列車(chē)節能運行的優(yōu)化研究

技術(shù)創(chuàng )新列車(chē)節能運行的優(yōu)化研究韓長(cháng)虎:濟南鐵路局濟南西機務(wù)段,工程師,山東濟南,250117劉杰民:濟南鐵路局機務(wù)處,處長(cháng),山東濟南,2500沈泓:濟南鐵路局濟南西機務(wù)段,總工程師,山東濟南,250117汪朋輝:濟南鐵路局濟南西機務(wù)段,工程師,山東濟南,250117摘要:通過(guò)構造均衡速度理論分析模型,在運行時(shí)間不受限制的前提下,對電力機車(chē)牽引運行究竟是高手柄級位節能還是低手柄級位節能,即究竟是運行速度高節能還是運行速度低節能這一基本問(wèn)題進(jìn)行深入研究,綜合分析論證得出一般性結論:列車(chē)牽引運行是否節能是由列車(chē)運行基本阻力特性這一主要矛盾決定。關(guān)鍵詞:電力機車(chē);優(yōu)化操縱;節能;均衡速度;第一論斷1電力牽引第一論斷1.1第一論斷表述第一論斷可表述如下:在運行時(shí)間不受限制的前提下,電力機車(chē)牽引運行時(shí)是否節電是由目前電力機車(chē)列車(chē)節能運行是列車(chē)優(yōu)化運行問(wèn)題研究的重要內容總效率隨手柄級位或牽引功率變化而變化的特性和列車(chē)之一,列車(chē)優(yōu)化運行離不開(kāi)機車(chē)優(yōu)化操縱和優(yōu)運行基本阻力特性決定。一般而言,手柄級位或功率越化操縱環(huán)境問(wèn)題的研究?！皟?yōu)化”即指安全、經(jīng)濟(節低,即列車(chē)運行速度越低越節電;反之則越費電。從節能)和效率的統一,三者如何最佳組合是列車(chē)優(yōu)化運行能角度,列車(chē)運行基本阻力特性是主要矛盾,居主導地面臨的一道難題。電力機車(chē)牽引運行時(shí)是高手柄級位節位;機車(chē)總效率隨手柄級位或牽引功率變化而變化的特能還是低手柄級位節能(運行速度高節能還是運行速度性是次要矛盾,居從屬地位。低節能)是理論與實(shí)踐研究中存在爭論的問(wèn)題,直接影可進(jìn)一步對第一論斷進(jìn)行解釋響列車(chē)節能運行問(wèn)題的研究進(jìn)展。這個(gè)問(wèn)題被稱(chēng)為電力中國煤化工的操縱方式;機車(chē)牽引運行節能操縱第一論斷(簡(jiǎn)稱(chēng)電力牽引第一論CNMHG線(xiàn)路縱斷面,手柄斷或第一論斷)。級位越高越費電,反之則越省電CHINESE RAILWAYS 2011106技術(shù)創(chuàng )新列車(chē)節能運行的優(yōu)化研究韓長(cháng)虎等(3)下坡道運行,無(wú)論空車(chē)還是重車(chē),低手柄級行秩序),而采取的一種提前采取措施適當拖延必要時(shí)位比高手柄級位運行節電效果更明顯間的優(yōu)化操縱方法。保守式操縱又分牽引保守式和制動(dòng)(4)除3‰及以上上坡道外,牽引重貨列車(chē)在其保守式操縱余線(xiàn)路縱斷面上運行,能較好地符合一般性表述中的規當車(chē)站安排重貨列車(chē)停車(chē)時(shí),應提前足夠時(shí)間預告律,當在超過(guò)3‰上坡道牽引運行時(shí),可能會(huì )出現低手機車(chē)司機,如果可能,應說(shuō)清限制時(shí)間要求,以便司機柄級位比高手柄級位費電的情況,但差別較小;更多地采用惰行,取得雙重節電效果。同時(shí),加強運輸(5)牽引重貨列車(chē)的經(jīng)濟性大大高于空貨列車(chē),組織,盡量降低空車(chē)率。當二者運行速度接近時(shí),每噸質(zhì)量空車(chē)約是重車(chē)用電量1.3均衡速度模型的3倍;機車(chē)以某一手柄級位牽引列車(chē)合力為零、列車(chē)做等(6)牽引空貨列車(chē)(基本阻力呈強特性)時(shí)的經(jīng)速運行時(shí)所對應的速度,為均衡速度。機車(chē)分別以不同濟性受運行速度影響的程度比重貨列車(chē)(基本阻力呈弱手柄級位牽引同一列車(chē)在坡度值恒定的線(xiàn)路上以各自相特性)明顯;對應的均衡速度運行相同距離,計算比較分別使用各手(7)平道牽引運行時(shí),重貨列車(chē)速度每增加10km/h柄級位時(shí)的耗電量,就是均衡速度理論分析模型,簡(jiǎn)稱(chēng)耗電增高約11%;均衡速度模型。