100km/h線路節(jié)能坡縱斷面設(shè)計(jì)研究

于瀟源

摘 要：本文以最高速度為100km/h的城市軌道交通線路為背景，從列車運(yùn)行規(guī)律出發(fā)，研討了軌道交通線路縱斷面節(jié)能坡的設(shè)計(jì)方法。分析表明：在車站兩端設(shè)置20‰-30‰的加速坡，可以降低列車牽引電能消耗約24%～28%。對(duì)于最高運(yùn)行速度100km/h的列車，采用長(zhǎng)度為350 m的加速坡比較合適。

關(guān)鍵詞：軌道交通；縱斷面；節(jié)能坡；牽引電耗

引言

城市軌道交通以電力為能源，是一個(gè)城市中的用電大戶。一般情況下，一條軌道交通線路列車牽引用電在整個(gè)軌道交通電耗中占有很大的比重，達(dá)到40%至一半左右。而為了保證位于距市中心30～35km半徑邊緣的郊區(qū)衛(wèi)星城鎮(zhèn)至市中心的出行時(shí)間控制在1h以內(nèi)，一些城市軌道交通線的最高運(yùn)行速度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)提高至100km/h。本文以100km/h的線路為背景，研討線路縱斷面節(jié)能坡設(shè)計(jì)問題。

1、節(jié)能坡設(shè)計(jì)基本思路

所謂節(jié)能坡設(shè)計(jì)指：通過線路區(qū)間坡度及坡長(zhǎng)的合理設(shè)計(jì)，使列車出站后，通過區(qū)間下坡迅速地將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，以盡量少的牽引電能耗費(fèi)，獲得列車運(yùn)行所需要的加速度和目標(biāo)速度。

2、節(jié)能坡設(shè)計(jì)

軌道交通的站站區(qū)間按行車方向，可以劃分三部分：加速坡、連續(xù)坡、制動(dòng)坡。

2.1 加速坡

加速坡使列車出站后盡快增速至目標(biāo)速度。據(jù)以往研究，最高速度80km/h的線路上，加速坡坡道設(shè)置為22‰～26‰，坡長(zhǎng)設(shè)置為250m比較合適。經(jīng)過牽引計(jì)算模擬和工程案例分析，最高速度為100km/h的線路上，加速坡的長(zhǎng)度及坡度均應(yīng)較80km/h線路有所增加，因此，本文在每個(gè)區(qū)間設(shè)計(jì)了30‰、25‰、20‰3種加速坡坡度，每組坡度下加速坡的坡長(zhǎng)分取為300、350和400m三種。

2.2 連續(xù)坡

出站列車經(jīng)過加速坡達(dá)到目標(biāo)速度后，將轉(zhuǎn)入連續(xù)坡道斷電惰行。加速坡后第一個(gè)連續(xù)坡的最佳坡度是使作用在列車上的助推力與列車的運(yùn)行阻力相平衡，可使列車既不耗電又能保持目標(biāo)速度運(yùn)行。然后接續(xù)一個(gè)反向連續(xù)坡，使列車逐漸減速，為列車進(jìn)站制動(dòng)創(chuàng)造條件。

2.2.1 工程要求

當(dāng)區(qū)間線路左右線并行共用一個(gè)隧道結(jié)構(gòu)時(shí)，因左右線要求等高，因此節(jié)能坡的設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮上下行列車區(qū)間內(nèi)加減速運(yùn)行等因素，一般兩個(gè)連續(xù)坡的坡長(zhǎng)和坡度宜應(yīng)相同，坡長(zhǎng)一般為兩車站區(qū)間長(zhǎng)度減去兩端車站坡，再減去節(jié)能坡及制動(dòng)坡的長(zhǎng)度后的一半。當(dāng)左右線分為兩個(gè)單線隧道時(shí)，兩線在區(qū)間可不等高，上下行區(qū)間節(jié)能坡可分別設(shè)置，連續(xù)坡1的長(zhǎng)度可適度增長(zhǎng)。

2.2.2 坡度取值

連續(xù)坡的坡度取值一般與列車性能有關(guān)，不同車型的列車牽引受力曲線不同。以6輛編組、最高運(yùn)行速度100km/h、四動(dòng)兩拖的A型車為例，按照列車阻力曲線，列車速度在100km/h時(shí)，其單位運(yùn)行阻力為4～5 N/kN。

一般曲線半徑折算坡度在1‰以下。部分區(qū)段采用小曲線半徑時(shí)，曲線折算坡度超過1‰。因此一般情況下連續(xù)坡段坡度宜設(shè)為4‰，此時(shí)列車基本能維持最高速度運(yùn)行。如連續(xù)坡的下坡道上存在小半徑曲線，連續(xù)坡的下坡道坡度可適當(dāng)放大至5‰左右。

2.3 制動(dòng)坡

制動(dòng)坡坡度一般略小于加速坡坡度，具體坡度值根據(jù)計(jì)算確定。

3、不同站間距節(jié)能坡組合設(shè)計(jì)

根據(jù)歷史研究，采用最高運(yùn)行速度100km/h的列車時(shí)合理站間距離約為2.0～3.5km。因此，本文分為2.0、2.5、3.0、3.5km幾種站間距討論最佳的節(jié)能坡組合設(shè)計(jì)。限于篇幅，現(xiàn)僅將最高速度為100km/h的A型車在3.5km的區(qū)段內(nèi)6種坡段組合的節(jié)能坡上運(yùn)營(yíng)時(shí)牽引能耗列出，如表所示。

通過模擬得出，加速坡的長(zhǎng)度和坡度對(duì)列車在區(qū)間運(yùn)行時(shí)間影響不大。在列車最高運(yùn)行速度為100km/h的條件下，在區(qū)間長(zhǎng)度為2-3km時(shí)，按照各種組合結(jié)果，節(jié)能坡坡度設(shè)為30‰，坡段長(zhǎng)度取為350m，最為節(jié)能。在區(qū)間長(zhǎng)度為3.5km時(shí)，在列車最高運(yùn)行速度為100km/h的條件下，節(jié)能坡坡度取為20‰時(shí)最為節(jié)能，如受條件限制坡度值無法取20‰，可考慮取值盡量與此值接近。

這是由于隨著區(qū)間的增長(zhǎng)，列車在運(yùn)行至區(qū)間后半段時(shí)，在連續(xù)坡二上的速度不斷下降，在后面制動(dòng)坡坡度比較大的情況下，列車速度下降到過低，不能滿足列車運(yùn)行要求而不得不進(jìn)行二次牽引加速，從而導(dǎo)致了能耗的突然增加。而制動(dòng)坡坡度適度減小，使得列車速度下降不會(huì)過快，避免了二次牽引。

4、結(jié)束語(yǔ)

不同車型，不同的列車目標(biāo)速度，不同的車輛設(shè)計(jì)擁擠度，不同的列車動(dòng)拖比等因素，均對(duì)列車節(jié)能坡的具體設(shè)計(jì)有一定的影響，設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合比選，選擇最優(yōu)方案。

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（作者單位：上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院）