地鐵列車概念車性能模擬及特殊工況仿真計(jì)算軟件在試車線長度計(jì)算中的應(yīng)用

陳世浩，張彥棟

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031）

地鐵車輛的選型是地鐵工程整體方案中的關(guān)鍵問題之一[1]，直接影響運(yùn)輸組織、線路標(biāo)準(zhǔn)（最小曲線半徑和最大坡度）、土建工程、車輛段規(guī)模在城市軌道交通設(shè)計(jì)中起著舉足輕重的作用。

中鐵二院開發(fā)的地鐵列車概念車性能模擬及特殊工況仿真計(jì)算軟件可根據(jù)其列車基本參數(shù)及牽引特性參數(shù)進(jìn)行概念車設(shè)計(jì)，并計(jì)算多種匹配該車型的特性曲線，建立地鐵列車牽引計(jì)算模型；該軟件也可根據(jù)建立的概念車模型及實(shí)際線路信息等輸入條件，進(jìn)行牽引仿真計(jì)算，能夠模擬當(dāng)前擬選型的地鐵列車型號(hào)是否匹配當(dāng)前線路要求，對(duì)于車輛選型工作具有重要的指導(dǎo)意義。

地鐵車輛段試車線是地鐵列車進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)試和試驗(yàn)的線路，新車和完成檢修后的列車都需在試車線進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試和性能試驗(yàn)，因此，試車線的長度應(yīng)盡可能滿足地鐵列車最高運(yùn)行速度的試車需求。試車線的設(shè)計(jì)受地形條件影響，長度可能無法滿足最高運(yùn)行速度的試車要求，因此對(duì)不同車型的不同檔位試車速度進(jìn)行試車線長度計(jì)算是必要的。

本文依托中鐵二院開發(fā)的地鐵列車概念車性能模擬及特殊工況仿真計(jì)算軟件，對(duì)軟件的功能進(jìn)行初步介紹，并根據(jù)地鐵列車試車所需工況，計(jì)算80 km/h 及100 km/h 地鐵列車不同試車速度下試車線所需長度，給出試車線長度建議方案。

1 軟件功能概述

地鐵列車概念車性能模擬及特殊工況仿真計(jì)算軟件由3 個(gè)功能組成。

輸入功能：主要為線路數(shù)據(jù)及地鐵列車概念車數(shù)據(jù)，為地鐵列車牽引計(jì)算提供數(shù)據(jù)輸入。

牽引計(jì)算功能：根據(jù)已建立的地鐵列車牽引計(jì)算模型、輸入的線路信息，進(jìn)行地鐵列車牽引計(jì)算。

數(shù)據(jù)后處理功能：根據(jù)運(yùn)行結(jié)果，提供數(shù)據(jù)輸出功能，并可根據(jù)用戶選擇，定制輸出內(nèi)容。

1.1 輸入功能

輸入功能的對(duì)象由以下兩部分組成。

1）線路數(shù)據(jù)，主要包含車站、限速、曲線和坡度等線路數(shù)據(jù)。

2）地鐵列車數(shù)據(jù)，主要包含動(dòng)車組編組、整備質(zhì)量、動(dòng)拖車長度、回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)等動(dòng)車組基本參數(shù)以及動(dòng)車組牽引特性、制動(dòng)特性等特性曲線、基本運(yùn)行阻力等。

1.2 牽引計(jì)算功能

牽引計(jì)算功能是地鐵列車概念車性能模擬及特殊工況仿真計(jì)算軟件的核心模塊，結(jié)合列車牽引計(jì)算規(guī)程[2]及實(shí)用教程[3]，該軟件根據(jù)地鐵列車編組信息、自重、荷載、回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)等地鐵列車基本參數(shù)和其牽引特性、制動(dòng)特性、基本運(yùn)行阻力等參數(shù)，對(duì)地鐵列車其他特性曲線進(jìn)行計(jì)算，采用多質(zhì)點(diǎn)模型，對(duì)地鐵列車進(jìn)行受力分析，建立地鐵列車牽引計(jì)算模型，如圖1 所示。

模擬地鐵列車在該線路上的運(yùn)行時(shí)間、速度、能耗等數(shù)據(jù)。具體實(shí)現(xiàn)如下。

1）對(duì)線路數(shù)據(jù)及動(dòng)車組數(shù)據(jù)進(jìn)行靜態(tài)存儲(chǔ)。

2）根據(jù)線路數(shù)據(jù)及動(dòng)車組數(shù)據(jù)，賦予指定步長，計(jì)算每步長對(duì)應(yīng)的地鐵列車運(yùn)行工況、牽引力、制動(dòng)力、阻力，加速度、速度及位置，并按照步長進(jìn)行存儲(chǔ)。

