機(jī)車(chē)牽引式列車(chē)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算程序的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

王 偉 謝紅太,2 孫榮剛 黨元鵬

(1. 華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司， 南京 210014；2. 蘭州交通大學(xué), 蘭州 730070)

列車(chē)牽引計(jì)算是一個(gè)復(fù)雜而龐大的系統(tǒng)，涉及專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域廣、計(jì)算復(fù)雜。近年來(lái)列車(chē)牽引計(jì)算已建立了一個(gè)較為成熟的可基本覆蓋所有牽引計(jì)算問(wèn)題的計(jì)算系統(tǒng)，涉及鐵路運(yùn)輸、機(jī)車(chē)運(yùn)用、選線設(shè)計(jì)、通信信號(hào)及運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)等方面[1-2]。但在新建鐵路機(jī)車(chē)牽引式列車(chē)設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算、選取等方面，現(xiàn)有的牽引計(jì)算系統(tǒng)軟件無(wú)法滿(mǎn)足具體特定行業(yè)不同部門(mén)、不同層次的用戶(hù)需求[3-6]。

本文以VB編程語(yǔ)言為基礎(chǔ)，研究開(kāi)發(fā)了新建鐵路機(jī)車(chē)牽引式列車(chē)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算程序。該程序運(yùn)用Word軟件的“域”和“宏”兩個(gè)功能，應(yīng)用VBA編程技術(shù)以新建鐵路鐵路機(jī)務(wù)專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容為例子，完成對(duì)設(shè)計(jì)文本、表格等自動(dòng)處理，打印輸出Word設(shè)計(jì)檢算報(bào)告[7-9]，提高了工作效率和工作質(zhì)量。

1 新建鐵路列車(chē)牽引計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 新建鐵路機(jī)務(wù)設(shè)計(jì)需求

隨著全國(guó)鐵路網(wǎng)的逐步統(tǒng)一和完善，國(guó)家對(duì)鐵路設(shè)計(jì)行業(yè)提出了更高效、優(yōu)質(zhì)、綠色、節(jié)能等的設(shè)計(jì)要求，也對(duì)鐵路機(jī)務(wù)專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)者提出了更專(zhuān)業(yè)的用戶(hù)設(shè)計(jì)需求[10-12]。用戶(hù)設(shè)計(jì)需求主要包括：

(1)面向機(jī)務(wù)專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)者的全參數(shù)化新建鐵路機(jī)車(chē)牽引式列車(chē)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算系統(tǒng)。

(2)面向線路、站場(chǎng)、車(chē)輛等相關(guān)設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)的核定設(shè)計(jì)計(jì)算系統(tǒng)。

(3)面向業(yè)主的簡(jiǎn)易核準(zhǔn)設(shè)計(jì)計(jì)算系統(tǒng)。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新建鐵路機(jī)車(chē)牽引式列車(chē)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算系統(tǒng)，主要包括數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)管理系統(tǒng)、牽引設(shè)計(jì)計(jì)算系統(tǒng)及界面系統(tǒng)3個(gè)組成部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次圖

1.2.1數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)管理系統(tǒng)

將截止2018年底國(guó)內(nèi)投入運(yùn)營(yíng)的全部客貨用電力機(jī)車(chē)及內(nèi)燃機(jī)車(chē)的基本設(shè)計(jì)參數(shù)統(tǒng)一錄入基于VB語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)計(jì)算系統(tǒng)程序[13-17]。

1.2.2牽引設(shè)計(jì)計(jì)算系統(tǒng)

新建鐵路機(jī)車(chē)牽引式列車(chē)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算系統(tǒng)主要包括新建鐵路設(shè)計(jì)參數(shù)預(yù)處理系統(tǒng)、機(jī)車(chē)牽引式列車(chē)設(shè)計(jì)參數(shù)查詢(xún)系統(tǒng)、新建鐵路環(huán)境影響修正處理系統(tǒng)、新建鐵路機(jī)車(chē)牽引重量檢算系統(tǒng)及設(shè)計(jì)參數(shù)輸出處理系統(tǒng)5個(gè)模塊[18-20]。

1.2.3界面系統(tǒng)

利用VB語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)界面系統(tǒng)的可視化，新建鐵路機(jī)車(chē)牽引式列車(chē)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算系統(tǒng)的主界面如圖2所示。

