城市軌道交通車輛段蓄電池調(diào)車機(jī)車的牽引力計(jì)算

朱玉環(huán)

(江蘇省廣告監(jiān)測(cè)中心,210024,南京∥工程師)

1 調(diào)車機(jī)車的用途及型式

調(diào)車機(jī)車是鐵路系統(tǒng)運(yùn)用、檢修作業(yè)必備的牽引動(dòng)力車輛,廣泛用于機(jī)務(wù)段、車輛段等部門。城市軌道交通車輛段、停車場(chǎng)的車輛運(yùn)用檢修作業(yè)流程,同樣需要牽引無動(dòng)力車輛,故調(diào)車機(jī)車也是城市軌道交通車輛段、停車場(chǎng)必備的重要設(shè)備之一。

調(diào)車機(jī)車在城市軌道交通中的用途為:車輛段內(nèi)牽引列車進(jìn)行調(diào)車作業(yè);救援牽引事故列車;牽引軌道平板車或平板吊車,進(jìn)行設(shè)備或物資的運(yùn)輸作業(yè);為車載空調(diào)、攜吊平車,以及沿線工務(wù)、電務(wù)作業(yè)等提供AC 380 V/220 V、50 Hz工頻作業(yè)電源;當(dāng)數(shù)控不落輪鏇床配套的公鐵兩用車發(fā)生故障無法使用時(shí),用于牽引列車在不落輪鏇床上的軌向定位;必要時(shí)可對(duì)新建線路軌道進(jìn)行“壓道”作業(yè);完成對(duì)其它無動(dòng)力車輛的牽引作業(yè)。

目前,城市軌道交通車輛段內(nèi)調(diào)車機(jī)車的動(dòng)力型式主要有內(nèi)燃機(jī)車和蓄電池機(jī)車兩種。內(nèi)燃機(jī)車采用液力傳動(dòng),蓄電池機(jī)車采用直-交電力傳動(dòng)。國外城市軌道交通(如新加坡、巴黎地鐵)現(xiàn)主要采用蓄電池機(jī)車。我國由于技術(shù)研發(fā)起步較晚,目前城市軌道交通車輛段內(nèi)運(yùn)行的調(diào)車機(jī)車主要還是內(nèi)燃機(jī)車。我國香港地鐵在新建線路中已采用蓄電池機(jī)車。

蓄電池機(jī)車由于環(huán)保節(jié)能,且與城市軌道交通車輛的兼容性好,逐漸受到國內(nèi)用戶青睞。本文建立了蓄電池機(jī)車的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)學(xué)模型,根據(jù)軌道交通線路條件,對(duì)相應(yīng)的工況進(jìn)行分析計(jì)算;最終得到城市軌道交通車輛段設(shè)計(jì)時(shí)采用蓄電池機(jī)車的牽引力要求,供用戶參考。

2 蓄電池調(diào)車機(jī)車的數(shù)學(xué)模型

2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

將蓄電池機(jī)車牽引城市軌道交通列車的區(qū)域在時(shí)間域進(jìn)行離散,整個(gè)牽引、制動(dòng)過程可看作是有限個(gè)Δt過程的組合,建立如下運(yùn)動(dòng)模型:

式中:

t——運(yùn)行時(shí)間,s;

ti——第i步的時(shí)間,s;

Si——ti時(shí)刻列車運(yùn)行距離,m;

vi——ti時(shí)刻列車運(yùn)行速度,m/s;

F合——列車受到的合外力,N;

m——整個(gè)列車的質(zhì)量,kg。

2.2 力學(xué)模型

采用牛頓經(jīng)典力學(xué)模型得出如下方程:

式中:

F——列車牽引力,N;

fi——基本阻力,N;

fj——坡道阻力,N;

fk——起動(dòng)阻力,N;

a——列車運(yùn)行加速度,m/s2;

m——整個(gè)列車的質(zhì)量,kg。

根據(jù)上述模型,采用MAT LAB二次開發(fā),編制了牽引計(jì)算軟件。本文將分析蓄電池機(jī)車牽引不同工況的城市軌道交通列車的牽引力特性。

3 牽引力和加速度計(jì)算

3.1 最高運(yùn)行速度分析

由于蓄電池機(jī)車需承擔(dān)在正線上牽引軌道平板車或平板吊車進(jìn)行設(shè)備或物資的運(yùn)輸作業(yè),其越行過站速度受限于車站屏蔽安全門限界的要求,因此,蓄電池機(jī)車在正線車站的通過速度應(yīng)低于城市軌道交通列車的過站速度,其速度值應(yīng)不大于60 km/h;考慮5 km/h的瞬間超速,最高速度為65 km/h。在車輛段,其速度受限于7號(hào)道岔的側(cè)向最大通過速度要求,為25 km/h。

