列車節(jié)能操縱技術(shù)研究

向書(shū)元，鄧家亮

（1.中國(guó)鐵路南寧局集團(tuán)有限公司 柳州機(jī)務(wù)段，高級(jí)技師，廣西 柳州 545000；2.中國(guó)鐵路南寧局集團(tuán)有限公司 機(jī)務(wù)部，工程師，廣西 南寧 530000）

1 現(xiàn)狀

列車運(yùn)行加速與機(jī)車能源節(jié)約之間是一對(duì)既互相依存又互相對(duì)立的矛盾關(guān)系，列車加速就意味著增加機(jī)車能源消耗。目前，列車操縱沿襲傳統(tǒng)操縱模式，加之操縱者對(duì)速度與加速度理解不透，缺乏實(shí)際運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，造成運(yùn)輸效率低、能源消耗大等缺點(diǎn)，如何正確運(yùn)用加速度理論成為列車節(jié)能操縱技術(shù)的重點(diǎn)研究方向。

2 理論研究

列車加速度表征了作用于列車上的牽引力、基本阻力、制動(dòng)力三者所形成的合力ΣF，決定了列車運(yùn)行速度變化的大小和方向，是影響列車安全運(yùn)行狀態(tài)發(fā)展趨勢(shì)、反映機(jī)車乘務(wù)員實(shí)際操縱技術(shù)水平的最重要的因素。

2.1 加速度與節(jié)能操縱關(guān)系

列車牽引運(yùn)行中，其功率消耗的能量都是以單位時(shí)間進(jìn)行計(jì)算的。在功率一定的情況下，當(dāng)列車加速，機(jī)車最佳加速時(shí)機(jī)與最佳功率決定了機(jī)車能源消耗能量省費(fèi)程度，既以最佳的功率，用最短的時(shí)間，獲得最大的加速度值，從而獲得最大的速度上升空間。當(dāng)列車速度達(dá)到一定范圍值時(shí)，運(yùn)行阻力逐漸增加，速度上升空間逐漸減小，加速度值也隨之逐漸減小，仍大功率運(yùn)行則效率降低，能源消耗增大。在功率、線路、速度配合的前提下，正確運(yùn)用加速度就成為列車節(jié)能操縱技術(shù)的核心。

2.2 運(yùn)行速度分析

在列車運(yùn)行中，運(yùn)行線路時(shí)刻處于直線、曲線（換算為坡道直線）、坡道變換中，運(yùn)行速度也不斷變換，屬變速直線運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)用機(jī)車功率對(duì)列車速度進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，根據(jù)前一分段點(diǎn)速度進(jìn)行評(píng)估，判斷列車是否處于正點(diǎn)運(yùn)行或運(yùn)緩狀態(tài)，再?zèng)Q定加速或減速運(yùn)行。根據(jù)區(qū)間里程、運(yùn)行時(shí)分及坡度情況確定列車的平均速度值，從而確定列車運(yùn)行的正點(diǎn)率，其依據(jù)就是無(wú)論列車速度如何變化，一定距離s 與運(yùn)行時(shí)間t的比值就是列車的平均速度，如公式（1）所示。

2.3 加速度分析

2.3.1 加速度定義 加速度等于在勻變速直線運(yùn)動(dòng)中既時(shí)速度ut-初速度uo與所用時(shí)間t的比值，用于表示速度變化的快慢程度，加速度的數(shù)值表示每秒鐘內(nèi)速度的改變量，加速度值越大，表示速度變化越快，如公式（2）所示。

2.3.2 加速度方向 加速度是矢量，具有方向。在直線運(yùn)動(dòng)中，如速度均勻增加，則a＞0，ut＞uo，表示加速度方向與速度方向相同，其計(jì)算結(jié)果為正值，叫勻加速運(yùn)動(dòng)；如速度均勻減小，則a＜0，ut＜uo，表示加速度方向與速度方向相反，其計(jì)算結(jié)果為負(fù)值，叫勻減速運(yùn)動(dòng)；如速度保持不變，則a＝0，ut＝uo，其計(jì)算結(jié)果為零，屬于勻速直線運(yùn)動(dòng)了。

