溫州市域鐵路S1號線牽引計算

王艷琴，郝明遠，汪星華，高永亮

(中國北車集團 唐山軌道客車有限責(zé)任公司 產(chǎn)品技術(shù)研究中心，河北 唐山 063035)*

0 引言

城市軌道交通與其他城市公共交通工具相比，具有運量大、安全舒適、快速環(huán)保等優(yōu)點，但由于城市軌道交通運量大，總耗電量仍相當(dāng)于大.如何最大限度地優(yōu)化列車的運營條件，降低能耗，成了現(xiàn)在城市軌道交通研究的主要目標(biāo)［1］.所以，本文根據(jù)溫州軌道交通發(fā)展的需要，用預(yù)定的五種列車編組方式在溫州S1號線一期工程從溫州南站至半島二段進行了牽引計算［2］.

圖1 S1線一期工程平面示意圖

1 工程概況與列車編組選取

1.1 S1線工程概況

溫州市域鐵路網(wǎng)規(guī)劃由4條線組成，其中S1線走向為東西走向，連接沿海鐵路溫州南站、溫州站、永強機場和半島，是構(gòu)建未來溫州大都市核心區(qū)兩大中心——中心城和甌江口新城的快速聯(lián)系通道，串聯(lián)甌海中心、中心城區(qū)、龍灣中心與半島，并服務(wù)于溫州南站、溫州站、永強機場.一期工程位于溫州市中心區(qū)，由溫州南站至半島二段，二期至洞頭縣洞頭島，線路全長77.0 km.其中一期工程線路全長49.3 km，設(shè)車站14座，預(yù)留車站6座，線路平面示意圖如圖1所示.

1.2 列車編組

為資源共享節(jié)省投資，溫州市域鐵路應(yīng)該從線網(wǎng)角度考慮采用統(tǒng)一平臺車輛.由于城市軌道交通車輛選型工作難度較大，既要考慮車輛的技術(shù)性能，又要考慮美觀舒適實用，從建設(shè)角度還要考慮經(jīng)濟合算，所以在設(shè)計中，車輛選型工作幾乎貫穿整個設(shè)計過程.針對溫州市域鐵路不僅具有干線鐵路速度快、有越行、運輸組織較復(fù)雜的特點，120 km/h城軌車初步建議選型方案及可供選擇編組方式對應(yīng)的車輛參數(shù)如表1所示，本文將通過實際線路仿真計算來確定一種最適合S1線的車型.

表1 五種編組方式對應(yīng)的車輛參數(shù)

從上表中可知，2M2T(1 550 kW)與3M3T(2 325 kW)理論值相近，而2M2T(2 600 kW)與3M3T(3 900 kW)理論值相近，所以在接下來的牽引計算中，列車編組選取3M3T(2 325 kW)、3M3T(3 900 kW)以及4M2T(5 200 kW)進行仿真計算，選擇一種最適合S1線的城際車.

2 牽引計算參數(shù)準備

列車牽引計算是城市軌道交通的重要組成部分，利用計算機對列車的牽引計算進行模擬能解決列車在不同線路、不同編組形式下的運行時分、能耗和時間等問題，為新線設(shè)計、舊線改造及運用等方面提供理論依據(jù)［3-4］.選用鐵科院開發(fā)的可用于線路設(shè)計、能耗計算、列車牽引或制動特性研究的軟件，該軟件近年來已在國內(nèi)有關(guān)提速、高速的研究工作中得到了廣泛的應(yīng)用.

2.1 一期工程線路數(shù)據(jù)

線路數(shù)據(jù)是用來描述列車運行的線路參數(shù)，文章以溫州S1號線一期工程的線路縱斷面圖為依據(jù)，推導(dǎo)出滿足仿真需要的線路數(shù)據(jù)，包括以下三個文件:

(1)坡度文件 用來表達從線路起點到終點的公里標(biāo)、坡度信息、標(biāo)高、線路號等信息.坡度文件的起點位置、終點位置即為線路所涉及的范圍，列車只能在此范圍內(nèi)運行，而且只能沿著起點至終點的方向運行，不能反向運行.要反向運行的話，必須對線路文件進行上下行轉(zhuǎn)換.本文溫州市S1號線的運行范圍為5.6～50.55 km;

其中坡度文件除了表達各個坡度外，同時還為另外兩個文件提供位置索引，曲線文件中的曲線和標(biāo)記文件中的標(biāo)記范圍不能超出坡度文件的范圍.