1.3 新建鐵路設(shè)計(jì)機(jī)車(chē)牽引計(jì)算參數(shù)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

新建鐵路在設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)線路縱斷面和機(jī)車(chē)交路的優(yōu)化，須進(jìn)行牽引計(jì)算分析[21-25]，主要包括牽引種類(lèi)的選擇、機(jī)車(chē)類(lèi)型的選定、機(jī)車(chē)牽引重量(牽引定數(shù))的確定、是否需要多機(jī)牽引核準(zhǔn)、環(huán)境影響因素修正、列車(chē)阻力計(jì)算、牽引重量檢算等[26-27]。

基于VB語(yǔ)言的新建鐵路機(jī)車(chē)牽引式列車(chē)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算程序系統(tǒng)整體流程如圖3所示。

1.3.1系統(tǒng)初始化設(shè)計(jì)

系統(tǒng)初始化設(shè)計(jì)內(nèi)容包括牽引種類(lèi)的選擇、機(jī)車(chē)類(lèi)型的選定、機(jī)車(chē)牽引重量(牽引定數(shù))的確定、是否需要多機(jī)牽引核準(zhǔn)、境影響因素修正、牽引重量檢算等方面。

主要代碼如下：

Private Sub Form_Resize() ′軟件界面窗口調(diào)整

Image1.Width=Me.ScaleWidth

Image1.Height=Me.ScaleHeight

End Sub

……

If OptionButton1.Value=True Then

圖2 軟件用戶(hù)主界面圖

圖3 軟件系統(tǒng)整體流程圖

Combo1.Clear

Combo2.Clear

Combo3.Clear

Combo4.Clear

Combo5.Clear

Combo1.AddItem "DF4"

Combo1.AddItem "DF4B"

……

ElseIf OptionButton2.Value=True Then

Combo1.Clear

Combo2.Clear

Combo3.Clear

Combo4.Clear

Combo5.Clear

Combo1.AddItem "SS1"

Combo1.AddItem "SS3"

……

OptionButton1.Value=False

End If

Combo2.AddItem "默認(rèn)計(jì)算海拔(700m)"

Combo2.AddItem "≤700m"

Combo2.AddItem "1000m"

……

Combo3.AddItem "默認(rèn)計(jì)算溫度(30℃)"

Combo3.AddItem "<30℃"

……

Combo4.AddItem 1000

Combo4.AddItem 2000

……

Combo5.AddItem 1

Combo5.AddItem 2

……

Combo1.Text=Combo1.List(0) ′默認(rèn)初始化參數(shù)選擇

Combo2.Text=Combo2.List(0)

Combo3.Text=Combo3.List(0)

Combo4.Text=Combo4.List(4)

Combo5.Text=Combo5.List(0)

1.3.2新建線設(shè)計(jì)限坡計(jì)算

根據(jù)列車(chē)運(yùn)動(dòng)方程式[28-29]，列車(chē)做等速運(yùn)行時(shí)，在限制上坡道ix上合力為零的條件為：

(1)

得出列車(chē)以機(jī)車(chē)持續(xù)速度牽引設(shè)計(jì)牽引重量運(yùn)行時(shí)限制坡度為：

(2)

在多機(jī)牽引或補(bǔ)給推送時(shí)的坡度為：

(3)