牽引計(jì)算流程圖如圖2 所示。

圖2 地鐵列車牽引計(jì)算流程圖

1.3 數(shù)據(jù)后處理功能

該軟件數(shù)據(jù)后處理功能包含：地鐵列車的速度距離曲線、牽引力、制動(dòng)力、阻力、加速度和牽引能耗等曲線，顯示如線路縱斷面、車站等靜態(tài)信息。

2 試車線所需驗(yàn)證工況

2.1 試車速度分檔

根據(jù)GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》中關(guān)于試車線的規(guī)定，試車線應(yīng)為平直線路，困難時(shí)，在滿足試車速度要求條件下可設(shè)適當(dāng)曲線；試車線的有效長度應(yīng)根據(jù)車輛性能和技術(shù)參數(shù)及試車綜合作業(yè)要求計(jì)算確定[4]。該規(guī)范中并未對(duì)試車速度進(jìn)行明確規(guī)定，而試車速度是決定試車線有效長度的關(guān)鍵因素之一，因此根據(jù)不同車型的最高運(yùn)行速度來計(jì)算試車線有效長度具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

試車線的功能主要是對(duì)新車及檢修后的列車進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)試和性能測(cè)試，最高試車速度可分為3 個(gè)檔，第一檔為列車最高運(yùn)行速度的試驗(yàn)，第二檔為電制動(dòng)工況下的最大電流速度，第三檔為牽引工況下的最大電流速度[5]。本文將結(jié)合軟件，對(duì)不同車型的三檔速度進(jìn)行試車線長度計(jì)算。

2.2 試車工況

本文考慮的試車線的試車過程主要包括牽引加速階段、惰行（轉(zhuǎn)換）階段和制動(dòng)階段，計(jì)算過程如下。

1）牽引加速階段：軟件可根據(jù)地鐵列車基本參數(shù)模擬計(jì)算牽引特性曲線及其他特性曲線，并計(jì)算出地鐵列車牽引至試車速度的加速距離。

2）惰行階段：按照地鐵列車試車速度勻速行駛進(jìn)行考慮，惰行時(shí)間為5 s。

3）司機(jī)操作時(shí)間及設(shè)備響應(yīng)時(shí)間：按照3 s 時(shí)間，地鐵列車在此階段勻速行駛進(jìn)行考慮。

4）制動(dòng)階段：制動(dòng)階段距離按照地鐵列車在試驗(yàn)速度下，按照常用制動(dòng)加速度計(jì)算得出。

2.3 試車線長度計(jì)算

除上述軟件計(jì)算出的牽引加速距離、惰行距離及制動(dòng)距離外，根據(jù)張雄，李劍虹在《論地鐵車輛段試車線的功能及設(shè)計(jì)要求》文章中的研究，試車線長度還需考慮滑動(dòng)式車擋安裝距離、安全距離、列車長度等因素。

1）滑動(dòng)式車擋安裝距離為車擋長度（6 m×2=12 m）及按照25 km/h 撞擊速度計(jì)算的滑移距離（17.28 m×2=34.56 m）之和組成，合計(jì)為46.56 m。

2）安全距離為地鐵列車試車時(shí)距離車擋的要求安全距離（10 m×2=20 m），為20 m。

3）列車長度為地鐵列車實(shí)際長度，一般情況下最短為B 型車4 輛編組80 m，最長為A 型車6 輛編組140 m。本文列車長度取120 m。

4）試車線長度合計(jì)為牽引加速距離、惰行距離、制動(dòng)距離、滑動(dòng)式車擋安裝距離、安全距離、列車長度之和。

3 試車線所需驗(yàn)證工況

基于上述分析，本文采用地鐵列車概念車性能模擬及特殊工況仿真計(jì)算軟件，分別對(duì)80 km/h 時(shí)速及100 km/h 時(shí)速地鐵列車空載AW0 工況進(jìn)行概念車設(shè)計(jì)，對(duì)概念車進(jìn)行牽引特性計(jì)算，分別計(jì)算出最高運(yùn)行速度及對(duì)應(yīng)的牽引加速距離、牽引工況下最大電流速度及對(duì)應(yīng)的牽引加速距離、電制動(dòng)工況下最大電流速度及對(duì)應(yīng)的牽引加速距離。鑒于惰行階段按照勻速行駛、制動(dòng)階段按照常用制動(dòng)加速度進(jìn)行制動(dòng)，惰行距離和制動(dòng)距離可通過計(jì)算確定，最終考慮滑動(dòng)式車擋安裝距離、安全距離、列車長度得到最終計(jì)算出的試車線長度。

