技術創(chuàng)新列車節(jié)能運行的優(yōu)化研究韓長虎:濟南鐵路局濟南西機務段,工程師,山東濟南,250117劉杰民:濟南鐵路局機務處,處長,山東濟南,2500沈泓:濟南鐵路局濟南西機務段,總工程師,山東濟南,250117汪朋輝:濟南鐵路局濟南西機務段,工程師,山東濟南,250117摘要:通過構造均衡速度理論分析模型,在運行時間不受限制的前提下,對電力機車牽引運行究竟是高手柄級位節(jié)能還是低手柄級位節(jié)能,即究竟是運行速度高節(jié)能還是運行速度低節(jié)能這一基本問題進行深入研究,綜合分析論證得出一般性結論:列車牽引運行是否節(jié)能是由列車運行基本阻力特性這一主要矛盾決定。關鍵詞:電力機車;優(yōu)化操縱;節(jié)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:在運行時間不受限制的前提下,電力機車牽引運行時是否節(jié)電是由目前電力機車列車節(jié)能運行是列車優(yōu)化運行問題研究的重要內(nèi)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之一,列車優(yōu)化運行離不開機車優(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)境問題的研究?！皟?yōu)化”即指安全、經(jīng)濟(節(jié)低,即列車運行速度越低越節(jié)電;反之則越費電。從節(jié)能)和效率的統(tǒng)一,三者如何最佳組合是列車優(yōu)化運行能角度,列車運行基本阻力特性是主要矛盾,居主導地面臨的一道難題。電力機車牽引運行時是高手柄級位節(jié)位;機車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(jié)能(運行速度高節(jié)能還是運行速度性是次要矛盾,居從屬地位。低節(jié)能)是理論與實踐研究中存在爭論的問題,直接影可進一步對第一論斷進行解釋響列車節(jié)能運行問題的研究進展。這個問題被稱為電力中國煤化工的操縱方式;機車牽引運行節(jié)能操縱第一論斷(簡稱電力牽引第一論CNMHG線路縱斷面,手柄斷或第一論斷)。級位越高越費電,反之則越省電CHINESE RAILWAYS 2011106技術創(chuàng)新列車節(jié)能運行的優(yōu)化研究韓長虎等(3)下坡道運行,無論空車還是重車,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位比高手柄級位運行節(jié)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(4)除3‰及以上上坡道外,牽引重貨列車在其保守式操縱余線路縱斷面上運行,能較好地符合一般性表述中的規(guī)當車站安排重貨列車停車時,應提前足夠時間預告律,當在超過3‰上坡道牽引運行時,可能會出現(xiàn)低手機車司機,如果可能,應說清限制時間要求,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(jié)電效果。同時,加強運輸(5)牽引重貨列車的經(jīng)濟性大大高于空貨列車,組織,盡量降低空車率。當二者運行速度接近時,每噸質量空車約是重車用電量1.3均衡速度模型的3倍;機車以某一手柄級位牽引列車合力為零、列車做等(6)牽引空貨列車(基本阻力呈強特性)時的經(jīng)速運行時所對應的速度,為均衡速度。機車分別以不同濟性受運行速度影響的程度比重貨列車(基本阻力呈弱手柄級位牽引同一列車在坡度值恒定的線路上以各自相特性)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,重貨列車速度每增加10km/h柄級位時的耗電量,就是均衡速度理論分析模型,簡稱耗電增高約11%;均衡速度模型。(8)此種規(guī)律可擴展到牽引運行、惰力運行、制均衡速度模型要求線路坡度值恒定,并做等速運動運行的組合過程中。行,目的是簡化比較條件,便于進行計算或模擬實驗,以上是按照均衡速度觀點模擬實驗和推導得出的宏便于直接進行比較,便于得出一般性結論和深化對節(jié)能觀結論,現(xiàn)實表明這一論斷普遍正確。問題的認識。因此,均衡速度模型是列車節(jié)能問題研究1.2第一論斷現(xiàn)實意義的一個有力工具。第一論斷與提速并不矛盾,關鍵是在什么條件下去2第一論斷均衡速度模型模擬應用。因列車運行總有一定時限要求,節(jié)能問題在一定程度上也必須服從宏觀經(jīng)濟效益。但客觀規(guī)律還是應當2.1電力機車總效率和列車運行基本阻力與節(jié)能的關系揭示的,該論斷若能應用在非理想條件下將具有現(xiàn)實經(jīng)電力機車牽引運行時,機車供電電能經(jīng)傳動裝置轉濟意義。非理想條件是指列車按運行圖規(guī)定的運行時刻變?yōu)檩喼芄?但并不是機車從接觸網(wǎng)獲得的全部電能都通過某一地點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,但進路不能及時準備妥當時某一比例,這個比例數(shù)值上應等于電力機車牽引運行時高速牽引運行一般要比低速多耗電。列車運行時刻的機車總效率。因此,電力機車牽引運行時的瞬時機車的制定是一個復雜問題,既要考慮社會效益,也要考慮總效率等于機車輪周功率占供電功率的百分數(shù);電力機經(jīng)濟效益。運行速度與耗電量的關系是列車運行圖運行車牽引運行在某段距離的機車平均總效率等于機車輪周時刻鋪畫的一個重要約束條件,運行時刻可參照以下規(guī)功(有用功)占耗電量(總功)的百分數(shù)。