式中：Mg——單機(jī)和加力牽引重量(t)；

Mp，Mpk——機(jī)車(chē)計(jì)算質(zhì)量(t)；

Mpk——第k臺(tái)機(jī)車(chē)計(jì)算質(zhì)量(t)；

Fc——機(jī)車(chē)牽引力(N)；

Fck——第k臺(tái)機(jī)車(chē)的牽引力(N)；

λy——機(jī)車(chē)牽引力使用系數(shù)，取λy=0.9；

ix——限制坡度；

ijl——加力牽引坡度；

w′0——機(jī)車(chē)計(jì)算速度vj下的機(jī)車(chē)基本阻力(N/kN)；

w″0——機(jī)車(chē)計(jì)算速度vj下的車(chē)輛基本阻力(N/kN)；

w′0k——第k臺(tái)機(jī)車(chē)在機(jī)車(chē)計(jì)算速度vj下的機(jī)車(chē)基本阻力(N/kN)；

w″0k——第k臺(tái)機(jī)車(chē)在機(jī)車(chē)計(jì)算速度vj下的車(chē)輛單位基本阻力(N/kN)；

λk——第k臺(tái)機(jī)車(chē)牽引力取值系數(shù)。

其中第k臺(tái)機(jī)車(chē)牽引力取值系數(shù)λk，機(jī)車(chē)多機(jī)牽引使用重聯(lián)線或同步裝置操縱時(shí)，每臺(tái)機(jī)車(chē)的牽引力均取全值，λk=1，分別操縱時(shí)，第2臺(tái)機(jī)車(chē)及其以后每臺(tái)機(jī)車(chē)的牽引力均取全值的98%，λk=0.95。

1.3.3內(nèi)燃機(jī)車(chē)牽引力修正

各型內(nèi)燃機(jī)車(chē)在周?chē)諝鉁囟炔桓哂?0 ℃、海拔不超過(guò)700 m的地區(qū)運(yùn)行時(shí)，機(jī)車(chē)牽引力不做修正。

(1)周?chē)諝鉁囟刃拚?/p>

截止2018年底全路投入運(yùn)營(yíng)的內(nèi)燃機(jī)車(chē)中，DF4(客、貨)、DF4B(客、貨)、DF4C(貨)、DF8及DF11型機(jī)車(chē)在溫度高于30℃的地區(qū)運(yùn)行時(shí)，需進(jìn)行機(jī)車(chē)牽引力修正，修正系數(shù)λh參照文獻(xiàn)[13]表12內(nèi)燃機(jī)車(chē)牽引力周?chē)諝鉁囟刃拚禂?shù)。

(2)海拔修正

截止2018年底全路投入運(yùn)營(yíng)的內(nèi)燃機(jī)車(chē)中，DF4(客、貨)、DF4B(客、貨)、DF7D、DF8、DF11、DF8B(高原)及NJ2型機(jī)車(chē)在海拔高于700 m的地區(qū)運(yùn)用時(shí)，需進(jìn)行機(jī)車(chē)牽引力修正，修正系數(shù)λp參照文獻(xiàn)[13]表13內(nèi)燃機(jī)車(chē)牽引力海拔修正系數(shù)。

1.3.4牽引重量檢算

對(duì)ix的選值，需檢算牽引重量是否受列車(chē)起動(dòng)條件、車(chē)站到發(fā)線有效長(zhǎng)及車(chē)鉤強(qiáng)度三者任一條件的限制，否則應(yīng)降低牽引定數(shù)或?qū)ο拗茥l件進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化[30-31]。

(1)牽引重量檢算

①起動(dòng)檢算

起動(dòng)檢算是檢查列車(chē)在車(chē)站停車(chē)后能否順利起動(dòng)。假設(shè)列車(chē)起動(dòng)時(shí)的牽引力等于總阻力，即：

(4)

得：

(5)

式中：Fq——機(jī)車(chē)計(jì)算起動(dòng)牽引力；

w′q——機(jī)車(chē)單位起動(dòng)阻力，取5.0N/kN；

iq——啟動(dòng)地段的加算坡度值。

當(dāng)Mq≥Mg時(shí)，列車(chē)可以起動(dòng)，檢算通過(guò)；當(dāng)Mq

②車(chē)站到發(fā)線有效長(zhǎng)檢算

車(chē)站到發(fā)線有效長(zhǎng)檢算是檢查列車(chē)牽引重量是否受車(chē)站到發(fā)線有效長(zhǎng)度的限制。

Myx=(Lyx-La-NjLj)×q

(6)

式中:La——安全距離，一般取30 m；

Lyx——到發(fā)線有效長(zhǎng)度；

Lj——機(jī)車(chē)長(zhǎng)度；

Nj——列車(chē)中機(jī)車(chē)臺(tái)數(shù)；

q——列車(chē)每延米質(zhì)量(t/m)。

當(dāng)Myx≥Mg時(shí)，牽引重量不受到發(fā)線有效長(zhǎng)度限制；當(dāng)Myx

③車(chē)鉤強(qiáng)度檢算

在加力牽引上坡道上，若機(jī)車(chē)用重聯(lián)方式牽引，第1位車(chē)輛的車(chē)鉤所受拉力可能超過(guò)車(chē)鉤允許強(qiáng)度。

