極不均勻載荷條件下列車(chē)的牽引力和電制動(dòng)力分配方案

劉 帥 陳敏 郭燕輝 延娓娓

(1. 中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司，130062，長(zhǎng)春;2. 天津地下鐵道集團(tuán)有限公司，300384，天津; 3. 北京市地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司，100044，北京//第一作者，工程師)

1 牽引力的影響因素

采用電傳動(dòng)的鋼輪鋼軌式軌道交通車(chē)輛，其能量變換方式簡(jiǎn)單且易于控制，該能量變換方式是由牽引電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩傳遞給列車(chē)[1]。一般地，列車(chē)的最大牽引力為：

F=μmg+mra

(1)

式中：

μ——黏著系數(shù)；

m——黏著質(zhì)量；

g——重力加速度；

mr——列車(chē)的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量；

a——車(chē)輛的加速度。

從式1可以看出，限制列車(chē)最大黏著牽引力的是輪軌之間的黏著系數(shù)和列車(chē)自身的黏著質(zhì)量[2-4]。黏著系數(shù)與輪軌的表面狀態(tài)、鋼軌的軟硬程度、道砟的沉量、車(chē)輛的運(yùn)行狀態(tài)等多種因素有關(guān)[5]。一般地，進(jìn)行地鐵車(chē)輛的牽引力計(jì)算時(shí)黏著系數(shù)取經(jīng)驗(yàn)值0.165，制動(dòng)力計(jì)算時(shí)取0.15[6]。這樣以來(lái)，列車(chē)的黏著質(zhì)量就成為了唯一的影響車(chē)輛最大黏著牽引力的可控變量。

2 牽引力及電制動(dòng)力分配方案

由于列車(chē)最大黏著牽引力與黏著質(zhì)量直接相關(guān)，且黏著質(zhì)量一般與列車(chē)的軸重正相關(guān)，因此列車(chē)的載荷直接影響牽引力和電制動(dòng)力的分配[7]。

在一般的常規(guī)線(xiàn)路，車(chē)輛車(chē)廂端部不設(shè)置隔離門(mén)，乘客可以在不同車(chē)廂間任意走動(dòng)，乘客也可以自由地選擇上車(chē)的車(chē)門(mén)。這樣的客流特點(diǎn)能夠使列車(chē)的載荷實(shí)現(xiàn)自均衡[8]。因?yàn)檩d荷均勻，所以整車(chē)的牽引力和電制動(dòng)力也被均勻地分配至各個(gè)動(dòng)轉(zhuǎn)向架。

為了保持起動(dòng)加速度和制動(dòng)減速度基本不變，根據(jù)列車(chē)控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(TCMS)傳送的載荷，牽引控制單元(TCU)將會(huì)對(duì)牽引力和電制動(dòng)力進(jìn)行再校正，即牽引力和電制動(dòng)力將會(huì)隨載荷變化進(jìn)行調(diào)整，并不是完全的線(xiàn)性關(guān)系。以4輛編組列車(chē)為例，其載荷校正系數(shù)的關(guān)系如表1所示。

表1 某4輛編組列車(chē)載荷校正系數(shù)

對(duì)于以上載荷的中間點(diǎn)的糾正系數(shù)，可以按照線(xiàn)性插值進(jìn)行計(jì)算求得，黏著質(zhì)量與校正系數(shù)的關(guān)系如圖1所示。

圖1 校正系數(shù)與黏著質(zhì)量的關(guān)系

3 上海浦東機(jī)場(chǎng)線(xiàn)車(chē)輛的牽引力和電制動(dòng)力分配問(wèn)題

上海浦東機(jī)場(chǎng)線(xiàn)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“機(jī)場(chǎng)線(xiàn)”)車(chē)輛為3動(dòng)1拖的4輛編組地鐵車(chē)輛，其運(yùn)營(yíng)工況和常規(guī)地鐵相比差別較大。機(jī)場(chǎng)線(xiàn)車(chē)輛承擔(dān)的是T1、T2航站樓與其對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星廳S1、S2之間的擺渡任務(wù)，乘坐該車(chē)輛的人員主要為國(guó)內(nèi)國(guó)際航班上出發(fā)或到達(dá)的旅客。為了避免偷渡、走私等事情發(fā)生，車(chē)輛和站臺(tái)均設(shè)置了隔離裝置，以保證國(guó)內(nèi)旅客和國(guó)際旅客之間不發(fā)生混流。列車(chē)內(nèi)劃分國(guó)際車(chē)廂和國(guó)內(nèi)車(chē)廂，中間設(shè)有常閉的鎖閉隔離門(mén)，對(duì)應(yīng)的站臺(tái)位置上設(shè)有隔離墻。

