展。從2008年8月1日，京津城際鐵路時(shí)速350 km/h的動(dòng)車組投入運(yùn)營(yíng)，以及陸續(xù)開通運(yùn)營(yíng)的鄭西、武廣高速鐵路，我國(guó)鐵路正式進(jìn)入了高速時(shí)代。在今后10年內(nèi)，我國(guó)將建立由“四縱四橫”的快速鐵路干線與多條200～250 km/h速度級(jí)與300～350 km/h速度級(jí)客運(yùn)專線構(gòu)成的客運(yùn)網(wǎng)絡(luò)體系，其總長(zhǎng)度將達(dá)到12000 km以上，其中將包括5457 km的300～350 km/h高速客運(yùn)專線。

高速鐵路的發(fā)展對(duì)我國(guó)鐵路的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究提出了更高的要求。高速列車牽引仿真技術(shù)是其中的重要環(huán)節(jié)，其重要意義在于:

1)高速動(dòng)車組設(shè)計(jì)優(yōu)化。在高速動(dòng)車組設(shè)計(jì)和運(yùn)用時(shí)，如果僅僅通過試驗(yàn)對(duì)其設(shè)計(jì)效果和系統(tǒng)性能進(jìn)行評(píng)估、調(diào)整或優(yōu)化，既需要很長(zhǎng)的開發(fā)生產(chǎn)周期，還可能產(chǎn)生巨大的資金浪費(fèi)。在高速動(dòng)車組設(shè)計(jì)生產(chǎn)之前，可以通過仿真運(yùn)算，確定高速動(dòng)車組加速與減速性能、基本阻力要求，設(shè)計(jì)動(dòng)力配置方案、牽引與制動(dòng)特性曲線，并根據(jù)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。

2)優(yōu)化鐵道線路設(shè)計(jì)。在線路設(shè)計(jì)施工之前，可以通過仿真計(jì)算，確定擬上線運(yùn)行列車對(duì)線路參數(shù)的要求，對(duì)比分析不同的設(shè)計(jì)線路的優(yōu)劣，做出優(yōu)化的選擇。還可以指導(dǎo)路網(wǎng)規(guī)劃、選線設(shè)計(jì)、行車及信號(hào)設(shè)備布置。

3)優(yōu)化列車運(yùn)行時(shí)分、能耗等運(yùn)營(yíng)指標(biāo)。在制定列車運(yùn)行圖時(shí)，可以通過仿真計(jì)算，獲取在不同列車、不同線路組合下的運(yùn)行時(shí)分和能耗，選擇最合理的列車和線路搭配，并在縮短運(yùn)行時(shí)分和節(jié)能操縱之間做出經(jīng)濟(jì)的選擇。

4)線路試驗(yàn)的重要仿真計(jì)算手段。在列車線路試驗(yàn)之前進(jìn)行不同列車編組、試驗(yàn)工況甚至裝備條件的多方案比選和預(yù)測(cè)，從而可在事先優(yōu)化試驗(yàn)方案和合理布置測(cè)點(diǎn)，以避免危險(xiǎn)工況的試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)和減少不必要的試驗(yàn)次數(shù)，例如在隧道內(nèi)高速會(huì)車的試驗(yàn)條件保障;同時(shí)，仿真研究和線路試驗(yàn)又是相互驗(yàn)證的必要手段，仿真和綜合試驗(yàn)具有不可分割的密切關(guān)系。

5)為挖潛提效和提速安全提供科學(xué)的依據(jù)。通過仿真計(jì)算，提前獲知既有線是否還能提速、缺失部分動(dòng)力的列車能否繼續(xù)運(yùn)行、新型列車或線路能否滿足運(yùn)營(yíng)要求等信息，確保合理可行，并可據(jù)此制定安全規(guī)章，進(jìn)行事故分析。

