列车节能运行的优化研究

技术创新列车节能运行的优化研究韩长虎:济南铁路局济南西机务段,工程师,山东济南,250117刘杰民:济南铁路局机务处,处长,山东济南,2500沈泓:济南铁路局济南西机务段,总工程师,山东济南,250117汪朋辉:济南铁路局济南西机务段,工程师,山东济南,250117摘要:通过构造均衡速度理论分析模型,在运行时间不受限制的前提下,对电力机车牵引运行究竟是高手柄级位节能还是低手柄级位节能,即究竟是运行速度高节能还是运行速度低节能这一基本问題进行深入研究,综合分析论证得出一般性结论:列车牵引运行是否节能是由列车运行基本阻力特性这一主要矛盾决定。关键词:电力机车;优化操纵;节能;均衡速度;第一论断1电力牵引第一论断1.1第一论断表述第一论断可表述如下:在运行时间不受限制的前提下,电力机车牵引运行时是否节电是由目前电力机车列车节能运行是列车优化运行问题研究的重要内容总效率随手柄级位或牵引功率变化而变化的特性和列车之一,列车优化运行离不开机车优化操纵和优运行基本阻力特性决定。一般而言,手柄级位或功率越化操纵环境问题的研究。“优化”即指安全、经济(节低,即列车运行速度越低越节电;反之则越费电。从节能)和效率的统一,三者如何最佳组合是列车优化运行能角度,列车运行基本阻力特性是主要矛盾,居主导地面临的一道难题。电力机车牵引运行时是高手柄级位节位;机车总效率随手柄级位或牵引功率变化而变化的特能还是低手柄级位节能(运行速度高节能还是运行速度性是次要矛盾,居从属地位。低节能)是理论与实践研究中存在争论的问题,直接影可进一步对第一论断进行解释响列车节能运行问题的研究进展。这个问题被称为电力中国煤化工的操纵方式;机车牽引运行节能操纵第一论断(简称电力牵引第一论CNMHG线路纵断面,手柄断或第一论断)。级位越高越费电,反之则越省电CHINESE RAILWAYS 2011106技术创新列车节能运行的优化研究韩长虎等(3)下坡道运行,无论空车还是重车,低手柄级行秩序),而采取的一种提前采取措施适当拖延必要时位比高手柄级位运行节电效果更明显间的优化操纵方法。保守式操纵又分牵引保守式和制动(4)除3‰及以上上坡道外,牵引重货列车在其保守式操纵余线路纵断面上运行,能较好地符合一般性表述中的规当车站安排重货列车停车时,应提前足够时间预告律,当在超过3‰上坡道牵引运行时,可能会出现低手机车司机,如果可能,应说清限制时间要求,以便司机柄级位比高手柄级位费电的情况,但差别较小;更多地采用惰行,取得双重节电效果。同时,加强运输(5)牵引重货列车的经济性大大高于空货列车,组织,尽量降低空车率。当二者运行速度接近时,每吨质量空车约是重车用电量1.3均衡速度模型的3倍;机车以某一手柄级位牵引列车合力为零、列车做等(6)牵引空货列车(基本阻力呈强特性)时的经速运行时所对应的速度,为均衡速度。机车分别以不同济性受运行速度影响的程度比重货列车(基本阻力呈弱手柄级位牵引同一列车在坡度值恒定的线路上以各自相特性)明显;对应的均衡速度运行相同距离,计算比较分别使用各手(7)平道牵引运行时,重货列车速度每增加10km/h柄级位时的耗电量,就是均衡速度理论分析模型,简称耗电增高约11%;均衡速度模型。(8)此种规律可扩展到牵引运行、惰力运行、制均衡速度模型要求线路坡度值恒定,并做等速运动运行的组合过程中。行,目的是简化比较条件,便于进行计算或模拟实验,以上是按照均衡速度观点模拟实验和推导得出的宏便于直接进行比较,便于得出一般性结论和深化对节能观结论,现实表明这一论断普遍正确。问题的认识。因此,均衡速度模型是列车节能问题研究1.2第一论断现实意义的一个有力工具。第一论断与提速并不矛盾,关键是在什么条件下去2第一论斷均衡速度模型模拟应用。因列车运行总有一定时限要求,节能问题在一定程度上也必须服从宏观经济效益。但客观规律还是应当2.1电力机车总效率和列车运行基本阻力与节能的关系揭示的,该论断若能应用在非理想条件下将具有现实经电力机车牽引运行时,机车供电电能经传动装置转济意义。非理想条件是指列车按运行图规定的运行时刻变为轮周功,但并不是机车从接触网获得的全部电能都通过某一地点必将受到一定程度的影响(或当前方站安能转化为轮周功,而得到利用的电能只占总获得电能的排停车,但进路不能及时准备妥当时某一比例,这个比例数值上应等于电力机车牵引运行时高速牵引运行一般要比低速多耗电。