3.2 牽引力和加速度計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)[1],城市軌道交通列車故障運(yùn)行的工況如下:“在定員(AW2)工況下,當(dāng)列車喪失全部動(dòng)力時(shí),應(yīng)能由另一列相同空載列車(AW0)在正線最大坡道上牽引(或推送)至臨近車站,列車清客后被牽引至車輛段。”同樣,當(dāng)蓄電池機(jī)車承擔(dān)救援任務(wù)牽引一列AW2工況的列車時(shí),也應(yīng)滿足單機(jī)或雙機(jī)重聯(lián)牽引AW2工況下的6輛編組列車并在30‰坡道上起動(dòng)。根據(jù)城市軌道交通車輛制造業(yè)業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn),列車起動(dòng)的最小加速度應(yīng)不小于0.083 m/s2。

本文計(jì)算基于城市軌道交通B1型車,列車為6輛及4輛編組,采用蓄電池機(jī)車和DC 750 V第三軌供電。

3.2.1 牽引6輛編組列車

牽引AW0工況下的6輛編組列車在水平線路上運(yùn)行所需的牽引力和加速度曲線如圖1、圖2所示。從圖1可看出,蓄電池機(jī)車牽引AW0工況下的6輛編組列車在水平線路上運(yùn)行,所需的牽引力為158 kN。

圖1 AW0工況機(jī)車牽引力曲線

圖2 AW0工況機(jī)車加速度曲線

牽引AW2工況下的6輛編組列車在30‰坡道上運(yùn)行所需的牽引力和加速度曲線如圖3、圖4所示。從圖3和圖4可看出:蓄電池機(jī)車牽引AW2工況下的6輛編組列車在30‰坡道上運(yùn)行,所需的牽引力為215 kN,列車最高運(yùn)行速度為40 km/h,此時(shí)剩余加速度為0.106 m/s2。

圖3 AW2工況機(jī)車牽引力曲線

3.2.2 牽引4輛編組列車

牽引AW0工況下的4輛編組列車在水平線路上運(yùn)行所需的牽引力和加速度曲線如圖5、圖6所示。從圖5可看出,蓄電池機(jī)車牽引AW0工況下的4輛編組列車在水平線路上運(yùn)行,所需的牽引力為108 kN。

圖4 AW2工況機(jī)車加速度曲線

圖5 AW0工況機(jī)車牽引力曲線

圖6 AW0工況機(jī)車加速度曲線

牽引AW2工況下的4輛編組列車在30‰坡道上運(yùn)行所需的牽引力和加速度曲線如圖7、圖8所示。從圖7和圖8可看出:蓄電池機(jī)車牽引AW2工況下的4輛編組列車在30‰坡道上運(yùn)行,所需的牽引力為146 kN,列車最高運(yùn)行速度為35 km/h,此時(shí)剩余加速度為0.097 m/s2。

圖7 AW2工況機(jī)車牽引力曲線

圖8 AW2工況機(jī)車加速度曲線

4 結(jié)語

通過上述分析,可得出如下結(jié)論:

(1)蓄電池機(jī)車牽引AW0工況下的6輛編組列車在水平線路上運(yùn)行,所需的牽引力為158 kN;牽引AW2工況下的6輛編組列車在30‰坡道上運(yùn)行,所需的牽引力為215 kN。

(2)蓄電池機(jī)車牽引AW0工況下的4輛編組列車在水平線路上運(yùn)行,所需的牽引力為108 kN;牽引AW2工況下的4輛編組列車在30‰坡道上運(yùn)行,所需的牽引力為146 kN。

[1] JB 104—2008 城市軌道交通工程項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2] 石紅國,彭其淵,郭寒英.城市軌道交通牽引計(jì)算算法[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào),2004(3):30.

[3] 饒忠.列車牽引計(jì)算[M].北京:北方交通大學(xué)出版社,1996.