鐵路機(jī)車運(yùn)行能耗影響因素仿真研究

趙 鑫，高志遠(yuǎn)，王 烈

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 合作開發(fā)部，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)研究所，北京 100081）

1 概述

在資源約束趨緊、環(huán)境污染嚴(yán)重等嚴(yán)峻形勢下，鐵路將承擔(dān)更多的運(yùn)輸量，也將消耗大量的能源，其節(jié)能減排對經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)環(huán)境都顯得尤為重要[1]。在全社會倡導(dǎo)綠色環(huán)保，以及全路提倡節(jié)能與降耗背景下，在不同情景下定量分析機(jī)車運(yùn)行能耗的影響因素，對于進(jìn)一步認(rèn)識機(jī)車運(yùn)行過程中機(jī)車能耗規(guī)律、合理確定機(jī)車節(jié)能依據(jù)具有重要的意義。

國內(nèi)很多學(xué)者從不同方面對機(jī)車能耗進(jìn)行了研究，王雪[2]分析了高速鐵路動車組運(yùn)營方案對牽引能耗的影響，模擬不同運(yùn)輸組織模式和列車開行對數(shù)對動車組牽引能耗的影響；王雅婷[3]以朔黃重載鐵路為例，分析了神8、神12和SS43種機(jī)型的能耗，提出相關(guān)節(jié)能建議；王烈等[4]對影響機(jī)車能耗的4種因素進(jìn)行分析，并在多目標(biāo)約束下提出機(jī)車最優(yōu)能耗駕駛策略；滿朝翰[5]利用灰色關(guān)聯(lián)分析方法，對鐵路能耗的節(jié)能指標(biāo)進(jìn)行研究；高志遠(yuǎn)[6]在分析機(jī)車能耗影響因素基礎(chǔ)上，提出電力機(jī)車節(jié)能優(yōu)化方法，并利用案例進(jìn)行了說明；趙莉[7]基于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對我國鐵路貨物運(yùn)輸?shù)哪芎倪M(jìn)行分析；馬超云等[8]運(yùn)用列車運(yùn)行計(jì)算的相關(guān)原理，引入“牽引運(yùn)行能耗換算系數(shù)”，建立鐵路機(jī)車牽引單耗測算模型，通過微觀數(shù)值計(jì)算方法測算機(jī)車牽引單耗的宏觀量。

以上學(xué)者從不同角度對機(jī)車能耗影響因素進(jìn)行分析，但還存在不足：一是對機(jī)車能耗影響因素只是定性地進(jìn)行闡述，沒有對機(jī)車能耗影響因素進(jìn)行量化；二是大多數(shù)學(xué)者只是以機(jī)車能耗影響因素為鋪墊，在此基礎(chǔ)上對機(jī)車節(jié)能進(jìn)行研究。在此，利用機(jī)車運(yùn)行仿真軟件，對不同情景下機(jī)車能耗影響因素進(jìn)行定量分析。

2 鐵路機(jī)車運(yùn)行能耗影響因素仿真

以貨運(yùn)列車為例，選用機(jī)型為HXD1型電力機(jī)車，車輛編組為60節(jié)，機(jī)車質(zhì)量為92 t，最大牽引力為760 kN，單節(jié)車輛質(zhì)量為20.6 t，有恒速功能，則機(jī)車運(yùn)行阻力公式為1.2 + 0.006 5 v +0.000 279 v2，車輛運(yùn)行阻力公式為0.92 + 0.004 8 v +0.000 125 v2。由于線路坡度和惰行距離需在滿足一定線路長度下才能進(jìn)行仿真，使結(jié)果更為準(zhǔn)確，對這2個(gè)因素進(jìn)行仿真時(shí)，選取京廣線(北京西—廣州)北京西至琉璃河段，全長51.5 km，其他因素采用京廣線北京西至竇店段，線路全長39.9 km。根據(jù)新版的《列車牽引計(jì)算規(guī)程》，選用牽引電算軟件，從線路坡度、停站次數(shù)、牽引總重、編組特性、惰行距離5個(gè)方面對列車能耗進(jìn)行仿真研究。牽引電算軟件界面如圖1所示。