(8)此種規律可擴展到牽引運行、惰力運行、制均衡速度模型要求線(xiàn)路坡度值恒定,并做等速運動(dòng)運行的組合過(guò)程中。行,目的是簡(jiǎn)化比較條件,便于進(jìn)行計算或模擬實(shí)驗,以上是按照均衡速度觀(guān)點(diǎn)模擬實(shí)驗和推導得出的宏便于直接進(jìn)行比較,便于得出一般性結論和深化對節能觀(guān)結論,現實(shí)表明這一論斷普遍正確。問(wèn)題的認識。因此,均衡速度模型是列車(chē)節能問(wèn)題研究1.2第一論斷現實(shí)意義的一個(gè)有力工具。第一論斷與提速并不矛盾,關(guān)鍵是在什么條件下去2第一論斷均衡速度模型模擬應用。因列車(chē)運行總有一定時(shí)限要求,節能問(wèn)題在一定程度上也必須服從宏觀(guān)經(jīng)濟效益。但客觀(guān)規律還是應當2.1電力機車(chē)總效率和列車(chē)運行基本阻力與節能的關(guān)系揭示的,該論斷若能應用在非理想條件下將具有現實(shí)經(jīng)電力機車(chē)牽引運行時(shí),機車(chē)供電電能經(jīng)傳動(dòng)裝置轉濟意義。非理想條件是指列車(chē)按運行圖規定的運行時(shí)刻變?yōu)檩喼芄?但并不是機車(chē)從接觸網(wǎng)獲得的全部電能都通過(guò)某一地點(diǎn)必將受到一定程度的影響(或當前方站安能轉化為輪周功,而得到利用的電能只占總獲得電能的排停車(chē),但進(jìn)路不能及時(shí)準備妥當時(shí)某一比例,這個(gè)比例數值上應等于電力機車(chē)牽引運行時(shí)高速牽引運行一般要比低速多耗電。列車(chē)運行時(shí)刻的機車(chē)總效率。因此,電力機車(chē)牽引運行時(shí)的瞬時(shí)機車(chē)的制定是一個(gè)復雜問(wèn)題,既要考慮社會(huì )效益,也要考慮總效率等于機車(chē)輪周功率占供電功率的百分數;電力機經(jīng)濟效益。運行速度與耗電量的關(guān)系是列車(chē)運行圖運行車(chē)牽引運行在某段距離的機車(chē)平均總效率等于機車(chē)輪周時(shí)刻鋪畫(huà)的一個(gè)重要約束條件,運行時(shí)刻可參照以下規功(有用功)占耗電量(總功)的百分數。電力機車(chē)總則制定:(1)上坡道區間用較高手柄級位牽引運行鋪效率隨手柄級位的提高總體呈上升趨勢。劃;(2)下坡道區間運行盡量多采用情行鋪畫(huà);(3)基本阻力是列車(chē)運行中(包括起動(dòng)時(shí))永遠存在的列車(chē)運行至長(cháng)大下坡道前牽引轉惰行地點(diǎn)的速度盡可能阻力。無(wú)論是機車(chē)、客車(chē)還是貨車(chē),基本阻力都隨運行低;(4)運量少的區段,運行時(shí)刻可適當放寬。速度的提高而增加(見(jiàn)表1)。非理想條件下運行,若采用適度牽引保守式操縱,在目前機車(chē)、車(chē)輛運行基本阻力特性下,列車(chē)運可取得雙重節電效果:一是因克服運行基本阻力做功減行速度每增加10km/h,普通、快速旅客列車(chē)和重貨、少;二是避免了不必要的制動(dòng)損失。保守式操縱是指列重油罐V凵中國煤化工力分別平均增加約車(chē)運行在非理想條件下,司機為了盡量避免或減少不必10.69%CNMHG%。要制動(dòng)損失,降低對跟蹤列車(chē)的波及強度(為了優(yōu)化運相對機車(chē)自身而言,使用高手柄級位機車(chē)總效率26PCH∥RAILWAYS 2011/06列車(chē)節能運行的優(yōu)化研究韓長(cháng)虎等技術(shù)創(chuàng )新表1機車(chē)、客車(chē)、貨車(chē)運行單位基本阻力值N/N輛、C;型敞車(chē)15輛),列車(chē)總長(cháng)908m,列車(chē)主管壓力速度/10203040506070090100500kPaSS型機車(chē)2.472.763.113524.004.545.155.826.557.34單機編組文件:SS4型機車(chē)1臺,機車(chē)計算質(zhì)量為滾動(dòng)軸承。.91071.181.311.471.61972.102.36184t,長(cháng)度32.8m,列車(chē)主管壓力500kPa空貨列車(chē)2.352.613.003.524.184.985.916.978.17第二步:利用牽引電算軟件建立總長(cháng)度達110km且2122175,87202222.422.72.932535039無(wú)曲線(xiàn)的7種線(xiàn)路文件,坡度分別為:-3%,-2%1‰,0‰,2‰,4%,6%。高,單位牽引功耗電少,是經(jīng)濟的;但當機車(chē)牽引列車(chē)第三步:利用牽引電算軟件模擬實(shí)驗得出上述條件運行時(shí),使用高手柄級位因功率較大,在同一線(xiàn)路條下的各均衡速度值件下與低手柄級位相比列車(chē)運行速度高,運行基本阻力以5502t重貨列車(chē)在平道上使用30級位手柄牽引運行大,機車(chē)牽引力克服運行基本阻力就要多做功,就要多模擬為例,模擬步驟為:選擇5502重貨列車(chē)編組文件、耗電。選擇平道線(xiàn)路文件、確定結果數據文件、開(kāi)始計算。列2.2第一論斷均衡速度模型模擬實(shí)驗證明車(chē)運行約27km耗時(shí)約14min后,顯示牽引力1062kN,單2.2.1模擬實(shí)驗條件位合力為零,此時(shí)列車(chē)運行速度為639km/h,并且之后以SS4型電力機車(chē)分別牽引重貨列車(chē)、空貨列車(chē)和運行速度不冉增加,根據均衡速度的定義,639km/h就單機運行為例進(jìn)行模擬、計算、分析、比較。已知條件為該運行條件下的均衡速度值。采用此種方法模擬其他為:條件下的均衡速度值(見(jiàn)表2)(1)SS4型機車(chē)1臺,牽引質(zhì)量5502t的重貨列車(chē)表2SS型機車(chē)牽引運行衡速度值手柄級位分別使用25,30,35級,運行過(guò)程的線(xiàn)路縱坡度/斷面分別為:-3‰,-2‰,-1%,0‰,2‰,4%編組級位-3-2-16%,運行距離s=10km;25100.487.550.542.832.126.8245502t(2)SS4型機車(chē)臺,牽引質(zhì)量1409t的空貨列車(chē)重貨列車(chē)307,673.563.953.046.742.3109.29477.561.850手柄級位分別使用30,35級,線(xiàn)路縱斷面j分別為:0%o,6%,運行距離s=10km;空貨列車(chē)35(3)SS4型單機,手柄級位分別使用15,20,250,31級,線(xiàn)路縱斷面/分別為:0‰,6‰,運行距離=10km。50503以上線(xiàn)路均沒(méi)有曲線(xiàn),下坡道為負值,平道為零上坡道為正值。第四步:利用各均衡速度值模擬耗電量2.2.2模擬實(shí)驗步驟仍以5502t重貨列車(chē)在平道上使用30級位并以均第一步:利用牽引電算軟件建立重貨列車(chē)、空貨列衡速度63.9km/h牽引運行10km時(shí)模擬為例,模擬步驟車(chē)、單機3個(gè)編組文件為:選擇55021重貨列車(chē)編組文件、選擇平道線(xiàn)路文重貨列車(chē)為簡(jiǎn)化編組文件:SS型機車(chē)1臺,牽引件、確定結果數據文件、設置計算范圍和初速(將初速質(zhì)量為5502t,61輛,列車(chē)總長(cháng)932m,列車(chē)主管壓力設為639km/h)、開(kāi)始計算、觀(guān)察運行距離并利用暫停500kPa,換算制動(dòng)率0.28,滑動(dòng)軸承比例20%,滾動(dòng)軸和問(wèn)退功能使模擬運行距離盡量接近10km,計算結果處承比例80%。理、總耗能量計算、記錄模擬結果。