公式4 由初速度uo、既時(shí)速度ut、加速度a、位移（路程）s四個(gè)不涉及時(shí)間t的變量組成，在勻變速直線運(yùn)動(dòng)的加速度計(jì)算中，只要知道初速度加速到既時(shí)速度所用時(shí)間，就可以計(jì)算出加速距離和加速度值，同理，在知道列車加速度值時(shí)，就可以計(jì)算出前方一定范圍內(nèi)的列車既時(shí)運(yùn)行速度。

2.4 應(yīng)用分析

2.4.1 加速應(yīng)用 在列車運(yùn)行中，無(wú)論線路縱斷面如何變化，在縱斷面坡度及曲線換算坡度進(jìn)行簡(jiǎn)化折算后，均可視為在直線上運(yùn)行的一般坡度。在分段操縱中，特別是在列車起動(dòng)加速或動(dòng)能加速時(shí)，根據(jù)列車加速時(shí)所用的時(shí)間，任一既時(shí)速度值都可計(jì)算出列車的加速度，進(jìn)而計(jì)算出列車任意時(shí)刻的既時(shí)速度。

2.4.2 減速應(yīng)用 在列車制動(dòng)運(yùn)行中，可以計(jì)算出從初減壓制動(dòng)速度開(kāi)始到停車全過(guò)程中的列車減速度值或可以根據(jù)列車制動(dòng)曲線運(yùn)行軌跡中的任意一段計(jì)算出列車制動(dòng)過(guò)程中的減速度值。在列車制動(dòng)過(guò)程中，運(yùn)行線路會(huì)產(chǎn)生一定變化，列車制動(dòng)曲線運(yùn)行軌跡無(wú)法均勻降速，但列車制動(dòng)終點(diǎn)距離不會(huì)變，仍遵循運(yùn)動(dòng)學(xué)中拋物線的運(yùn)動(dòng)軌跡。

2.4.3 影響因素 在列車加速運(yùn)行中，線路縱斷面、列車速度、列車加速度等因素?zé)o法均勻變化，取用列車平均速度，因而計(jì)算所得加速度是列車平均加速度。在牽引力一定的情況下，列車質(zhì)量越小、線路坡度值越小、速度越低，獲得的加速度越大。

3 節(jié)能操縱技術(shù)應(yīng)用

列車加速（起動(dòng)強(qiáng)迫加速或坡道動(dòng)能加速）的目的是為了提高運(yùn)行速度、減少能源消耗，合理運(yùn)用線路縱斷面進(jìn)行加速，充分發(fā)揮列車功率、速度優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)機(jī)車功率與列車速度及線路的有效配合，提高機(jī)車功率運(yùn)用效率，達(dá)到節(jié)能的效果。在列車運(yùn)行操縱過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)不同情況決定其操縱姿態(tài)。

3.1 即時(shí)速度接近或達(dá)到線路平均運(yùn)行速度

根據(jù)區(qū)間線路運(yùn)行平均速度或區(qū)間各分段點(diǎn)和分段平均速度，判斷列車運(yùn)行即時(shí)速度必須符合列車正點(diǎn)運(yùn)行要求。

3.1.1 無(wú)較大線路變坡 列車速度在接近或達(dá)到線路平均運(yùn)行速度時(shí)，盡可能避免大功率強(qiáng)迫加速，采取勻速維持運(yùn)行姿態(tài)。

3.1.2 坡度較小、變化較多的起復(fù)坡道 以列車平穩(wěn)運(yùn)行為目的，注意坡道變換過(guò)程中的小功率調(diào)節(jié)，采取勻速維持運(yùn)行姿態(tài)。

3.1.3 坡道較大且復(fù)雜 在列車平穩(wěn)運(yùn)行前提下，可采取下坡大功率加速、上坡小功率維持、平道勻功率平穩(wěn)的操縱方法，在線路限速允許的條件下，盡可能的避免坡道變坡點(diǎn)惰力運(yùn)行。

3.2 即時(shí)速度必須獲得相對(duì)較大的加速度范圍

列車在運(yùn)行姿態(tài)不變的理想狀態(tài)下，速度與機(jī)車牽引力始終是定值且成反比關(guān)系，既速度增長(zhǎng)，機(jī)車牽引力下降，當(dāng)達(dá)到一定高速度運(yùn)行范圍時(shí)，運(yùn)行阻力增加，所獲得的速度增長(zhǎng)值有限，列車運(yùn)行加速度減小或轉(zhuǎn)入勻速、勻減速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，造成機(jī)車功率的浪費(fèi)和機(jī)車能源的無(wú)謂消耗。線路在小于-1.5‰的實(shí)際下坡或分段線路折算坡度小于-1.5‰的下坡且基本滿足列車加速距離，才能充分發(fā)揮機(jī)車牽引力獲取相對(duì)較大的加速度值和速度上升空間。