3.1 試車速度的計(jì)算

本文分別對(duì)80 km/h 及100 km/h 地鐵列車進(jìn)行牽引特性計(jì)算，得到80 km/h 及100 km/h 地鐵列車三檔試車速度。80 km/h 時(shí)速地鐵列車三檔試車速度如圖3和圖4 及表1 所示，100 km/h 時(shí)速地鐵列車三檔試車速度如圖5 和圖6 及表2 所示。

表1 80 km/h 時(shí)速地鐵列車三檔試車速度

表2 100 km/h 時(shí)速地鐵列車三檔試車速度

圖3 80 km/h 時(shí)速地鐵列車牽引工況下的最大電流速度

圖4 80 km/h 時(shí)速地鐵列車電制動(dòng)工況下的最大電流速度

圖5 100km/h 時(shí)速地鐵列車地鐵列車牽引工況下的最大電流速度

圖6 100 km/h 時(shí)速地鐵列車地鐵列車電制動(dòng)工況下的最大電流速度

3.2 牽引加速距離的計(jì)算

軟件根據(jù)牽引特性及附加阻力特性，時(shí)間步長按照0.1 s 設(shè)置，在時(shí)間步長范圍內(nèi)的平均加速度按照初始加速度代替，可計(jì)算出每時(shí)間步長對(duì)應(yīng)的初始時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻速度，按照時(shí)間步長范圍內(nèi)的平均速度可計(jì)算該時(shí)間步長范圍內(nèi)的距離，通過時(shí)間步長不斷迭代累計(jì)，即可求得牽引至試車速度所需的牽引加速距離。

軟件計(jì)算出的80 km/h 時(shí)速地鐵列車及100 km/h時(shí)速地鐵列車加速至三檔試車速度的牽引距離見表3。

表3 地鐵列車三檔試車速度的牽引加速距離m

3.3 惰行距離、制動(dòng)距離的計(jì)算

針對(duì)惰行距離，由于惰行階段時(shí)間較短，按照地鐵列車試車速度勻速行駛進(jìn)行考慮，惰行時(shí)間為5 s。

針對(duì)惰行轉(zhuǎn)制動(dòng)階段，考慮司機(jī)操作時(shí)間及設(shè)備響應(yīng)時(shí)間，按照地鐵列車試車速度勻速行駛進(jìn)行考慮，按照3 s 計(jì)算。

針對(duì)制動(dòng)距離，按照地鐵列車在最高試驗(yàn)速度條件下，按照最大常用制動(dòng)加速度計(jì)算得出，考慮一定的安全余量，常用制動(dòng)速度按照0.8 m/s2計(jì)算。地鐵列車三檔試車速度的惰行及制動(dòng)距離見表4。

表4 地鐵列車三檔試車速度的惰行及制動(dòng)距離m

3.4 試車線長度的計(jì)算

在考慮滑動(dòng)式車擋安裝距離、安全距離、列車長度后，結(jié)合上述計(jì)算80 km/h 及100 km/h 地鐵列車的牽引加速距離、惰行距離、制動(dòng)距離，平直線路下試車線長度匯總見表5。

表5 地鐵列車三檔試車速度的試車線長度m

4 結(jié)論

考慮到試車線受地形條件所限制，試車線長度可能無法滿足最高運(yùn)行速度的試車要求。因此，本文利用中鐵二院開發(fā)的地鐵列車概念車性能模擬及特殊工況仿真計(jì)算軟件，對(duì)80 km/h 時(shí)速及100 km/h 時(shí)速地鐵列車空載AW0 工況進(jìn)行牽引特性計(jì)算，完成不同試車速度檔次下的試車線長度計(jì)算。針對(duì)80 km/h 時(shí)速的地鐵列車，試車線長度可按照1 050、800、550 m 進(jìn)行選擇；針對(duì)100 km/h 時(shí)速地鐵列車，試車線長度可按照1 650、1 000、650 m 進(jìn)行選擇。