結果數據為:均衡空貨列車(chē)為詳細編組文件:S型機車(chē)1臺,牽引質(zhì)速度6量為1409,65輛(編組順序:C62型敞車(chē)20輛、P2型棚耗電域H中國煤化工行距離10.009km,CNMHG莫擬其他條件下的結車(chē)10輛、Gω型罐車(chē)5輛、Csx型敞車(chē)10輛、Na型平車(chē)5果數據如表3所示CHINESE RAILWAY201106∠27技術(shù)創(chuàng )新列車(chē)節能運行的優(yōu)化研究韓長(cháng)虎等表3Ss型機車(chē)手柄級位、均衡速度,耗電量等數據對應表2.2.3模擬實(shí)驗結論引耗電量/由表4可知,運行時(shí)間不受限制的前提下,同點(diǎn),列車(chē)、同一坡度、同一距離、不同級位時(shí),手柄級3100.410.0110位越髙耗電越多,反之越少;即同一列車(chē)、同一坡67.510,0010度、同一距離牽引運行時(shí),速度越高耗電越多,反50.510.∞0734.0131.61矚6.5171.8之越少。平道及下坡道這種規律非常明顯。表5中空25042,810,01681,6331.6227.0368.47貨列車(chē)和表3中單機運行也很好地符合了這種規律32.110.016183.7628.0511.1881.6526.810.018291.41019.4810.7479.53綜上所述,用SS型電力機車(chē)牽引的重貨列車(chē)、24.010740101418111.677678空貨列車(chē)、單機運行所得到的模擬實(shí)驗結果均符合27.610201.90.54.5351.59電力牽引第一論斷。10.01964.1280.9178.3963.51063910910.2412.225.2771。33第一論斷成立的一般性證明253.010.005204.1726.75672378.0846710.013081064.958.n281.403.1其他證據642.310,01741591442.81157,2480,211109210.011128.8366.0358.179788用S8型電力機車(chē)模擬實(shí)驗得出的結論同文獻[3]094.010.003154.6467.3429.5791.93中用ND型內燃機車(chē)計算得出的結論一致35277.510.009237.57413603288.08國內研究:文獻[4]對“北京”型內燃機車(chē)牽引85:9旅客列車(chē)進(jìn)行分析計算,所得計算結果與第一論斷210074241146:11088.2一致。從所列數據可知,旅客列車(chē)牽引運行速度每30067510.00787.2355.9242,398,113085.!10.06158614.6412n.06遞增10km/h耗能約增加8%。00144.2423.4400.5894.60國外研究:文獻5]曾用實(shí)驗數據深入研究過(guò)運8?10.013204.3631.6.2489行時(shí)間與節能的關(guān)系問(wèn)題,所列數據與第一論斷吻1503.310.0075.839.316.1241.0320043.610.0086.743.018.8343,32合。該文獻還對運行時(shí)間和能耗的關(guān)系做出了精辟單機25051210017,345.820.324.38闡述:“一般來(lái)說(shuō),規定的時(shí)間越長(cháng),能量消耗就30078210.03710.302.628.n245.87越小”。這與第一論斷一致,但并未揭示出形成這3°83.610281:°8383嫗種規律的本質(zhì)。表3中25級位所對應線(xiàn)路坡度為-3%,-2%時(shí)的均32-般性證明衡速度值為惰行速度值,該級位對應此速度范圍無(wú)牽引般情況下,要證明第一論斷成立,首先可選取任力,此時(shí)的耗電量為機車(chē)自用電量。一型號電力機車(chē),牽引任一編組列車(chē)在任一恒定坡度值為了體現機車(chē)總效率的變化,利用模擬出的數據的線(xiàn)路上(為證明方便,暫不考慮曲線(xiàn)和隧道阻力),計算出有關(guān)機車(chē)總效率的數值。以30級位、平道時(shí)為表4SS型機車(chē)牽引5502t重貨列車(chē)耗電量w·h例,機車(chē)以1062kN牽引力,牽引列車(chē)運行10009km坡度/時(shí),輪周牽引力所做的功為:1062x1000×10.009X手柄級位1000/3600/1000≈29527kW·h。