6)構(gòu)建科學(xué)的高速鐵路基礎(chǔ)研究體系。高速動(dòng)車組仿真研究工作的開展，可以提高我國(guó)高速動(dòng)車組的設(shè)計(jì)制造水平，促進(jìn)通信信號(hào)、線路設(shè)計(jì)、路網(wǎng)供電、運(yùn)輸組織等多方面的基礎(chǔ)研究，構(gòu)建高速鐵路設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造和管理運(yùn)用的科學(xué)研究體系，為進(jìn)一步深化我國(guó)高速鐵路自主創(chuàng)新提供科學(xué)基礎(chǔ)。

在國(guó)際上，日本的東芝/三菱、德國(guó)的西門子公司都開發(fā)有與自己公司產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的高速動(dòng)車組運(yùn)行仿真軟件，具有牽引動(dòng)力配置、結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)、列車運(yùn)行仿真計(jì)算等多種功能。美國(guó)、南非和澳大利亞等重載運(yùn)輸較為發(fā)達(dá)的國(guó)家也開發(fā)和應(yīng)用有相應(yīng)的應(yīng)用于重載的仿真計(jì)算軟件。

國(guó)內(nèi)已經(jīng)有多家單位研制了適用于普通列車的列車牽引計(jì)算軟件，在鐵路系統(tǒng)內(nèi)部廣泛應(yīng)用。2000年由中國(guó)鐵道科學(xué)研究院開發(fā)的牽引電算軟件V2.5版，通過多次應(yīng)用和不斷發(fā)展，不僅具有一般牽引計(jì)算功能，更重要的是可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示列車運(yùn)行全過程，而且可以模擬列車試驗(yàn)時(shí)的各種列車編組和線路條件，按照試驗(yàn)工況進(jìn)行仿真計(jì)算。西南交通大學(xué)于2000年研制的列車牽引計(jì)算軟件(簡(jiǎn)稱QYJS)也具備了同樣的功能。

總地來講，雖然國(guó)內(nèi)部分仿真軟件支持高速動(dòng)車組的仿真計(jì)算，但都不能對(duì)高速動(dòng)車組運(yùn)行進(jìn)行全面的仿真計(jì)算，主要局限于速度、運(yùn)行時(shí)分的計(jì)算。國(guó)內(nèi)制定有與列車的仿真計(jì)算相關(guān)的鐵道部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《列車牽引計(jì)算規(guī)程》［1］，但該標(biāo)準(zhǔn)中沒有高速和動(dòng)車組部分。目前國(guó)內(nèi)關(guān)于高速動(dòng)車組的計(jì)算技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)尚處在空白階段。

2 高速動(dòng)車組牽引計(jì)算技術(shù)

高速動(dòng)車組按牽引動(dòng)力分布形式分為動(dòng)力分散、動(dòng)力集中式;按動(dòng)力類型分為電力動(dòng)車組、內(nèi)燃動(dòng)車組。高速動(dòng)車組在列車編組、牽引及制動(dòng)方式、列車操縱控制模式等方面與普通列車有較大區(qū)別。

在列車牽引計(jì)算中，機(jī)車和車輛間由車鉤緩沖裝置連接，構(gòu)成一個(gè)多質(zhì)點(diǎn)模型。當(dāng)列車在某一區(qū)段運(yùn)行時(shí)，列車中的各個(gè)車輛處于不同的線路狀態(tài)和受力狀態(tài)。列車牽引計(jì)算方法有單質(zhì)點(diǎn)的簡(jiǎn)化計(jì)算方法和多質(zhì)點(diǎn)列車模型的詳細(xì)計(jì)算方法。單質(zhì)點(diǎn)計(jì)算功能有限，無(wú)法完成調(diào)速制動(dòng)計(jì)算，也不能對(duì)普通列車空電聯(lián)合制動(dòng)或高速動(dòng)車組的復(fù)合制動(dòng)方式進(jìn)行計(jì)算，因此不能滿足高速列車的計(jì)算要求，不能精確模擬實(shí)際列車的牽引和制動(dòng)操縱運(yùn)行。多質(zhì)點(diǎn)列車模型將列車視為非剛性連接的多質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)系統(tǒng)，并用節(jié)點(diǎn)分塊計(jì)算各車輛的受力。由于多質(zhì)點(diǎn)計(jì)算方法的上述特點(diǎn)，作為牽引計(jì)算的發(fā)展方向，已在國(guó)內(nèi)外得到了日益廣泛采用［2］。