圖1 牽引電算軟件界面Fig.1 Software interface of traction calculation

2.1 線路坡度對列車運(yùn)行能耗的影響

為驗(yàn)證線路坡度對能耗的影響，設(shè)上坡、平坡和下坡3個(gè)情景，上坡的坡度為5‰，10‰，平坡的坡度為0，下坡的坡度為-5‰，-10‰，坡長均為3 000 m，在速度分別為70 km/h，80 km/h，90 km/h的情景下模擬不同坡度對機(jī)車牽引總能耗和牽引單耗的影響。不同坡度下機(jī)車運(yùn)行能耗仿真結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，在相同速度和不同坡度下，隨著坡度的增加，機(jī)車需要克服更多的阻力和做更多的功，能耗也隨著坡度的增加呈現(xiàn)遞增的趨勢，如坡度由-10‰到10‰，速度為70 km/h 時(shí)，牽引總能耗由1 211.1 kW·h增加到1 829.5 kW·h，牽 引 單 耗 由 85.1 (kW·h) / (萬 t·km)增 加 到128.5 (kW·h) / (萬t·km)，牽引總能耗和牽引單耗增加了51%。在不同速度和相同坡度下，隨著速度的增加，運(yùn)行時(shí)間減少，能耗隨之增加，如在坡度為-10‰情況下，速度分別為70 km/h和90 km/h，其運(yùn)行時(shí)間分別為31 min 23 s和25 min 51 s，牽引總能耗分別為1 211.1 kW·h和1 489.5 kW·h，牽 引 單 耗 由 85.1 (kW·h) / (萬 t·km)增 加 到104.6 (kW·h) / (萬t·km)，牽引總能耗和牽引單耗增加了23%。仿真試驗(yàn)表明，機(jī)車牽引總能耗和牽引單耗與速度和坡度成正相關(guān)關(guān)系。

表1 不同坡度下機(jī)車運(yùn)行能耗仿真結(jié)果Tab.1 Simulation results of locomotive running energy consumption at different slopes

2.2 停站次數(shù)對列車運(yùn)行能耗的影響

為驗(yàn)證停車次數(shù)對機(jī)車能耗的影響，設(shè)停站次數(shù)分別為0次、1次、2次3個(gè)情景，在速度分別為70 km/h，80 km/h，90 km/h的情景下模擬不同停站次數(shù)對機(jī)車牽引總能耗和牽引單耗的影響。不同停站次數(shù)對機(jī)車運(yùn)行能耗的影響如表2所示。

由表2可以看出，隨著停站次數(shù)的增加，機(jī)車的起停次數(shù)增加，機(jī)車在啟動階段由速度0增加到最高速度的牽引單耗是以最高速度勻速運(yùn)行的3倍，隨著起停次數(shù)的增加機(jī)車能耗隨之增加，如在速度為70 km/h時(shí)，停車次數(shù)由0次增加1次，再增加到2次，其牽引總能耗由944.4 kW·h增加到1 248.5 kW·h，再增加到1 557.3 kW·h，牽引單耗由 130.5 (kW·h) / (萬t·km)增加到172.8 (kW·h) /(萬 t·km)，再增加到 215.5(kW ·h) / (萬 t·km)，停車1次和2次比停車0次機(jī)車運(yùn)行的牽引能耗分別增加了32.4%和64.9%，牽引單耗也分別增加了32.4%和64.9%。隨著速度的增加，在同樣停車次數(shù)情況下其總能耗和牽引單耗也隨之增加，如在速度分別為70 km/h 和90 km/h時(shí)，停車次數(shù)為0次時(shí)，其牽引總能耗分別為944.4 kW·h和1 187.8 kW·h，牽 引 單 耗 分 別 為 130.5 (kW·h) /(萬 t·km)和164.4 (kW·h) / (萬t·km)，機(jī)車牽引能耗增加了25.8% ，牽引單耗增加了26.0%。因此，列車運(yùn)行盡量減少停站次數(shù)，避免不必要的啟停，減小列車運(yùn)行能耗。