(2)曲線文件 用來表達線路中的曲線，描述曲線的位置、曲線半徑及長度等信息.曲線方向為右彎取0，左彎取1.曲線起點公里標(biāo)、公里標(biāo)增減方向、線路號都是按曲線起點所處的位置來衡量的;

(3)標(biāo)記文件 用來表達坡度文件和曲線文件以外的各種信息.標(biāo)記文件中，至少要有兩個車站標(biāo)記，不能為空文件.S1號的標(biāo)記文件如表2所示:其中標(biāo)記類型整數(shù)代表如下意義:1，車站;7，限速;9，橋梁;

表2 標(biāo)記文件數(shù)據(jù)

(4)用坡度文件、曲線文件以及標(biāo)記文件生成的線路數(shù)據(jù)如圖2所示.

圖2 線路數(shù)據(jù)

2.2 列車相關(guān)曲線

三種列車編組形式對應(yīng)的牽引力曲線與制動力曲線分別如圖3與圖4所示:

3 仿真結(jié)果分析

3.1 運行曲線

仿真軟件采用每輛車為1個質(zhì)點的多質(zhì)點模型，可按實際列車編組情況進行牽引計算.根據(jù)《新牽規(guī)》，仿真過程中，計算粘著系數(shù)μj取值如下:

式中，V為速度，單位為km/h.

圖5 “站站?！彼俣?時間—距離曲線

仿真過程中采用手動與自動相結(jié)合的計算方式，對部分不滿意的結(jié)果進行了回退重算，避免了一些與實際不相符的問題，使計算結(jié)果盡量地符合實際過程.三種編組形式的列車在S1線一期工程中“站站?！钡倪\行曲線如圖5所示.

3.2 運行結(jié)果對比

本文從“直達”與“站站停”兩方面進行牽引計算，仿真結(jié)果對比如下.

列車牽引能耗對鐵路運輸成本有著重要的影響，而影響牽引能耗的因素也很多，本文是在列車編組情況一定、線路條件一定，而牽引功率不同計算的［5］.能量E計算公式如下所示:

式中，F(xiàn)為最大牽引力;S轉(zhuǎn)折為恒轉(zhuǎn)矩時的運行距離;P為功率;t轉(zhuǎn)折～120為恒功率時的運行時間;t120+為達到最大速度后列車運行時間，時間越長，消耗能量越多;ηtotal為效率.牽引計算過程中電耗量包括區(qū)間能耗、站停能耗、出入段能耗，并未加入再生制動中回收的能量.

表3 三種編組停站仿真結(jié)果對比

由表3可知，平均旅速60～71 km/h之間時，功率大的車型，運行時間短，能耗會略大.

4 結(jié)論

通過對仿真計算結(jié)果的分析，在同樣的區(qū)間長度范圍內(nèi)，編組方式為4M2T的列車與編組方式為3M3T(2 325 kW)、3M3T(3 900 kW)的列車相比較，其平均速度快、牽引時間短、牽引能耗低，各項指標(biāo)都優(yōu)于其它兩種.所以，對于溫州市S1號線一期工程來說，4M2T的編組方式是比較好的.

［1］桂翔.城市軌道交通牽引計算仿真系統(tǒng)的研究與開發(fā)［D］.北京:北京交通大學(xué)，2008.

［2］李曉明，陳進杰.基于城市軌道交通列車牽引計算的列車編組形式選擇［J］.鐵道勘察，2008(1):82-84.

［3］胥紅梅，郭湛，李曉宇.地鐵列車牽引計算算法及程序?qū)崿F(xiàn)［J］.現(xiàn)代城市軌道交通，2011(5):80-82.

［4］李曉明，齊輝.列車牽引計算在城市軌道交通中的應(yīng)用研究［J］.市政技術(shù)，2007，25(6):495-497.

［5］張宇.深圳地鐵1號線(續(xù)建)車輛牽引仿真計算［J］.電力機車與城軌車輛，2008，31(5):12-1.