1)列車運(yùn)行阻力計(jì)算。列車運(yùn)行基本阻力包括列車自身及與鋼軌之間的機(jī)械阻力、空氣阻力?；咀枇χ饕Q于運(yùn)行速度的大小。大量試驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)械阻力與運(yùn)行速度成正比，而空氣阻力與速度的平方成正比。因此，低速時(shí)，基本阻力的90%來自軸承摩擦阻力和滾動(dòng)阻力;速度提高后，輪軌間的滑動(dòng)摩擦、沖擊和振動(dòng)、空氣阻力所占的比重逐漸增大。速度達(dá)到120 km/h時(shí)，空氣阻力約占50%;高速時(shí)，則以空氣阻力為主，速度達(dá)到200 km/h時(shí)，空氣阻力約占 80%;速度達(dá)到300 km/h時(shí)，空氣阻力占95%以上［3］。

對(duì)于高速動(dòng)車來講，其基本阻力與列車外形、動(dòng)拖車的結(jié)構(gòu)和位置、編組和牽引質(zhì)量、線路與氣候條件、列車運(yùn)行速度等密切相關(guān)。這些因素極為復(fù)雜，實(shí)際運(yùn)用中很難用理論公式精確計(jì)算。通常方法是通過大量的試驗(yàn)，得出經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算［3］。列車阻力可以用式(1)表達(dá):

式(1)中，W0為列車阻力;M為列車質(zhì)量;Q為中間車輛數(shù);v為列車速度;dv為逆風(fēng)風(fēng)速;a，b，c為與機(jī)械阻力相關(guān)的系數(shù);d為與空氣阻力相關(guān)的系數(shù);e為頭尾車與空氣阻力相關(guān)的阻力系數(shù)和。

列車基本阻力一般以單位基本阻力來表示:

實(shí)際應(yīng)用中，一般采取二次多項(xiàng)式來描述和計(jì)算單位基本阻力，舉例來數(shù)，CRH3動(dòng)車組的單位基本阻力公式可以描述為:

也有采用下列公式形式的:

式(3)中:g為重力加速度。這種形式的公式按照整列車計(jì)算基本阻力，公式中后兩項(xiàng)與列車質(zhì)量無(wú)關(guān)。

2)坡道附加阻力和曲線附加阻力。坡道阻力是列車在坡道運(yùn)行時(shí)，列車的重力沿軌道下坡方向的分力。單位坡道附加阻力在數(shù)值上等于坡道的坡度千分?jǐn)?shù)值。列車在曲線運(yùn)行時(shí)遇到的阻力大于在同樣條件下的直線運(yùn)行時(shí)的阻力，引起曲線阻力的原因主要是由于列車在曲線運(yùn)行時(shí)，輪軌間的縱向和橫向滑動(dòng)、輪緣與鋼軌內(nèi)側(cè)面的摩擦增加等作用造成的［4，5］。由于曲線阻力的影響因素很多，目前難以用理論推導(dǎo)計(jì)算公式，所以《列車牽引計(jì)算規(guī)程》中規(guī)定，在標(biāo)準(zhǔn)軌距的圓曲線上運(yùn)行的列車，其單位曲線附加阻力公式為:ωr=600/R，式中:ωr為單位曲線附加阻力;R為曲線曲率半徑。