列车运行时刻的机车总效率。因此,电力机车牵引运行时的瞬时机车的制定是一个复杂问题,既要考虑社会效益,也要考虑总效率等于机车轮周功率占供电功率的百分数;电力机经济效益。运行速度与耗电量的关系是列车运行图运行车牵引运行在某段距离的机车平均总效率等于机车轮周时刻铺画的一个重要约束条件,运行时刻可参照以下规功(有用功)占耗电量(总功)的百分数。电力机车总则制定:(1)上坡道区间用较高手柄级位牵引运行铺效率随手柄级位的提高总体呈上升趋势。划;(2)下坡道区间运行尽量多采用情行铺画;(3)基本阻力是列车运行中(包括起动时)永远存在的列车运行至长大下坡道前牵引转惰行地点的速度尽可能阻力。无论是机车、客车还是货车,基本阻力都随运行低;(4)运量少的区段,运行时刻可适当放宽。速度的提高而增加(见表1)。非理想条件下运行,若采用适度牵引保守式操纵,在目前机车、车辆运行基本阻力特性下,列车运可取得双重节电效果:一是因克服运行基本阻力做功减行速度每增加10km/h,普通、快速旅客列车和重货、少;二是避免了不必要的制动损失。保守式操纵是指列重油罐V凵中国煤化工力分别平均增加约车运行在非理想条件下,司机为了尽量避免或减少不必10.69%CNMHG%。要制动损失,降低对跟踪列车的波及强度(为了优化运相对机车自身而言,使用高手柄级位机车总效率26PCH∥RAILWAYS 2011/06列车节能运行的优化研究韩长虎等技术创新表1机车、客车、货车运行单位基本阻力值N/N辆、C;型敞车15辆),列车总长908m,列车主管压力速度/10203040506070090100500kPaSS型机车2.472.763.113524.004.545.155.826.557.34单机编组文件:SS4型机车1台,机车计算质量为滚动轴承。.91071.181.311.471.61972.102.36184t,长度32.8m,列车主管压力500kPa空货列车2.352.613.003.524.184.985.916.978.17第二步:利用牵引电算软件建立总长度达110km且2122175,87202222.422.72.932535039无曲线的7种线路文件,坡度分别为:-3%,-2%1‰,0‰,2‰,4%,6%。高,单位牵引功耗电少,是经济的;但当机车牵引列车第三步:利用牵引电算软件模拟实验得出上述条件运行时,使用高手柄级位因功率较大,在同一线路条下的各均衡速度值件下与低手柄级位相比列车运行速度高,运行基本阻力以5502t重货列车在平道上使用30级位手柄牵引运行大,机车牵引力克服运行基本阻力就要多做功,就要多模拟为例,模拟步骤为:选择5502重货列车编组文件、耗电。选择平道线路文件、确定结果数据文件、开始计算。列2.2第一论断均衡速度模型模拟实验证明车运行约27km耗时约14min后,显示牵引力1062kN,单2.2.1模拟实验条件位合力为零,此时列车运行速度为639km/h,并且之后以SS4型电力机车分别牵引重货列车、空货列车和运行速度不冉增加,根据均衡速度的定义,639km/h就单机运行为例进行模拟、计算、分析、比较。已知条件为该运行条件下的均衡速度值。采用此种方法模拟其他为:条件下的均衡速度值(见表2)(1)SS4型机车1台,牵引质量5502t的重货列车表2SS型机车牵引运行衡速度值手柄级位分别使用25,30,35级,运行过程的线路纵坡度/断面分别为:-3‰,-2‰,-1%,0‰,2‰,4%编组级位-3-2-16%,运行距离s=10km;25100.487.550.542.832.126.8245502t(2)SS4型机车台,牵引质量1409t的空货列车重货列车307,673.563.953.046.742.3109.29477.561.850手柄级位分别使用30,35级,线路纵断面j分别为:0%o,6%,运行距离s=10km;空货列车35(3)SS4型单机,手柄级位分别使用15,20,250,31级,线路纵断面/分别为:0‰,6‰,运行距离=10km。50503以上线路均没有曲线,下坡道为负值,平道为零上坡道为正值。