3.3 線路平均換算坡度及長(zhǎng)度必須具有獲得最大加速度的加速條件

在列車加速過(guò)程中，線路平均換算坡度及長(zhǎng)度滿足獲得最大加速度的加速條件，方能以機(jī)車最大功率代價(jià)獲取所需的最大加速度或運(yùn)行速度。

3.4 前方分段點(diǎn)或區(qū)間線路分段具有即時(shí)加速條件

列車運(yùn)行前方線路縱斷面條件，主要是線路換算坡度分布情況，是決定列車運(yùn)行姿態(tài)、機(jī)車功率運(yùn)用及獲取加速度和速度的主要因素，根據(jù)線路情況區(qū)段換算線路坡道分為全程、區(qū)間、區(qū)間分段換算線路坡道和實(shí)際坡道。

3.4.1 區(qū)間里程較短、線路較平緩 以實(shí)際坡道為主，在區(qū)間取一個(gè)特定參考點(diǎn)，觀察列車運(yùn)行時(shí)分及速度，根據(jù)前方線路情況決定增加或降低機(jī)車牽引力，為獲得理想的加速度和速度，在制定操縱方案時(shí)，應(yīng)考慮前方未來(lái)三至五個(gè)區(qū)間。

3.4.2 區(qū)間里程較長(zhǎng)、線路較復(fù)雜 坡度變化較大時(shí)，采用分段折算坡道，可在線路復(fù)雜地點(diǎn)或線路平均段將區(qū)間線路解剖分段為三至五個(gè)參考點(diǎn)，根據(jù)各分段參考點(diǎn)線路換算坡度及長(zhǎng)度情況，確定列車即時(shí)加速價(jià)值，進(jìn)行分段、分時(shí)、分速操縱，保持分界點(diǎn)列車平均功率及運(yùn)行速度的均衡性，確保各分段運(yùn)行速度及運(yùn)行時(shí)間的總和與整個(gè)區(qū)間或相鄰兩個(gè)區(qū)間相符，從而制定相應(yīng)的平穩(wěn)操縱方案及機(jī)車節(jié)能措施。

3.5 把握列車加速最佳時(shí)機(jī)

在線路縱斷面坡度變坡點(diǎn)，對(duì)于列車在坡道轉(zhuǎn)換過(guò)程中機(jī)車牽引力的運(yùn)用，應(yīng)掌握以下原則：

3.5.1 下坡加速轉(zhuǎn)入上坡道 在列車速度不再增長(zhǎng)或降低前，既加速度趨向于勻速或勻減速運(yùn)動(dòng)（a≤0）臨界點(diǎn)（既為列車最佳降低功率運(yùn)行時(shí)機(jī)），開(kāi)始逐漸降低機(jī)車牽引力或列車進(jìn)入惰力運(yùn)行狀態(tài)。

3.5.2 上坡勻減速轉(zhuǎn)入下坡道 在列車速度開(kāi)始增長(zhǎng)前，既速度趨向于勻速或勻加速運(yùn)動(dòng)（a≥0）臨界點(diǎn)（既為列車最佳加速時(shí)機(jī)），開(kāi)始逐漸增加機(jī)車牽引力，在獲得增長(zhǎng)速度且大于1km/h 時(shí)既為列車加速最佳時(shí)機(jī)。

3.5.3 運(yùn)行試驗(yàn) 選用DF4D 型客運(yùn)機(jī)車進(jìn)行試驗(yàn)，數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所示。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

4 結(jié)論

在14萬(wàn)公里的鐵路運(yùn)營(yíng)線上，運(yùn)行著數(shù)以萬(wàn)計(jì)的客、貨運(yùn)列車，正確理解速度與加速度理論，提升列車操縱技術(shù)，充分運(yùn)用機(jī)車性能，是達(dá)到列車節(jié)能最大化的有效途經(jīng)，實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)則需同行不懈的努力，達(dá)到全員節(jié)能的目的。