電力機車總則制定:(1)上坡道區(qū)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(qū)間運行盡量多采用情行鋪畫;(3)基本阻力是列車運行中(包括起動時)永遠存在的列車運行至長大下坡道前牽引轉惰行地點的速度盡可能阻力。無論是機車、客車還是貨車,基本阻力都隨運行低;(4)運量少的區(qū)段,運行時刻可適當放寬。速度的提高而增加(見表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、車輛運行基本阻力特性下,列車運可取得雙重節(jié)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、快速旅客列車和重貨、少;二是避免了不必要的制動損失。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%。要制動損失,降低對跟蹤列車的波及強度(為了優(yōu)化運相對機車自身而言,使用高手柄級位機車總效率26PCH∥RAILWAYS 2011/06列車節(jié)能運行的優(yōu)化研究韓長虎等技術創(chuàng)新表1機車、客車、貨車運行單位基本阻力值N/N輛、C;型敞車15輛),列車總長908m,列車主管壓力速度/10203040506070090100500kPaSS型機車2.472.763.113524.004.545.155.826.557.34單機編組文件:SS4型機車1臺,機車計算質量為滾動軸承。.91071.181.311.471.61972.102.36184t,長度32.8m,列車主管壓力500kPa空貨列車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度達110km且2122175,87202222.422.72.932535039無曲線的7種線路文件,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;但當機車牽引列車第三步:利用牽引電算軟件模擬實驗得出上述條件運行時,使用高手柄級位因功率較大,在同一線路條下的各均衡速度值件下與低手柄級位相比列車運行速度高,運行基本阻力以5502t重貨列車在平道上使用30級位手柄牽引運行大,機車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重貨列車編組文件、耗電。選擇平道線路文件、確定結果數(shù)據(jù)文件、開始計算。列2.2第一論斷均衡速度模型模擬實驗證明車運行約27km耗時約14min后,顯示牽引力1062kN,單2.2.1模擬實驗條件位合力為零,此時列車運行速度為639km/h,并且之后以SS4型電力機車分別牽引重貨列車、空貨列車和運行速度不冉增加,根據(jù)均衡速度的定義,639km/h就單機運行為例進行模擬、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(見表2)(1)SS4型機車1臺,牽引質量5502t的重貨列車表2SS型機車牽引運行衡速度值手柄級位分別使用25,30,35級,運行過程的線路縱坡度/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型機車臺,牽引質量1409t的空貨列車重貨列車307,673.563.953.046.742.3109.29477.561.850手柄級位分別使用30,35級,線路縱斷面j分別為:0%o,6%,運行距離s=10km;空貨列車35(3)SS4型單機,手柄級位分別使用15,20,250,31級,線路縱斷面/分別為:0‰,6‰,運行距離=10km。50503以上線路均沒有曲線,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模擬實驗步驟仍以5502t重貨列車在平道上使用30級位并以均第一步:利用牽引電算軟件建立重貨列車、空貨列衡速度63.9km/h牽引運行10km時模擬為例,模擬步驟車、單機3個編組文件為:選擇55021重貨列車編組文件、選擇平道線路文重貨列車為簡化編組文件:SS型機車1臺,牽引件、確定結果數(shù)據(jù)文件、設置計算范圍和初速(將初速質量為5502t,61輛,列車總長932m,列車主管壓力設為639km/h)、開始計算、觀察運行距離并利用暫停500kPa,換算制動率0.28,滑動軸承比例20%,滾動軸和問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(shù)據(jù)為:均衡空貨列車為詳細編組文件:S型機車1臺,牽引質速度6量為1409,65輛(編組順序:C62型敞車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10輛、Gω型罐車5輛、Csx型敞車10輛、Na型平車5果數(shù)據(jù)如表3所示CHINESE RAILWAY201106∠27技術創(chuàng)新列車節(jié)能運行的優(yōu)化研究韓長虎等表3Ss型機車手柄級位、均衡速度,耗電量等數(shù)據(jù)對應表2.2.3模擬實驗結論引耗電量/由表4可知,運行時間不受限制的前提下,同點,列車、同一坡度、同一距離、不同級位時,手柄級3100.410.0110位越髙耗電越多,反之越少;即同一列車、同一坡67.510,0010度、同一距離牽引運行時,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(guī)律非常明顯。