第四步:利用各均衡速度值模拟耗电量2.2.2模拟实验步骤仍以5502t重货列车在平道上使用30级位并以均第一步:利用牵引电算软件建立重货列车、空货列衡速度63.9km/h牵引运行10km时模拟为例,模拟步骤车、单机3个编组文件为:选择55021重货列车编组文件、选择平道线路文重货列车为简化编组文件:SS型机车1台,牵引件、确定结果数据文件、设置计算范围和初速(将初速质量为5502t,61辆,列车总长932m,列车主管压力设为639km/h)、开始计算、观察运行距离并利用暂停500kPa,换算制动率0.28,滑动轴承比例20%,滚动轴和问退功能使模拟运行距离尽量接近10km,计算结果处承比例80%。理、总耗能量计算、记录模拟结果。结果数据为:均衡空货列车为详细编组文件:S型机车1台,牵引质速度6量为1409,65辆(编组顺序:C62型敞车20辆、P2型棚耗电域H中国煤化工行距离10.009km,CNMHG莫拟其他条件下的结车10辆、Gω型罐车5辆、Csx型敞车10辆、Na型平车5果数据如表3所示CHINESE RAILWAY201106∠27技术创新列车节能运行的优化研究韩长虎等表3Ss型机车手柄级位、均衡速度,耗电量等数据对应表2.2.3模拟实验结论引耗电量/由表4可知,运行时间不受限制的前提下,同点,列车、同一坡度、同一距离、不同级位时,手柄级3100.410.0110位越髙耗电越多,反之越少;即同一列车、同一坡67.510,0010度、同一距离牵引运行时,速度越高耗电越多,反50.510.∞0734.0131.61瞩6.5171.8之越少。平道及下坡道这种规律非常明显。表5中空25042,810,01681,6331.6227.0368.47货列车和表3中单机运行也很好地符合了这种规律32.110.016183.7628.0511.1881.6526.810.018291.41019.4810.7479.53综上所述,用SS型电力机车牵引的重货列车、24.010740101418111.677678空货列车、单机运行所得到的模拟实验结果均符合27.610201.90.54.5351.59电力牵引第一论断。10.01964.1280.9178.3963.51063910910.2412.225.2771。33第一论断成立的一般性证明253.010.005204.1726.75672378.0846710.013081064.958.n281.403.1其他证据642.310,01741591442.81157,2480,211109210.011128.8366.0358.179788用S8型电力机车模拟实验得出的结论同文献[3]094.010.003154.6467.3429.5791.93中用ND型内燃机车计算得出的结论一致35277.510.009237.57413603288.08国内研究:文献[4]对“北京”型内燃机车牵引85:9旅客列车进行分析计算,所得计算结果与第一论断210074241146:11088.2一致。从所列数据可知,旅客列车牵引运行速度每30067510.00787.2355.9242,398,113085.!10.06158614.6412n.06递增10km/h耗能约增加8%。00144.2423.4400.5894.60国外研究:文献5]曾用实验数据深入研究过运8?10.013204.3631.6.2489行时间与节能的关系问题,所列数据与第一论断吻1503.310.0075.839.316.1241.0320043.610.0086.743.018.8343,32合。该文献还对运行时间和能耗的关系做出了精辟单机25051210017,345.820.324.38阐述:“一般来说,规定的时间越长,能量消耗就30078210.03710.302.628.n245.87越小”。这与第一论断一致,但并未揭示出形成这3°83.610281:°8383嫗种规律的本质。表3中25级位所对应线路坡度为-3%,-2%时的均32-般性证明衡速度值为惰行速度值,该级位对应此速度范围无牵引般情况下,要证明第一论断成立,首先可选取任力,此时的耗电量为机车自用电量。一型号电力机车,牵引任一编组列车在任一恒定坡度值为了体现机车总效率的变化,利用模拟出的数据的线路上(为证明方便,暂不考虑曲线和隧道阻力),计算出有关机车总效率的数值。以30级位、平道时为表4SS型机车牵引5502t重货列车耗电量w·h例,机车以1062kN牵引力,牵引列车运行10009km坡度/时,轮周牵引力所做的功为:1062x1000×10.009X手柄级位1000/3600/1000≈29527kW·h。