(7)

式中:Fn——車(chē)鉤允許拉力；

ijl——加力坡度；

w″0——按在ijl坡上的列車(chē)均衡速度計(jì)算的車(chē)輛基本阻力。

當(dāng)Mc≥Mg時(shí)，應(yīng)采用補(bǔ)機(jī)推送方式。

(2)牽引重量檢算主要程序設(shè)計(jì)代碼

主要代碼如下：

……

Private Sub CommandButton1_Click()

Label35="——"

Label38="——"

Label40="——"

Label35.ForeColor=vbGreen

Label38.ForeColor=vbGreen

Label40.ForeColor=vbGreen

jdq=5 ′機(jī)車(chē)單位起動(dòng)基本阻力(N/kN)

hdq=3.5 ′貨車(chē)單位起動(dòng)基本阻力(N/kN)

la=30 ′安全距離(m)

lyx=Val(Text2.Text) ′到發(fā)線有效長(zhǎng)(m)

nj=Val(Combo5.Text) ′重聯(lián)機(jī)車(chē)數(shù)量

qlm=5.677 ′列車(chē)每延米質(zhì)量/(t/m)

If Label2.ForeColor=vbRed Or Label7.ForeColor=vbRed Then

Label35="——"

Else

gq=(0.9*fq*1000 - mp0*(jdq+Val(Text1.Text))) / ((hdq+Val(Text1.Text))*9.81)

If gq>=Val(Combo4.Text) Then

Label35="校驗(yàn)通過(guò)"

ElseIf gq

Label35="校驗(yàn)失敗，請(qǐng)減小牽引重量或降低站坪設(shè)計(jì)坡度。"

Label35.ForeColor=vbRed

End If

End If

If Label2.ForeColor=vbRed Or Label7.ForeColor=vbRed Then

Label38="——"

Else

gdf=(lyx - la - nj * li) * qlm

If gdf >= Val(Combo4.Text) Then

Label38="校驗(yàn)通過(guò)"

ElseIf gdf < Val(Combo4.Text) Then

Label38="校驗(yàn)失敗，請(qǐng)減小牽引重量或增大到發(fā)線有效長(zhǎng)。"

Label38.ForeColor=vbRed

End If

End If

If Label2.ForeColor=vbRed Or Label7.ForeColor=vbRed Then ′Label40="——"

Else

gg=562500 / 9.81 / (w2 + pd) ′車(chē)鉤允許拉力按(13#)562500N設(shè)計(jì)計(jì)算

If gg >= Val(Combo4.Text) Then

Label40="——" ′校驗(yàn)失敗，請(qǐng)減小牽引重量或采用補(bǔ)給推送方式

Label40.ForeColor=vbRed

ElseIf gg < Val(Combo4.Text) Then

Label40="——" ′校驗(yàn)通過(guò)

End If

End If

End Sub

……

2 新建鐵路列車(chē)牽引計(jì)算設(shè)計(jì)參數(shù)報(bào)告輸出

2.1 設(shè)計(jì)報(bào)表生成系統(tǒng)

設(shè)計(jì)報(bào)表生成系統(tǒng)可根據(jù)數(shù)據(jù)文件完成對(duì)文檔結(jié)構(gòu)、文字、表格、圖形的自動(dòng)化處理。設(shè)計(jì)報(bào)表生成系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)框架示意如圖4所示。

圖4 設(shè)計(jì)報(bào)表生成系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框架示意圖

2.2 設(shè)計(jì)報(bào)表生成系統(tǒng)主要代碼

設(shè)計(jì)報(bào)表生成系統(tǒng)的部分重要代碼如下：

Private Sub CommandButton2_Click()

Dim WordApp, Word As Variant ′定義Word文檔對(duì)象

Set WordApp=CreateObject("Word.Application") ′創(chuàng)建Word文檔

Set Word=WordApp.Documents.Add ′給工作表變量賦值

WordApp.Visible=True

Dim Table '定義一個(gè)表格

With Word '打開(kāi)Word文檔

……

.Paragraphs(.Paragraphs.Count).Range.Font.Name="隸書(shū)" ′Word文檔格式設(shè)定

.Paragraphs(.Paragraphs.Count).Range.Font.Size=40

.Paragraphs(.Paragraphs.Count).Range.Font.Bold=True

.Paragraphs(.Paragraphs.Count).Alignment=wdAlignParagraphCenter

.Paragraphs(.Paragraphs.Count).Range.Font.Underline=wdUnderlineNone

.Content.InsertAfter vbCrLf & "新建鐵路機(jī)車(chē)牽引設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算報(bào)表" & vbCrLf & vbCrLf & vbCrLf & vbCrLf