機車(chē)總效率=(輪25級18.627.73.1331.6626.01019.414518周功/耗電量)×100%=(295.27/412.2)×100%≈80.5280.94122726.71054.91442.8386.0467374131056.71446.17163%。采用此種方法計算出其他情況時(shí)的機車(chē)總效率并列于表3中,從中看出使用高手柄級位時(shí)機車(chē)平均總表5SS型機車(chē)牽引1409t空貨列車(chē)耗電量w·h效率高于低手柄級位。中國煤化工為便于對比耗電量,將重貨列車(chē)、空貨列車(chē)耗電量CNMHG分別列于表4,表5中。-28∠, CHINESE RAILWAYS201106列車(chē)節能運行的優(yōu)化研究韓長(cháng)虎等技術(shù)創(chuàng )新當達到均衡速度時(shí),只要下式成立,第一論斷即成立。速度變化幅度大的為強特性),且道值越小時(shí),這種關(guān)系{[(w^+n(wo+j)]/(w+i)}×100%>越明顯。(高一7低)/7]×100%當(1)式變?yōu)榈忍枙r(shí),高手柄級位與低手柄級位耗式中:0離,0分別為某一高手柄級位和某一低手柄電量相等;當(1)式變?yōu)樾∮谔枙r(shí),低手柄級位比高手級位時(shí)所對應均衡速度下的列車(chē)運行單位基本阻力,N柄級位費電,出現這2種情況的機會(huì )要小得多(只有牽引kN;i為坡度值,‰,上坡取正值,下坡取負值;η高,質(zhì)量達到一定程度的重貨列車(chē)在較大上坡道運行才可能η低分別為高手柄級位和低手柄級位時(shí)的機車(chē)總效率。呈現這種規律)。這是因為:坡度大,牽引質(zhì)量大,高對(1)式可做如下表述:當列車(chē)達到均衡速度手柄級位與低手柄級位相比增加速度小,因而列車(chē)運行時(shí),高手柄級位比低手柄級位所增加的列車(chē)運行單位阻單位基本阻力增量小;而由于坡度大,分母(w0+i)力(woa-w0)與低手柄級位下的總運行單位阻力相比大,故運行單位基本阻力與低速時(shí)總單位阻力(總單位增加的百分數大于機車(chē)總效率增加的百分數時(shí),使用高阻力此時(shí)等于運行單位基本阻力與單位坡道附加阻力之手柄級位比低手柄級位費電。和)相比增加的百分數較易小于機車(chē)總效率增加的百分當(1)式成立時(shí),對使用高手柄級位比使用低手數柄級位費電、列車(chē)牽引運行速度高比運行速度低費電進(jìn)通過(guò)對比分析可知,電力牽引第一論斷與內燃牽引行證明。第一論斷基本一致。在列車(chē)牽引運行節能問(wèn)題上,機車(chē)設機車(chē)質(zhì)量為P、牽引質(zhì)量為G;牽引運行時(shí)高手柄總效率隨手柄級位變化的特性與運行基本阻力特性在機級位耗電量和機車(chē)總效率分別為Q,離,刀高,則此時(shí)機車(chē)車(chē)牽引運行耗能問(wèn)題上是一對矛盾,無(wú)論是電力還是內輪周功為Q,高·η離;低手柄級位時(shí)分別為Q,低,η低,則燃牽引,之所以呈現此種規律,是因為列車(chē)運行基本阻此時(shí)機車(chē)輪周功為Q,”η低;走行距離為s,重力加速力特性是主要矛盾,是由其所決定的。度為g。則有:Q,高·7高X1000×3600=參考文獻w離(P+G)g·s+i(P+C)g·s(2)[]邗B/T1407-1998列車(chē)牽引計算規程S]Q,·刀愜X1000×3600=2]靳承林,韓長(cháng)虎,優(yōu)化貨物列車(chē)運行諸問(wèn)題的現實(shí)wo(P+G)g·s+i(PG)g·8性惡考{J.鐵道運輸與經(jīng)濟,19(11)(2)式,(3)式相比得]韓長(cháng)虎,靳承林,內燃機車(chē)率引運行優(yōu)化操縱第(Q,離·刀離)1(Q,低·7低)=論斷{J.內然機車(chē),200(wo高+i)/(0+)(4)[4羅遠謀.內燃機車(chē)經(jīng)濟操縱問(wèn)題的初步分析[叮.內整理得燃機車(chē),1984(4)阿] 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