城市軌道交通車輛段蓄電池調車機車的牽引力計算

朱玉環

(江蘇省廣告監測中心,210024,南京∥工程師)

1 調車機車的用途及型式

調車機車是鐵路系統運用、檢修作業必備的牽引動力車輛,廣泛用于機務段、車輛段等部門。城市軌道交通車輛段、停車場的車輛運用檢修作業流程,同樣需要牽引無動力車輛,故調車機車也是城市軌道交通車輛段、停車場必備的重要設備之一。

調車機車在城市軌道交通中的用途為:車輛段內牽引列車進行調車作業;救援牽引事故列車;牽引軌道平板車或平板吊車,進行設備或物資的運輸作業;為車載空調、攜吊平車,以及沿線工務、電務作業等提供AC 380 V/220 V、50 Hz工頻作業電源;當數控不落輪鏇床配套的公鐵兩用車發生故障無法使用時,用于牽引列車在不落輪鏇床上的軌向定位;必要時可對新建線路軌道進行“壓道”作業;完成對其它無動力車輛的牽引作業。

目前,城市軌道交通車輛段內調車機車的動力型式主要有內燃機車和蓄電池機車兩種。內燃機車采用液力傳動,蓄電池機車采用直-交電力傳動。國外城市軌道交通(如新加坡、巴黎地鐵)現主要采用蓄電池機車。我國由于技術研發起步較晚,目前城市軌道交通車輛段內運行的調車機車主要還是內燃機車。我國香港地鐵在新建線路中已采用蓄電池機車。

蓄電池機車由于環保節能,且與城市軌道交通車輛的兼容性好,逐漸受到國內用戶青睞。本文建立了蓄電池機車的運動學數學模型,根據軌道交通線路條件,對相應的工況進行分析計算;最終得到城市軌道交通車輛段設計時采用蓄電池機車的牽引力要求,供用戶參考。

2 蓄電池調車機車的數學模型

2.1 運動學模型

將蓄電池機車牽引城市軌道交通列車的區域在時間域進行離散,整個牽引、制動過程可看作是有限個Δt過程的組合,建立如下運動模型:

式中:

t——運行時間,s;

ti——第i步的時間,s;

Si——ti時刻列車運行距離,m;

vi——ti時刻列車運行速度,m/s;

F合——列車受到的合外力,N;

m——整個列車的質量,kg。

2.2 力學模型

采用牛頓經典力學模型得出如下方程:

式中:

F——列車牽引力,N;

fi——基本阻力,N;

fj——坡道阻力,N;

fk——起動阻力,N;

a——列車運行加速度,m/s2;

m——整個列車的質量,kg。

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

3 牽引力和加速度計算

3.1 最高運行速度分析

由于蓄電池機車需承擔在正線上牽引軌道平板車或平板吊車進行設備或物資的運輸作業,其越行過站速度受限于車站屏蔽安全門限界的要求,因此,蓄電池機車在正線車站的通過速度應低于城市軌道交通列車的過站速度,其速度值應不大于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號道岔的側向最大通過速度要求,為25 km/h。

3.2 牽引力和加速度計算

根據文獻[1],城市軌道交通列車故障運行的工況如下:“在定員(AW2)工況下,當列車喪失全部動力時,應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,當蓄電池機車承擔救援任務牽引一列AW2工況的列車時,也應滿足單機或雙機重聯牽引AW2工況下的6輛編組列車并在30‰坡道上起動。根據城市軌道交通車輛制造業業內標準,列車起動的最小加速度應不小于0.083 m/s2。

本文計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,蓄電池機車牽引AW0工況下的6輛編組列車在水平線路上運行,所需的牽引力為158 kN。

圖1 AW0工況機車牽引力曲線

圖2 AW0工況機車加速度曲線

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:蓄電池機車牽引AW2工況下的6輛編組列車在30‰坡道上運行,所需的牽引力為215 kN,列車最高運行速度為40 km/h,此時剩余加速度為0.106 m/s2。

圖3 AW2工況機車牽引力曲線

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,蓄電池機車牽引AW0工況下的4輛編組列車在水平線路上運行,所需的牽引力為108 kN。

圖4 AW2工況機車加速度曲線

圖5 AW0工況機車牽引力曲線

圖6 AW0工況機車加速度曲線

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:蓄電池機車牽引AW2工況下的4輛編組列車在30‰坡道上運行,所需的牽引力為146 kN,列車最高運行速度為35 km/h,此時剩余加速度為0.097 m/s2。

圖7 AW2工況機車牽引力曲線

圖8 AW2工況機車加速度曲線

4 結語

通過上述分析,可得出如下結論:

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

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

[1] JB 104—2008 城市軌道交通工程項目建設標準[S].

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

[3] 饒忠.列車牽引計算[M].北京:北方交通大學出版社,1996.