城市軌道交通既有線與延長線的蓄電池工程車適應性研究

覃才

（廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣東廣州 510010）

0 引言

由于城市軌道交通既有線與延長線在線路條件上存在差異，因此蓄電池工程車的作業(yè)范圍應以實際線路條件為基礎進行考慮。現(xiàn)實中，蓄電池的續(xù)航能力有限導致其作業(yè)范圍受限。工程車通常于段場內(nèi)整備存放，作業(yè)完成后需返回段場，由于段場選址取決于上位規(guī)劃，不可輕易調整，因此需對工程車的作業(yè)能力進行核算，對工程車的應用策略進行調整，以確保其作業(yè)范圍實現(xiàn)全線覆蓋。同時，既有的蓄電池續(xù)航能力研究中，對于計算輸入的線路參數(shù)，多采用固定理想化取值，且未考慮平面曲線因素。文章基于線路不同區(qū)段的實際參數(shù)（坡度、豎曲線、平面曲線等）進行研究，為蓄電池工程車作業(yè)范圍的計算、作業(yè)模式及策略的制訂提供借鑒[1]。

1 蓄電池工程車適應性分析

1.1 影響適應性的主要因素

工程車的使用場景決定了其運用于不同線路的適應性。其主要使用場景如表1 所示。

表1 蓄電池工程車主要使用場景

根據(jù)工程車的使用場景，在段內(nèi)作業(yè)時，既有線與延長線的段內(nèi)線路條件一致，均為同一半徑且無坡度，對于同一線路，所采用的電客車、平板車在負載上基本無差別。因此，在段內(nèi)調車時，其適用性契合；正線作業(yè)時，主要受線路參數(shù)的影響[2]。

研究其適應性，需根據(jù)既有線與延長線的線路參數(shù)，核算既有線工程車的續(xù)航能力，得出續(xù)航能力對應的可覆蓋作業(yè)范圍，在此基礎上考慮延長線工程車的能力需求及應用策略[3]。

1.2 工程車作業(yè)可覆蓋范圍

以廣州市已運營的18&22 號線及其在建延長線為例。其線路分布如圖1 所示。

圖1 18&22 號線及其在建延長線分布圖

續(xù)航能力計算如下：

設軌道車重量為M（單位：t）；負載重量為Q（單位：t）；蓄電池工程車運行速度為v（單位：m/s）；蓄電池額定電壓為V、放電容量系數(shù)為η；線路坡度為i；線路平面半徑為R。

根據(jù)線路不同的坡度、半徑，將其劃分為若干個區(qū)段，每個區(qū)段的長度為Sj，線路總長度S=∑Sj（j=1～n），n 為線路劃分的總區(qū)段數(shù)。根據(jù)《列車牽引計算規(guī)程》（TB/T 1407—1998），列車阻力由車輛在平直道上的阻力、坡道阻力和曲線附加阻力三部分組成。

第一，車輛在平直道上的阻力為F0：

式（1）中：F0′為車輛基本運行阻力；F0″為車輛單位基本阻力。

第二，車輛的坡道阻力為Fi：

第三，曲線附加單位阻力為FR：

由式（1）～（3）可知，車輛在平直道上的阻力僅與行駛速度相關；結合式（4）～（5），可計算得出該區(qū)段的列車阻力（即所需牽引力）Fj=F0+Fi+FR（kN），則該區(qū)段的輪周功率Pj=Fj×v/3.6（kW），該區(qū)段所消耗的電池容量Cj=Pj/（V×η）。

設蓄電池總容量為Ct，根據(jù)目前市場調研情況，蓄電池剩余電量小于總容量的20% 則不建議繼續(xù)使用。

若在第a（1≤a＜n）個區(qū)段，Ct×（1-20%）≥∑Cj（j=1～a）且同時Ct×（1-20%）＜∑Cj（j=1～a+1）時，僅蓄電池供電的情況下，推導出可行駛最大單程距離為Smd=∑Sj（j=1～a）+[Ct×（1-20%）-∑Cj（j=1～a）]×Sa+1/Ca+1。

若在第b（1≤b＜n）個區(qū)段，Ct×（1-20%）≥2∑Cj（j=1～b）且同時Ct×（1-20%）＜2∑Cj（j=1～b+1）時，僅蓄電池供電的情況下，推導出可行駛最大折返距離為Smd=∑Sj（j=1～b）+[Ct×（1-20%）-2∑Cj（j=1～b）]×Sb+1/2Cb+1。

若Ct×（1-20%）＞∑Cj（j=1～n），則蓄電池續(xù)航能力大于對應線路單程的全線作業(yè)需求；若Ct×（1-20%）＞2∑Cj（j=1～n），則蓄電池續(xù)航能力大于對應線路折返的全線作業(yè)需求。

根據(jù)上述推導，結合廣州市18&22 號線既有線及延長線的線路平縱斷面圖及相關數(shù)據(jù)資料，通過編程計算，以各段場為工程車出發(fā)點，得出蓄電池工程車單程及折返最大行駛距離，進而得出工程車作業(yè)可覆蓋范圍。其中，出于維護檢修便利性考慮，計算延長線的工程車可覆蓋范圍時優(yōu)先考慮與既有線采用同一型號，其基本參數(shù)一致[4]。

結合廣州地區(qū)工程車作業(yè)的規(guī)定及運營習慣，計算工況如下。

第一，正線常規(guī)作業(yè)：雙機牽引平板車，前往作業(yè)點及返回段場的過程中均考慮平板車牽引負載。

第二，正線救援作業(yè)（少數(shù)情況下考慮蓄電池工程車救援）：雙機牽引，由段場趕往作業(yè)點不帶負載，返回段場時考慮電客車牽引負載。

蓄電池工程車運行路徑如圖2 所示，蓄電池工程車可覆蓋范圍計算結果如表2 所示。

圖2 蓄電池工程車運行路徑示意圖

表2 蓄電池工程車可覆蓋范圍

由表2 可知：

第一，采用單程作業(yè)模式時，對于常規(guī)作業(yè)及救援作業(yè)，路徑3～12 的單程可覆蓋距離均大于實際路徑距離，且路徑1、路徑2 對應的端點站進行折返作業(yè)時，兩端可覆蓋距離之和大于實際路徑距離。因此，18&22 號線既有線及延長線在采用“本段場—正線—下一段場”的運作模式時，蓄電池工程車的能力范圍可覆蓋全線。

第二，若采用折返作業(yè)模式，對于常規(guī)正線作業(yè)，路徑4、路徑8 無法單獨從某一段場覆蓋整個路徑，需以兩個相鄰的段場為端點，根據(jù)可覆蓋范圍，結合實際運營條件，在對應的連接路徑上劃分各自負責的作業(yè)范圍，通過兩個段場各負責該路徑的一部分正線作業(yè)，完成對路徑作業(yè)的全覆蓋。對于正線救援作業(yè)，路徑3～6、路徑8～9 和路徑11 也需采用此策略方能達到全覆蓋。

2 結語

文章基于實際線路條件參數(shù)研究了工程車作業(yè)能力及覆蓋范圍，不同的線路條件對工程車作業(yè)的可覆蓋范圍影響較大，其計算必須以線路條件為基礎才能更符合實際情況。相關結論對后續(xù)在設計階段充分考慮既有線與延長線之間、線路與線路之間以及線網(wǎng)層面的工程車作業(yè)模式及作業(yè)策略有一定的參考價值和借鑒意義。