表5中空25042,810,01681,6331.6227.0368.47貨列車和表3中單機運行也很好地符合了這種規(guī)律32.110.016183.7628.0511.1881.6526.810.018291.41019.4810.7479.53綜上所述,用SS型電力機車牽引的重貨列車、24.010740101418111.677678空貨列車、單機運行所得到的模擬實驗結果均符合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(jù)642.310,01741591442.81157,2480,211109210.011128.8366.0358.179788用S8型電力機車模擬實驗得出的結論同文獻[3]094.010.003154.6467.3429.5791.93中用ND型內(nèi)燃機車計算得出的結論一致35277.510.009237.57413603288.08國內(nèi)研究:文獻[4]對“北京”型內(nèi)燃機車牽引85:9旅客列車進行分析計算,所得計算結果與第一論斷210074241146:11088.2一致。從所列數(shù)據(jù)可知,旅客列車牽引運行速度每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]曾用實驗數(shù)據(jù)深入研究過運8?10.013204.3631.6.2489行時間與節(jié)能的關系問題,所列數(shù)據(jù)與第一論斷吻1503.310.0075.839.316.1241.0320043.610.0086.743.018.8343,32合。該文獻還對運行時間和能耗的關系做出了精辟單機25051210017,345.820.324.38闡述:“一般來說,規(guī)定的時間越長,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(guī)律的本質。表3中25級位所對應線路坡度為-3%,-2%時的均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牽引般情況下,要證明第一論斷成立,首先可選取任力,此時的耗電量為機車自用電量。一型號電力機車,牽引任一編組列車在任一恒定坡度值為了體現(xiàn)機車總效率的變化,利用模擬出的數(shù)據(jù)的線路上(為證明方便,暫不考慮曲線和隧道阻力),計算出有關機車總效率的數(shù)值。以30級位、平道時為表4SS型機車牽引5502t重貨列車耗電量w·h例,機車以1062kN牽引力,牽引列車運行10009km坡度/時,輪周牽引力所做的功為:1062x1000×10.009X手柄級位1000/3600/1000≈29527kW·h。機車總效率=(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的機車總效率并列于表3中,從中看出使用高手柄級位時機車平均總表5SS型機車牽引1409t空貨列車耗電量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、空貨列車耗電量CNMHG分別列于表4,表5中。-28∠, CHINESE RAILWAYS201106列車節(jié)能運行的優(yōu)化研究韓長虎等技術創(chuàng)新當達到均衡速度時,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,這種關系{[(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,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,低手柄級位比高手級位時所對應均衡速度下的列車運行單位基本阻力,N柄級位費電,出現(xiàn)這2種情況的機會要小得多(只有牽引kN;i為坡度值,‰,上坡取正值,下坡取負值;η高,質量達到一定程度的重貨列車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的機車總效率。呈現(xiàn)這種規(guī)律)。這是因為:坡度大,牽引質量大,高對(1)式可做如下表述:當列車達到均衡速度手柄級位與低手柄級位相比增加速度小,因而列車運行時,高手柄級位比低手柄級位所增加的列車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總單位阻力(總單位增加的百分數(shù)大于機車總效率增加的百分數(shù)時,使用高阻力此時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(shù)較易小于機車總效率增加的百分當(1)式成立時,對使用高手柄級位比使用低手數(shù)柄級位費電、列車牽引運行速度高比運行速度低費電進通過對比分析可知,電力牽引第一論斷與內(nèi)燃牽引行證明。第一論斷基本一致。在列車牽引運行節(jié)能問題上,機車設機車質量為P、牽引質量為G;牽引運行時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總效率分別為Q,離,刀高,則此時機車車牽引運行耗能問題上是一對矛盾,無論是電力還是內(nèi)輪周功為Q,高·η離;低手柄級位時分別為Q,低,η低,則燃牽引,之所以呈現(xiàn)此種規(guī)律,是因為列車運行基本阻此時機車輪周功為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列車牽引計算規(guī)程S]Q,·刀愜X1000×3600=2]靳承林,韓長虎,優(yōu)化貨物列車運行諸問題的現(xiàn)實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]韓長虎,靳承林,內(nèi)燃機車率引運行優(yōu)化操縱第(Q,離·刀離)1(Q,低·7低)=論斷{J.內(nèi)然機車,200(wo高+i)/(0+)(4)[4羅遠謀.內(nèi)燃機車經(jīng)濟操縱問題的初步分析[叮.內(nèi)整理得燃機車,1984(4)阿] 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