關(guān)于城市軌道交通節(jié)能線路設(shè)計的研究

謝鼎新

摘 要：城市軌道交通當(dāng)中耗能最為主要的2個部分是牽引能耗和動力能耗，車的外型、車輛啟動和制動方式、車輛最高速度以及線路條件都是會對牽引能耗產(chǎn)生影響的因素。在調(diào)查數(shù)據(jù)和對牽引計算進行模擬之后，得出站間距、敷設(shè)方式、平曲線半徑、節(jié)能坡的坡度與坡長、節(jié)能坡與站臺端部的距離、節(jié)能坡組合方式等會對列車牽引能耗產(chǎn)生影響的因素，該文總結(jié)得出節(jié)能線路設(shè)計的一般原則，同時分析了節(jié)能的效果。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通節(jié)能線路設(shè)計；敷設(shè)方式；高架線

中圖分類號：U491 文獻標(biāo)志碼：A

0 引言

現(xiàn)如今，隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力量的發(fā)展壯大，軌道交通作為我國自主科技的產(chǎn)業(yè)，也得到了飛速發(fā)展。隨著多條軌道交通的通車運行，如何節(jié)能和降低運營成本等迫在眉睫，需要人們解決。憑借著我國建成線路的運營經(jīng)驗，可以說僅20 km的軌道交通線路每年的耗電量就十分龐大，因此要設(shè)計并建立節(jié)能的城市軌道交通路線是十分重要的，所以在單條軌道交通的線路設(shè)計時，應(yīng)充分地分析站間距、敷設(shè)方式、線路平曲線、坡段長度和坡度等線路條件對牽引能耗的影響，并提出相應(yīng)的方法使設(shè)計出的路線更加節(jié)能。

1 影響能耗的因素

列車牽引能耗和動力照明能耗是對于城市軌道交通產(chǎn)生耗能的最主要的2個部分。我們將列車在運行過程中消耗的電能稱之為列車牽引耗能，例如列車牽引系統(tǒng)、空調(diào)及附屬系統(tǒng)等； 我們將在運營過程中車站所消耗的電能稱之為動力照明能耗，例如空調(diào)及通風(fēng)、照明、給排水、電梯、自動扶梯、屏蔽門和弱電系統(tǒng)等設(shè)備能耗。

2 線路條件對牽引能耗的影響

對于牽引還能產(chǎn)生影響較大的因素有軌道交通線路的敷設(shè)方式、站間距、平曲線半徑、縱斷面坡度和。為了能夠達到節(jié)能的目的，應(yīng)采取合理的敷設(shè)方式和站間距來對線路進行規(guī)劃；由于在車輛的行駛過程中會受到曲線阻力的影響使其對點的損耗量增加，因此為了減少這種損耗，應(yīng)最大程度地將平面曲線半徑進行優(yōu)化； 為了使?fàn)恳哪芎牡玫綔p少，應(yīng)對線路縱坡采取“高車站低區(qū)間”的方式進行設(shè)計，使線路的縱坡得到優(yōu)化，這種線路設(shè)計的優(yōu)點在于實現(xiàn)了上坡和下坡之間勢能與動能之間的轉(zhuǎn)化，合理地釋放能量；另外，縱坡設(shè)計時，要科學(xué)地計算節(jié)能坡的變坡點與站臺端部之間的距離，把握尺度，這種設(shè)計方式也能夠使能源得到節(jié)約。

2.1 站間距

站間距受到城市軌道交通線路的具體情況決定。站間距較小能夠使步行到站的乘客更加方便，然而卻會使旅行速度降低，使乘客出行的時間增多，同時也增加了運營公司的配車數(shù)量；另外，隨著車站越來越多，項目的投入量以及運行的成本都會得到一定程度的增加。反之，較大的站間距對于列車的節(jié)能有著很大的益處，然而會使乘客步行到車站的路程增加，使乘客感到不方便，與此同時也會使車站的負擔(dān)加重。對于牽引能耗來說軌道交通線路的站間距大小對其有著直接的影響，尤其是列車啟動和制動對牽引能量造成較大的損耗。比較小的站間距，列車就會頻繁地進行啟動和制動，導(dǎo)致牽引能耗較大； 較大的站間距列車需要長時間供電，因此也會造成對能源的損耗。在停站次數(shù)相同的條件下，惰行時間是站間距對列車運行能耗的影響最主要的一項。為了達到到站時間相近，對于在站間距較小的條件下，需要將列車的手柄位相應(yīng)的推高，在站間距較大的條件下，可以延長在較高速度時的惰行工況時間。在運行距離相同時，頻繁制動對動能所造成的損失是站間距對運行能耗的主要影響因素。列車在平直道上牽引時，電氣和列車運行的基本阻力會在牽引電能在轉(zhuǎn)化為列車動能的時候產(chǎn)生損耗，即使一部分的動能在列車的制動過程中回饋到牽引網(wǎng)，然而這反饋回來的動能并不能將損耗的那一部分動能彌補回來。