3)隧道附加阻力。列車在隧道中運(yùn)行時(shí)，空氣阻力要比在空曠地帶中大，導(dǎo)致的空氣阻力增加的部分稱為隧道附加阻力。隧道阻力與隧道長(zhǎng)度、隧道截面積、列車外形、列車在隧道中的位置等很多因素有關(guān)［4］。對(duì)于高速動(dòng)車組來說，隧道阻力在動(dòng)車組高速通過時(shí)，隧道阻力大大高于普通列車，活塞效應(yīng)非常明顯。目前，隧道阻力的理論計(jì)算尚不成熟，國(guó)內(nèi)這方面的研究剛剛起步，相信隨著理論研究的深入，隧道阻力的仿真計(jì)算將日趨成熟、精確。

在沒有相應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論的支持下，通常采用經(jīng)驗(yàn)公式替代，一般計(jì)算單位重量隧道附加阻力的公式采用:

式(4)中:ωs為單位隧道附加阻力;Ls為隧道長(zhǎng)度。

4)列車牽引力。列車牽引力由牽引特性曲線決定，與速度和牽引級(jí)位有關(guān)。其計(jì)算方法是對(duì)應(yīng)于每一時(shí)刻t，根據(jù)該時(shí)刻機(jī)車運(yùn)行速度v和級(jí)位，由牽引特性曲線進(jìn)行三點(diǎn)拋物線曲線插值計(jì)算出該時(shí)刻對(duì)應(yīng)的機(jī)車牽引力［6］。

列車在運(yùn)行中，司機(jī)需要根據(jù)牽引力的需求通過牽引手柄調(diào)整牽引力的大小。由于牽引力的發(fā)揮，最終都是通過電氣和機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，機(jī)械結(jié)構(gòu)的執(zhí)行速度遠(yuǎn)小于電氣結(jié)構(gòu)，所以牽引力的變化是漸進(jìn)的，需要克服機(jī)械結(jié)構(gòu)的惰性。根據(jù)特性曲線計(jì)算的機(jī)車牽引力是穩(wěn)定工況下的額定值，在實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)機(jī)車操縱級(jí)位變化時(shí)，從原牽引力到新牽引力有一個(gè)過渡狀態(tài)，通過一個(gè)△t時(shí)刻的逐步變化，機(jī)車才能進(jìn)入新的穩(wěn)定狀態(tài)。理論與試驗(yàn)均表明，機(jī)車牽引力的上升與下降呈兩種不同的曲線特性。在計(jì)算中，各國(guó)根據(jù)機(jī)車性能選用了不同的數(shù)學(xué)表達(dá)式來描述這種過渡特性，根據(jù)我國(guó)實(shí)際情況及數(shù)學(xué)上的合理性，選用S型二次曲線來描述牽引力增大或減少的過渡狀態(tài)，包括牽引到動(dòng)力制動(dòng)的過渡。由于牽引特性曲線只輸入了整數(shù)級(jí)位對(duì)應(yīng)的牽引力，對(duì)于無(wú)級(jí)機(jī)車，如果處于中間級(jí)位，則先計(jì)算出其臨近的兩個(gè)整數(shù)級(jí)位的牽引力數(shù)值，然后根據(jù)其中間級(jí)位數(shù)值做線性插值。

由于動(dòng)車組采用分散牽引模式，在正常軌面狀態(tài)下，啟動(dòng)時(shí)及低速范圍的牽引力低于粘著限制較多，因此，在動(dòng)車組的牽引計(jì)算中，通常不考慮粘著限制［3］。