圖2 機(jī)場(chǎng)線(xiàn)車(chē)輛及站臺(tái)隔離裝置設(shè)置圖

這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)置導(dǎo)致乘客無(wú)法在車(chē)廂內(nèi)自由穿梭，假設(shè)某一時(shí)段僅有國(guó)際航班進(jìn)出港而無(wú)國(guó)內(nèi)航班起降，此時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)國(guó)際單元載荷為mAW3(185 t)，而國(guó)內(nèi)單元為mAW0(118 t)，全車(chē)的黏著質(zhì)量為151.5 t，此時(shí)全列車(chē)的牽引力為FAW3，因受牽引系統(tǒng)的能力限制，F(xiàn)AW2與FAW3相等，所以全列車(chē)所需的牽引力為：

(2)

如果將上述列車(chē)所需的牽引力均勻分配至每個(gè)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架，則每個(gè)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架需要輸出的牽引力為39.7 kN。一般地，取列車(chē)的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量為空車(chē)重的10%，車(chē)輛的加速度為1.1 m/s2，此時(shí)國(guó)內(nèi)單元車(chē)廂的動(dòng)轉(zhuǎn)向架所需的輪軌黏著系數(shù)為：

(3)

式中：

ma——?jiǎng)討B(tài)質(zhì)量。

該數(shù)值已經(jīng)超出了一般的牽引計(jì)算時(shí)所采用的黏著系數(shù)上限值0.165，這說(shuō)明如果采用平均分配的策略，車(chē)輛在實(shí)際運(yùn)行時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)空轉(zhuǎn)，造成車(chē)輪擦傷。

4 多種牽引和電制動(dòng)力分配方案的對(duì)比分析

(1) 以轉(zhuǎn)向架為單位分配：由于列車(chē)的載荷信息是根據(jù)位于車(chē)體和轉(zhuǎn)向架之間的空氣彈簧的壓力獲得的，該數(shù)據(jù)與各個(gè)轉(zhuǎn)向架是一一對(duì)應(yīng)的，且牽引力的控制也以每個(gè)轉(zhuǎn)向架為最小單元，所以可以以轉(zhuǎn)向架為單位對(duì)列車(chē)的牽引力和電制動(dòng)力進(jìn)行分配。但是經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，此分配策略需要一個(gè)前提，即單元內(nèi)部的各個(gè)轉(zhuǎn)向架間的載荷要高度均勻。

(2) 以一輛車(chē)為單位分配：以單輛車(chē)為單位進(jìn)行分配就是單輛車(chē)的載荷與單輛車(chē)的牽引力和電制動(dòng)力一一對(duì)應(yīng)。但是由于機(jī)場(chǎng)線(xiàn)車(chē)輛的頭車(chē)為半動(dòng)車(chē)，與中間車(chē)相比，它缺少一個(gè)牽引單元，在載荷相同的情況下，頭車(chē)能夠提供牽引力的設(shè)備有限，無(wú)法與其他車(chē)輛進(jìn)行均分，所以此方案不具備可行性。

(3) 以半組車(chē)為單位分配：根據(jù)機(jī)場(chǎng)線(xiàn)的實(shí)際運(yùn)營(yíng)需求，由于隔離機(jī)構(gòu)設(shè)置在列車(chē)的中間，可以將列車(chē)看作是2個(gè)2輛編組模塊的組合，牽引力和電制動(dòng)力也按照以半組為最小單位的方式進(jìn)行分配，即半組車(chē)的載荷與各自的牽引和電制動(dòng)力一一對(duì)應(yīng)。這樣既可以避免單元內(nèi)不同轉(zhuǎn)向架間載荷分配不均勻而導(dǎo)致的力的損失，也可以降低因不同單元間質(zhì)量差別所引起的車(chē)輪空轉(zhuǎn)或滑行的風(fēng)險(xiǎn)。

此方案已經(jīng)應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)線(xiàn)，通過(guò)修改TCMS的程序，對(duì)牽引及電制動(dòng)力的分配算法已經(jīng)完成優(yōu)化升級(jí)。由于此線(xiàn)路尚未進(jìn)入調(diào)試運(yùn)營(yíng)階段，具體的策略更改效果需要進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。

5 結(jié)語(yǔ)

本文從黏著牽引力的定義出發(fā)，探討了常規(guī)地鐵車(chē)輛牽引力和電制動(dòng)力分配方案。由于上海浦東機(jī)場(chǎng)線(xiàn)特殊的運(yùn)營(yíng)需求導(dǎo)致其可能出現(xiàn)不同車(chē)廂間載荷極不均勻的工況，為了避免列車(chē)因黏著利用過(guò)度所導(dǎo)致的車(chē)輪空轉(zhuǎn)和打滑的問(wèn)題，提出以半組車(chē)為單位進(jìn)行力的分配的方案。本分配策略的實(shí)際效果需要在上海浦東機(jī)場(chǎng)線(xiàn)未來(lái)的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)一步驗(yàn)證。

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