溫州市域鐵路S1號線牽引計算

王艷琴，郝明遠，汪星華，高永亮

(中國北車集團 唐山軌道客車有限責任公司 產品技術研究中心，河北 唐山 063035)*

0 引言

城市軌道交通與其他城市公共交通工具相比，具有運量大、安全舒適、快速環保等優點，但由于城市軌道交通運量大，總耗電量仍相當于大.如何最大限度地優化列車的運營條件，降低能耗，成了現在城市軌道交通研究的主要目標［1］.所以，本文根據溫州軌道交通發展的需要，用預定的五種列車編組方式在溫州S1號線一期工程從溫州南站至半島二段進行了牽引計算［2］.

圖1 S1線一期工程平面示意圖

1 工程概況與列車編組選取

1.1 S1線工程概況

溫州市域鐵路網規劃由4條線組成，其中S1線走向為東西走向，連接沿海鐵路溫州南站、溫州站、永強機場和半島，是構建未來溫州大都市核心區兩大中心——中心城和甌江口新城的快速聯系通道，串聯甌海中心、中心城區、龍灣中心與半島，并服務于溫州南站、溫州站、永強機場.一期工程位于溫州市中心區，由溫州南站至半島二段，二期至洞頭縣洞頭島，線路全長77.0 km.其中一期工程線路全長49.3 km，設車站14座，預留車站6座，線路平面示意圖如圖1所示.

1.2 列車編組

為資源共享節省投資，溫州市域鐵路應該從線網角度考慮采用統一平臺車輛.由于城市軌道交通車輛選型工作難度較大，既要考慮車輛的技術性能，又要考慮美觀舒適實用，從建設角度還要考慮經濟合算，所以在設計中，車輛選型工作幾乎貫穿整個設計過程.針對溫州市域鐵路不僅具有干線鐵路速度快、有越行、運輸組織較復雜的特點，120 km/h城軌車初步建議選型方案及可供選擇編組方式對應的車輛參數如表1所示，本文將通過實際線路仿真計算來確定一種最適合S1線的車型.

表1 五種編組方式對應的車輛參數

從上表中可知，2M2T(1 550 kW)與3M3T(2 325 kW)理論值相近，而2M2T(2 600 kW)與3M3T(3 900 kW)理論值相近，所以在接下來的牽引計算中，列車編組選取3M3T(2 325 kW)、3M3T(3 900 kW)以及4M2T(5 200 kW)進行仿真計算，選擇一種最適合S1線的城際車.

2 牽引計算參數準備

列車牽引計算是城市軌道交通的重要組成部分，利用計算機對列車的牽引計算進行模擬能解決列車在不同線路、不同編組形式下的運行時分、能耗和時間等問題，為新線設計、舊線改造及運用等方面提供理論依據［3-4］.選用鐵科院開發的可用于線路設計、能耗計算、列車牽引或制動特性研究的軟件，該軟件近年來已在國內有關提速、高速的研究工作中得到了廣泛的應用.

2.1 一期工程線路數據

線路數據是用來描述列車運行的線路參數，文章以溫州S1號線一期工程的線路縱斷面圖為依據，推導出滿足仿真需要的線路數據，包括以下三個文件:

(1)坡度文件 用來表達從線路起點到終點的公里標、坡度信息、標高、線路號等信息.坡度文件的起點位置、終點位置即為線路所涉及的范圍，列車只能在此范圍內運行，而且只能沿著起點至終點的方向運行，不能反向運行.要反向運行的話，必須對線路文件進行上下行轉換.本文溫州市S1號線的運行范圍為5.6～50.55 km;

其中坡度文件除了表達各個坡度外，同時還為另外兩個文件提供位置索引，曲線文件中的曲線和標記文件中的標記范圍不能超出坡度文件的范圍.

(2)曲線文件 用來表達線路中的曲線，描述曲線的位置、曲線半徑及長度等信息.曲線方向為右彎取0，左彎取1.曲線起點公里標、公里標增減方向、線路號都是按曲線起點所處的位置來衡量的;

(3)標記文件 用來表達坡度文件和曲線文件以外的各種信息.標記文件中，至少要有兩個車站標記，不能為空文件.S1號的標記文件如表2所示:其中標記類型整數代表如下意義:1，車站;7，限速;9，橋梁;

表2 標記文件數據

(4)用坡度文件、曲線文件以及標記文件生成的線路數據如圖2所示.

圖2 線路數據

2.2 列車相關曲線

三種列車編組形式對應的牽引力曲線與制動力曲線分別如圖3與圖4所示:

3 仿真結果分析

3.1 運行曲線

仿真軟件采用每輛車為1個質點的多質點模型，可按實際列車編組情況進行牽引計算.根據《新牽規》，仿真過程中，計算粘著系數μj取值如下:

式中，V為速度，單位為km/h.

圖5 “站站停”速度/時間—距離曲線

仿真過程中采用手動與自動相結合的計算方式，對部分不滿意的結果進行了回退重算，避免了一些與實際不相符的問題，使計算結果盡量地符合實際過程.三種編組形式的列車在S1線一期工程中“站站?！钡倪\行曲線如圖5所示.

3.2 運行結果對比

本文從“直達”與“站站停”兩方面進行牽引計算，仿真結果對比如下.

列車牽引能耗對鐵路運輸成本有著重要的影響，而影響牽引能耗的因素也很多，本文是在列車編組情況一定、線路條件一定，而牽引功率不同計算的［5］.能量E計算公式如下所示:

式中，F為最大牽引力;S轉折為恒轉矩時的運行距離;P為功率;t轉折～120為恒功率時的運行時間;t120+為達到最大速度后列車運行時間，時間越長，消耗能量越多;ηtotal為效率.牽引計算過程中電耗量包括區間能耗、站停能耗、出入段能耗，并未加入再生制動中回收的能量.

表3 三種編組停站仿真結果對比

由表3可知，平均旅速60～71 km/h之間時，功率大的車型，運行時間短，能耗會略大.

4 結論

通過對仿真計算結果的分析，在同樣的區間長度范圍內，編組方式為4M2T的列車與編組方式為3M3T(2 325 kW)、3M3T(3 900 kW)的列車相比較，其平均速度快、牽引時間短、牽引能耗低，各項指標都優于其它兩種.所以，對于溫州市S1號線一期工程來說，4M2T的編組方式是比較好的.

［1］桂翔.城市軌道交通牽引計算仿真系統的研究與開發［D］.北京:北京交通大學，2008.

［2］李曉明，陳進杰.基于城市軌道交通列車牽引計算的列車編組形式選擇［J］.鐵道勘察，2008(1):82-84.

［3］胥紅梅，郭湛，李曉宇.地鐵列車牽引計算算法及程序實現［J］.現代城市軌道交通，2011(5):80-82.

［4］李曉明，齊輝.列車牽引計算在城市軌道交通中的應用研究［J］.市政技術，2007，25(6):495-497.

［5］張宇.深圳地鐵1號線(續建)車輛牽引仿真計算［J］.電力機車與城軌車輛，2008，31(5):12-1.