5)列車制動(dòng)力計(jì)算。隨著微機(jī)技術(shù)、交流傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，高速列車的制動(dòng)技術(shù)發(fā)展以微機(jī)控制、再生制動(dòng)和大功率盤形制動(dòng)為主要特征，制動(dòng)系統(tǒng)更為準(zhǔn)確、高效和輕量化。高速列車制動(dòng)系統(tǒng)一般采用多種制動(dòng)方式，采用微機(jī)控制的復(fù)合制動(dòng)，以動(dòng)力制動(dòng)為主，空氣制動(dòng)為輔，按照減速度要求給定制動(dòng)力。在設(shè)計(jì)制動(dòng)控制時(shí)的原則是充分利用動(dòng)力制動(dòng)能力。在充分利用動(dòng)力制動(dòng)能力的前提下，配合控制各種制動(dòng)方式，在制動(dòng)時(shí)，優(yōu)先采用動(dòng)力制動(dòng)，仍不能滿足制動(dòng)指令要求時(shí)，追加空氣制動(dòng)。

空氣制動(dòng)作為一種安全制動(dòng)方式，在高速列車中是必不可少的。在高速列車的制動(dòng)系統(tǒng)中，空氣制動(dòng)系統(tǒng)因其安全性，以及與其他普通列車的兼容性，便于救援，作為備用制動(dòng)的一種方式。因此，在高速動(dòng)車組的故障運(yùn)行和模擬、事故分析中，空氣制動(dòng)的仿真計(jì)算依然非常重要。

在機(jī)車車輛的數(shù)據(jù)庫(kù)中輸入有關(guān)的制動(dòng)裝置參數(shù)，在編組時(shí)設(shè)定必要的初始條件，在制動(dòng)計(jì)算過程主要是模擬列車系統(tǒng)中空氣制動(dòng)作用的傳播特性，詳細(xì)計(jì)算相應(yīng)于司機(jī)各種操縱情況的機(jī)車和每輛車輛的制動(dòng)力變化過程。根據(jù)列車編組情況和不同的空氣制動(dòng)機(jī)特性，包括制動(dòng)波速，制動(dòng)方式和制動(dòng)缸壓力的充排氣時(shí)間，計(jì)算機(jī)車和每輛車輛在制動(dòng)過程中的制動(dòng)缸壓力pz，然后計(jì)算實(shí)算閘瓦壓力K，同時(shí)計(jì)算實(shí)算摩擦系數(shù)φK，從而可以得到實(shí)算的機(jī)車和每節(jié)車輛在制動(dòng)過程中不同時(shí)刻的制動(dòng)力變化情況［2］。

通過前面的受力分析，可以確定出列車所受的合力。作用在列車上的合力是列車總的牽引力、列車基本阻力、列車附加阻力以及列車制動(dòng)力的代數(shù)和。

完成了列車受力情況的計(jì)算后，就可以進(jìn)行列車運(yùn)行加速度、速度、位移等運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算。計(jì)算時(shí)，任一時(shí)刻的加速度為:

其中的γ為回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)。

列車運(yùn)行的加速度a、速度v和運(yùn)行距離s是通過逐步數(shù)值積分方法進(jìn)行的。

對(duì)于高速動(dòng)車組，回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)對(duì)牽引計(jì)算指標(biāo)的影響較大?；剞D(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)是列車回轉(zhuǎn)動(dòng)能的折算質(zhì)量與列車總質(zhì)量的比值，γ值由列車回轉(zhuǎn)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J，列車質(zhì)量M以及列車回轉(zhuǎn)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑Rh決定。對(duì)于動(dòng)車組列車而言，一般規(guī)律是動(dòng)車的γ值大于拖車，組成列車后，原則上γ值應(yīng)按照質(zhì)量加權(quán)平均，但通?？紤]到動(dòng)車與拖車所占比例范圍不同，可參照試驗(yàn)及模擬計(jì)算進(jìn)行取值。相關(guān)研究表明［7］:對(duì)于CRH3型8輛編組動(dòng)車組列車，γ值由 0.06增大至 0.11，其運(yùn)行時(shí)間增加1.829%，平均速度減小1.795%，總能耗增加了0.562%。同時(shí)，隨著停站數(shù)量的增大，列車頻繁加減速，回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)對(duì)結(jié)果的影響更加明顯?；剞D(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)對(duì)于動(dòng)力集中型動(dòng)車組，一般取0.06～0.08;對(duì)于動(dòng)力分散型動(dòng)車組，一般取 0.08 ～0.11。對(duì)于高速動(dòng)車組而言，由于列車自身結(jié)構(gòu)參數(shù)的不同，仍然按照傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)值0.06考慮，將導(dǎo)致牽引計(jì)算結(jié)果的偏差。因此，為了更準(zhǔn)確地進(jìn)行高速動(dòng)車組牽引計(jì)算仿真，在計(jì)算中應(yīng)充分考慮回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)的影響，根據(jù)模擬計(jì)算分析及實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，選取合適的高速動(dòng)車組列車回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)。