2.2 敷設(shè)方式

高架、地面和地下線是城市軌道交通敷設(shè)的方式，從軌道交通的附加阻力方面來看，以地下線的坡道附加阻力、曲線附加阻力、隧道附加阻力為最大，其次是地面線與高架線，另外，對地面或高架線進行充分的利用，能夠有效地減少通風(fēng)設(shè)備、排水設(shè)備、車站和隧道照明等設(shè)備所造成的電能損耗。綜上所述，線路的敷設(shè)方式的選擇，將會對牽引能耗的大小產(chǎn)生直接影響。通過對部分城市軌道交通線路的敷設(shè)方式與牽引能耗進行分析，可以得知地面和高架線在曲線和坡度的設(shè)計條件上與地下線相比要具有一定的優(yōu)勢，車體內(nèi)在照明時所需要的電量比較小，且地面和高架線的耗電要比地下線小，比如在北方，由于冬季十分寒冷，所以車內(nèi)需要采取用取暖設(shè)備，這種設(shè)備對電量的損耗比較大，因此地面和高架在敷設(shè)方面就不再具備很大的優(yōu)勢，在重慶，由于其在單軌采用的是橡膠輪胎，其會產(chǎn)生較大的摩阻力，因此會使?fàn)恳芎脑黾樱€有一些由于采用了地面或高架敷設(shè)的方式使坡度起伏較大，導(dǎo)致列車在行駛時需要頻繁地爬坡和制動，所以地面線和高架線的敷設(shè)方式與純地下線敷設(shè)方式相比，其在減少牽引電耗上并不具備很大的優(yōu)勢。

2.3 線路平曲線

平面曲線是線路條件的組成部分，其半徑大小與線路等級定位、車的性能、以及時速、環(huán)境等條件息息相關(guān)。列車行駛于曲線之中，產(chǎn)生物理作用的離心力，將影響到旅客的乘坐感受。那么，必須要以另外的力量來控制好離心力，這時就會外軌超高，而產(chǎn)生向心力，二者相抗，互相平衡。在曲線半徑一定時，速度越快，設(shè)置的超高也就越大，隨之時速也會越快。曲線半徑在以下2個方面，影響著牽引能耗：一是以平面曲線的原因，行駛過程中將出現(xiàn)曲線單位附加阻力，使?fàn)恳芎倪f增。曲線半徑、行駛時速、曲線外軌超高以及軌距加寬、列車車輛的軸距等許多因素均會對曲線附加阻力產(chǎn)生一定的影響，因此，不建議以理論的方式推導(dǎo)其解法，而建議用公式推導(dǎo)。二是曲線半徑與列車通過的速度有關(guān)，通過曲線的速度以公式計算后，得到的結(jié)論是曲線半徑越小，限速也會隨之降低。此外，列車限速小，行駛速度必然降低，導(dǎo)致行駛時間加長。時速的降低，隨之也會使單位時間牽引能耗得到減少。

2.4 線路縱斷面

牽引力、基本運行阻力、曲線阻力、風(fēng)阻力和坡度阻力等因素，都會對列車有一定的阻礙作用，它們產(chǎn)生的各類阻力均與行駛相背，坡度阻力的方向是變化的。行駛在上坡路段中，由于受到上坡阻力的影響，使行駛速度自然的降低； 在列車下坡時會受到預(yù)期運行方向相同的坡道阻力，會使列車運行的速度加快。為了了減少能量的損耗，在設(shè)計軌道交通線路縱斷面時，在凸形坡段上設(shè)置車站位置，這能夠使列車進站上坡所產(chǎn)生的動能轉(zhuǎn)化為勢能，使列車出站時下坡所產(chǎn)生的勢能轉(zhuǎn)化為動能，從而使能量得到節(jié)約。這種設(shè)計被稱之為節(jié)能坡設(shè)計，為了使節(jié)能坡的設(shè)計達到節(jié)能的效果，對節(jié)能坡的設(shè)計有一些要求，其需要對節(jié)能坡的坡度、坡長、位置進行精確地計算以及合理地選擇，另外，也應(yīng)科學(xué)地設(shè)計好緩坡連接方案，最大程度地實現(xiàn)有效節(jié)能的目的。

3 結(jié)語

我國經(jīng)濟的快速發(fā)展推動了我國交通事業(yè)不斷的進步和發(fā)展，與此同時我國對環(huán)境保護方面的重視程度也在不斷地提高，并提倡減少能源消耗、減少能源污染，因此對于城市交通軌道來說如何節(jié)約能源并減少污染是非常重要的，所以在建立城市軌道交通時應(yīng)充分考慮對能源的節(jié)省問題，同時是也要提高在交通建立上的技術(shù)水平，促使能源的利用率得到提高。

參考文獻

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