……

.Paragraphs(.Paragraphs.Count).Alignment=wdAlignParagraphCenter

.Tables.Add Range:=.Range(Start:=.Range.End - 1, End:=.Range.End), NumRows:=6, NumColumns:=3, _

DefaultTableBehavior:=wdWord9TableBehavior, AutoFitBehavior:=wdAutoFitFixed ′根據(jù)表格中的內(nèi)容自動(dòng)調(diào)整單元格的大小，整個(gè)表格大小自動(dòng)調(diào)整。

Dim h, zt, wt ′定義表格字體格式變量

h=15: zt=14: wt="宋體"

With .Tables(1)

.Cell(1, 1).Range.Font.Name=wt

.Cell(1, 1).Range.Font.Size=zt

.Cell(1, 1).Range.Font.Bold=True

.Cell(1, 1).Range.Rows.Height=h

.Cell(1, 1).Range.Text="序號(hào)"

.Cell(2, 1).Range.Font.Name=wt

.Cell(2, 1).Range.Font.Size=zt

.Cell(2, 1).Range.Font.Bold=True

.Cell(2, 1).Range.Rows.Height=h

.Cell(2, 1).Range.Text="1"

……

2.3 輸出打印設(shè)計(jì)報(bào)表

以某新建鐵路程項(xiàng)目設(shè)計(jì)采用DF8B(高原)型內(nèi)燃機(jī)車(chē)為例輸出打印設(shè)計(jì)報(bào)表。

2.3.1設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)報(bào)表

根據(jù)新建鐵路工程線路設(shè)計(jì)主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)新建鐵路機(jī)車(chē)牽引式列車(chē)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算平臺(tái)設(shè)計(jì)、計(jì)算并檢驗(yàn)通過(guò)后，推薦的機(jī)務(wù)設(shè)計(jì)主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)機(jī)務(wù)主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)表

2.3.2設(shè)計(jì)機(jī)車(chē)基本計(jì)算參數(shù)報(bào)表

設(shè)計(jì)機(jī)車(chē)基本計(jì)算參數(shù)如表2所示。

表2 設(shè)計(jì)機(jī)車(chē)計(jì)算參數(shù)詳表

2.3.3本線設(shè)計(jì)坡度報(bào)表

計(jì)算輸出本線設(shè)計(jì)坡度值為4.10(4)‰，設(shè)計(jì)取值4‰。

2.3.4機(jī)車(chē)牽引重量檢算報(bào)表

機(jī)車(chē)牽引重量的起動(dòng)、到發(fā)線有效長(zhǎng)及車(chē)鉤強(qiáng)度檢算情況如表3所示。

表3 設(shè)計(jì)機(jī)車(chē)牽引重量檢算報(bào)表

2.3.5報(bào)表輸出

打印輸出報(bào)表模板主要包括設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)機(jī)車(chē)基本計(jì)算參數(shù)、本線設(shè)計(jì)坡度、機(jī)車(chē)牽引重量檢算及設(shè)計(jì)檢算說(shuō)明等5部分，如圖5所示。

圖5 設(shè)計(jì)報(bào)表模板圖

3 結(jié)束語(yǔ)

基于VB應(yīng)用程序設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的新建鐵路機(jī)車(chē)牽引式列車(chē)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算系統(tǒng)在內(nèi)燃機(jī)車(chē)及電力機(jī)車(chē)基本性能參數(shù)查詢(xún)、機(jī)車(chē)運(yùn)用環(huán)境影響因素精準(zhǔn)修正、設(shè)計(jì)方案比較分析及牽引重量檢算核準(zhǔn)等方面為設(shè)計(jì)者和客戶(hù)提供了一個(gè)全方位的高效設(shè)計(jì)檢算平臺(tái)。在此基礎(chǔ)上期待后續(xù)行業(yè)內(nèi)提出更為完善、高效便捷的機(jī)務(wù)設(shè)計(jì)檢算程序。