3 仿真計(jì)算功能設(shè)計(jì)

通過對(duì)高速列車牽引傳動(dòng)與制動(dòng)系統(tǒng)的深入分析，結(jié)合高速動(dòng)車組型式試驗(yàn)，收集整理高速列車及運(yùn)行線路的數(shù)據(jù)，建立高速動(dòng)車組力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、牽引、制動(dòng)等模型，自主研發(fā)了高速動(dòng)車組牽引仿真計(jì)算系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 高速動(dòng)車組牽引仿真計(jì)算系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Train traction simulation system structure of high speed motor train set

將動(dòng)車組的結(jié)構(gòu)描述參數(shù)、各種特性曲線及線路數(shù)據(jù)集成到列車仿真計(jì)算過程中。根據(jù)線路設(shè)施、各種限速、信號(hào)系統(tǒng)、運(yùn)行時(shí)分、停站時(shí)間、起點(diǎn)終點(diǎn)車站等列車實(shí)際運(yùn)行條件，結(jié)合優(yōu)秀司機(jī)的操縱經(jīng)驗(yàn)、優(yōu)化控制策略和控制算法等模擬高速動(dòng)車組駕駛員的駕駛操縱，根據(jù)該操縱指令及列車所處的外部實(shí)際環(huán)境對(duì)牽引制動(dòng)系統(tǒng)各部分的性能進(jìn)行仿真。

開發(fā)人機(jī)交互接口，提供輸入及仿真結(jié)果輸出。通過人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)參數(shù)與運(yùn)行工況的設(shè)置、基本公式編輯及特殊工況模擬;設(shè)置不同數(shù)據(jù)格式之間的靈活轉(zhuǎn)換;能夠自動(dòng)完成仿真結(jié)果的數(shù)據(jù)輸出、圖表輸出、曲線輸出等用戶需求的各種仿真報(bào)告。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 京滬高速線不同運(yùn)行方案仿真計(jì)算和比較分析

4.1.1 線路總體情況

計(jì)算線路為京滬高速鐵路下行方向，線路起終點(diǎn)車站之間總長(zhǎng)度1311 km，車站23個(gè)。

4.1.2 計(jì)算方案

線路全程最高限速分為350 km/h和380 km/h兩種，隧道限速分為300 km/h和350 km/h兩種，采用了下面4種計(jì)算方案:

方案1:線路全程最高限速350 km/h，隧道限速300 km/h;

方案2:線路全程最高限速350 km/h，隧道限速350 km/h;

方案3:線路全程最高限速380 km/h，隧道限速300 km/h;

方案4:線路全程最高限速380 km/h，隧道限速350 km/h;

線路中還有多處區(qū)段限速。

4.1.3 動(dòng)車組特性參數(shù)

采用CRH3－350高速動(dòng)車組，4動(dòng)4拖編組，總計(jì)算重量495 t，總計(jì)算長(zhǎng)度200.6 m。CRH3－350高速動(dòng)車組的牽引和制動(dòng)特性曲線中，最大牽引力和制動(dòng)力分別為280 kN和495 kN。