机车总效率=(轮25级18.627.73.1331.6626.01019.414518周功/耗电量)×100%=(295.27/412.2)×100%≈80.5280.94122726.71054.91442.8386.0467374131056.71446.17163%。采用此种方法计算出其他情况时的机车总效率并列于表3中,从中看出使用高手柄级位时机车平均总表5SS型机车牵引1409t空货列车耗电量w·h效率高于低手柄级位。中国煤化工为便于对比耗电量,将重货列车、空货列车耗电量CNMHG分别列于表4,表5中。-28∠, CHINESE RAILWAYS201106列车节能运行的优化研究韩长虎等技术创新当达到均衡速度时,只要下式成立,第一论断即成立。速度变化幅度大的为强特性),且道值越小时,这种关系{[(w^+n(wo+j)]/(w+i)}×100%>越明显。(高一7低)/7]×100%当(1)式变为等号时,高手柄级位与低手柄级位耗式中:0离,0分别为某一高手柄级位和某一低手柄电量相等;当(1)式变为小于号时,低手柄级位比高手级位时所对应均衡速度下的列车运行单位基本阻力,N柄级位费电,出现这2种情况的机会要小得多(只有牵引kN;i为坡度值,‰,上坡取正值,下坡取负值;η高,质量达到一定程度的重货列车在较大上坡道运行才可能η低分别为高手柄级位和低手柄级位时的机车总效率。呈现这种规律)。这是因为:坡度大,牵引质量大,高对(1)式可做如下表述:当列车达到均衡速度手柄级位与低手柄级位相比增加速度小,因而列车运行时,高手柄级位比低手柄级位所增加的列车运行单位阻单位基本阻力增量小;而由于坡度大,分母(w0+i)力(woa-w0)与低手柄级位下的总运行单位阻力相比大,故运行单位基本阻力与低速时总单位阻力(总单位增加的百分数大于机车总效率增加的百分数时,使用高阻力此时等于运行单位基本阻力与单位坡道附加阻力之手柄级位比低手柄级位费电。和)相比增加的百分数较易小于机车总效率增加的百分当(1)式成立时,对使用高手柄级位比使用低手数柄级位费电、列车牵引运行速度高比运行速度低费电进通过对比分析可知,电力牵引第一论断与内燃牵引行证明。第一论断基本一致。在列车牵引运行节能问题上,机车设机车质量为P、牵引质量为G;牵引运行时高手柄总效率随手柄级位变化的特性与运行基本阻力特性在机级位耗电量和机车总效率分别为Q,离,刀高,则此时机车车牵引运行耗能问题上是一对矛盾,无论是电力还是内轮周功为Q,高·η离;低手柄级位时分别为Q,低,η低,则燃牵引,之所以呈现此种规律,是因为列车运行基本阻此时机车轮周功为Q,”η低;走行距离为s,重力加速力特性是主要矛盾,是由其所决定的。度为g。则有:Q,高·7高X1000×3600=参考文献w离(P+G)g·s+i(P+C)g·s(2)[]邗B/T1407-1998列车牵引计算规程S]Q,·刀惬X1000×3600=2]靳承林,韩长虎,优化货物列车运行诸问题的现实wo(P+G)g·s+i(PG)g·8性恶考{J.铁道运输与经济,19(11)(2)式,(3)式相比得]韩长虎,靳承林,内燃机车率引运行优化操纵第(Q,离·刀离)1(Q,低·7低)=论断{J.内然机车,200(wo高+i)/(0+)(4)[4罗远谋.内燃机车经济操纵问题的初步分析[叮.内整理得燃机车,1984(4)阿] B R Benjamin,孙彤.长大列车的节能操纵[J.国Q·(η低/离)·[(mo离+i)/(w+i)]外内燃机车,1991(6)(5)[6]韩长虎,梁绍敏,王秀华.列车节能运行两个论断由(1)式得:探讨.内燃机车,2002(4)(o高+i)/(wo+i)>刀言/刀低(6)[7韩长虎,机车两种宏观经济操纵方法的构思//中国(6)式结合(5)式得综合运输体系发展全书[M].北京:人民交通出版Q离>Q,低(低7离)·(7离/7低)社,1998即Q,离>Q,低把各型电力机车牵引各种列车在各手柄级位达到均中国煤化工衡速度时得出的有关数据代入(1)式进行验证,一般CNMHG任编辑高红义情况下均能成立。基本阻力特性越强(基本阻力随运行收槁日期2011-03-2CHINESE RA/LN4yS201106∠贯