4.1.4 計(jì)算結(jié)果

仿真計(jì)算時(shí)，充分利用動(dòng)車組的牽引和制動(dòng)能力，盡量按照線路允許限速值運(yùn)行;調(diào)速和停站均采用FSB級(jí)位，分別計(jì)算4種運(yùn)行方案的結(jié)果。

圖2為方案4在北京南站啟動(dòng)加速區(qū)段的仿真計(jì)算結(jié)果。

4種運(yùn)行方案的仿真計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)見表1。

圖2 啟動(dòng)加速區(qū)段的仿真計(jì)算結(jié)果Fig.2 Simulation result of train start－ up and speedup section

4.1.5 仿真結(jié)果分析

對(duì)于方案1和2，除在部分線路大坡道外，動(dòng)車組均能達(dá)到限速，同時(shí)基本達(dá)到平衡速度，所以動(dòng)車組牽引能力基本滿足需求，運(yùn)行總時(shí)分主要受限速限制;相對(duì)方案1，改用限速方案2時(shí)，全程運(yùn)行時(shí)間提高4 min左右。

對(duì)于方案3和4，動(dòng)車組在速度超過360 km/h左右時(shí)，牽引力基本與運(yùn)行阻力達(dá)到平衡，剩余加速能力接近0，在部分下坡道和長(zhǎng)平直道區(qū)間可以達(dá)到限制速度，所以動(dòng)車組牽引能力在高速時(shí)略顯不足。運(yùn)行總時(shí)間同時(shí)受限速和動(dòng)車組牽引能力限制;相對(duì)方案3，改用限速方案4時(shí)，全程運(yùn)行時(shí)間提高6 min左右。

表1 仿真計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)Table 1 Result data of simulation

4.2 高速動(dòng)車組過電分相時(shí)的速度仿真分析

我國(guó)目前存在3種過分相模式:手動(dòng)過分相、半自動(dòng)過分相、全自動(dòng)過分相。不同的過分相方式，對(duì)高速動(dòng)車組的速度有不同的影響。通過計(jì)算仿真過分相時(shí)的速度變化，對(duì)列車的運(yùn)行時(shí)間、司機(jī)的合理操縱、線路設(shè)計(jì)時(shí)的電分相的位置設(shè)置等有較大的指導(dǎo)意義。

采用與4.1同樣的動(dòng)車組列車和線路，對(duì)高速動(dòng)車組過電分相時(shí)的速度變化進(jìn)行仿真分析。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，計(jì)算線路的電分相主斷路器的斷與合之間的平均距離為1.75 km。選擇平直線路，設(shè)置電分相主斷路器的斷與合之間的平均距離為1.75 km，設(shè)置列車初速度為350 km/h，在電分相主斷斷處提前20 m開始計(jì)算，惰行，在電分相主斷合處延后20 m恢復(fù)牽引，速度接近350 km/h時(shí)停止計(jì)算，計(jì)算結(jié)果曲線見圖3。

圖3 高速動(dòng)車組過電分相的速度仿真分析Fig.3 Simulation analysis of high speed motor train set passing contact wire neutral section

仿真計(jì)算結(jié)果表明:在平直道上，在過電分相前的初速度為350 km/h時(shí)，經(jīng)過電分相后，速度最低降為341.5 km/h，最大降速為 8.5 km/h，速度恢復(fù)至350 km/h的運(yùn)行距離為5.9 km。

4.3 京滬高速鐵路先導(dǎo)試驗(yàn)段的沖高速試驗(yàn)?zāi)M仿真

采用與4.1同樣的動(dòng)車組列車和線路，仿真模擬計(jì)算京滬高速鐵路先導(dǎo)試驗(yàn)段沖高速試驗(yàn)，試驗(yàn)區(qū)間為棗莊西站至蚌埠南站之間，區(qū)間距離220.494 km。計(jì)算能達(dá)到的最高速度和區(qū)段位置。為了進(jìn)行該項(xiàng)試驗(yàn)，動(dòng)車組生產(chǎn)廠提出了試驗(yàn)動(dòng)力方案，動(dòng)車組功率從371 km/h開始，短時(shí)過載，在速度406 km/h時(shí)功率由18400 kW提高至20153 kW，沖擊高速。過載區(qū)段見圖4，仿真計(jì)算結(jié)果見圖5。

圖4 仿真計(jì)算動(dòng)車組過載參數(shù)Fig.4 Motor train set power over－load parameters for simulation

圖5 沖擊高速試驗(yàn)仿真計(jì)算結(jié)果Fig.5 Utmost speed test simulation result

仿真計(jì)算結(jié)果表明:區(qū)段高速試驗(yàn)全程運(yùn)行時(shí)間38 min 17 s。區(qū)段最高速度419.6 km/h，在宿州東站至蚌埠南站之間km809+163處。區(qū)段高速試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 區(qū)段高速試驗(yàn)仿真結(jié)果數(shù)據(jù)Table 2 Result data of utmost speed test simulation

5 結(jié)語(yǔ)

1)提出的高速動(dòng)車組牽引仿真計(jì)算的方法具有良好的仿真精度和實(shí)用意義，可以為我國(guó)高速鐵路工程建設(shè)提供有效的手段。

2)仿真計(jì)算中，需要充分考慮高速動(dòng)車組計(jì)算方法有別于普通列車的特點(diǎn)。

3)隨著研究的深入，高速動(dòng)車組牽引仿真計(jì)算將深入到部件級(jí)仿真，進(jìn)一步進(jìn)行列車牽引電機(jī)、變壓器、變流器的溫升仿真計(jì)算;牽引供電的仿真計(jì)算;列車群的計(jì)算仿真，更好地服務(wù)于我國(guó)高速鐵路的發(fā)展。

［1］中華人民共和國(guó)鐵道部.列車牽引計(jì)算規(guī)程［S］.TB/T1407－1998.

［2］馬大煒，康 熊，王成國(guó)，等.關(guān)于列車牽引計(jì)算的研究［J］.中國(guó)鐵路，2001(9):15－20.

［3］張曙光.鐵路高速列車應(yīng)用基礎(chǔ)理論與工程［M］.北京:科學(xué)出版社，2007.

［4］孫中央.列車牽引計(jì)算實(shí)用教程［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2005.

［5］周 鋒.動(dòng)車組牽引計(jì)算建模及軟件仿真［D］.成都:西南交通大學(xué)，2007.

［6］王月仙，王成國(guó)，馬大煒，等.高速動(dòng)車組自動(dòng)運(yùn)行仿真研究［J］.電力機(jī)車與城軌車輛，2009，32(4):7 －10.

［7］宋 鍇，牛會(huì)想.回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)對(duì)高速列車牽引電算的影響［J］.鐵道機(jī)車車輛，2010，30(3):56－59.

Study on train traction simulation of high speed motor train set

Kang Xiong

(China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

Train traction simulation of high speed motor train set has significant role with the rapid development of our country’s high speed railway.The calculation method of train traction simulation of high speed motor train set is studied and its differences with general train traction calculation and its relative key theories are provided.The structure and functions of our independently developed traction simulation system are introduced afterwards.The actual applications of Beijing—Shanghai high speed railway include:calculation of four different train running projects;calculation and analysis of position and effect for a contact wire neutral section;simulation of utmost speed test in leading part of Beijing—Shanghai high speed railway.It is concluded by applications that the method of train traction simulation of high speed motor train set has good simulation precision and practical usage.It provided an efficient way to our country’s high speed project constructions.The development direction based on it are proposed in the end.

high speed;motor train set;traction;simulation

U260.14

A

1009－1742(2011)01－0062－07

2010－11－10

康 熊(1955—)，男，甘肅武山縣人，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院研究員，主要從事鐵路機(jī)車車輛方面的科研、試驗(yàn)、提速等工作;E －mail:zhoutkyjls@126.com