表2 不同停站次數(shù)對機(jī)車運(yùn)行能耗的影響Tab.2 Influence of different stops on locomotive energy consumption

2.3 牽引總重對列車運(yùn)行能耗的影響

為驗(yàn)證不同牽引總重對機(jī)車能耗的影響，設(shè)牽引總重分別為3 000 t，4 000 t和5 000 t 3個(gè)情景，在速度分別為70 km/h，80 km/h，90 km/h的情景下，模擬不同牽引總重對機(jī)車牽引總能耗和牽引單耗的影響。不同速度下牽引總重對機(jī)車運(yùn)行能耗的影響如表3所示。

從表3可以看出，隨著列車總重的增加，列車運(yùn)行的阻力增加，機(jī)車需要更多的能量保證運(yùn)行，雖然隨著列車牽引總重增加，列車牽引總能耗增加，但是列車的牽引單耗降低。例如，列車在速度為70 km/h下，列車在牽引總重分別為3 000 t，4 000 t和5 000 t的情景下，機(jī)車牽引總能耗分別為 583.7 kW·h，944.4 kW·h 和 1 023.4 kW·h，機(jī)車牽引單耗分別為147.9 (kW·h) / (萬t·km)，130.5 (kW·h) / (萬 t·km)和 111.5 (kW·h) / (萬 t·km)，4 000 t和5 000 t列車牽引總能耗比3 000 t分別增加了61.8%和75.3%，列車牽引單耗分別降低了11.8%和24.6%。同時(shí)，在相同牽引總重不同速度下，隨著速度的增加，其牽引能耗和牽引單耗也增加。例如，速度由70 km/h增加到90 km/h，在牽引總重為3 000 t情景下，其牽引總能耗由583.7 kW·h增加到863.9 kW·h，機(jī)車牽引單耗由147.9 (kW·h) / (萬t·km)增加到169.8 (kW·h) / (萬t·km)，機(jī)車牽引能耗和牽引單耗分別增加了48.0%和14.8%。因此，對大宗貨物運(yùn)輸應(yīng)大力發(fā)展重載運(yùn)輸，不僅能節(jié)省運(yùn)力，而且能降低機(jī)車運(yùn)行牽引單耗。

表3 不同速度下牽引總重對機(jī)車運(yùn)行能耗的影響Tab.2 Influence of gross load hauled on locomotive energy consumption at different speeds

2.4 編組特性對列車運(yùn)行能耗的影響

為驗(yàn)證不同車輛編組對機(jī)車能耗的影響，假設(shè)在列車牽引總重固定為3 000 t，設(shè)編組車輛分別為38輛、44輛和51輛3個(gè)情景，在速度分別為70 km/h，80 km/h和90 km/h的情景下，模擬不同編組輛數(shù)對機(jī)車牽引總能耗和牽引單耗的影響?？傊? 000 t列車不同編組對運(yùn)行能耗的影響如表4所示。

從表4可以看出，隨著列車編組輛數(shù)的增加，列車運(yùn)行阻力增加，使列車在運(yùn)行過程中牽引電機(jī)的耗電量增加，從而使能耗增加，但是與其他影響因素相比，對列車的能耗影響不明顯。例如，在速度為70 km/h情況下，機(jī)車運(yùn)行總能耗由596.7 kW·h增加到602.7 kW·h，牽引單耗由103.9 (kW·h)/(萬 t·km)增加到 104.5 (kW·h)/(萬t·km)，機(jī)車總能耗增加了1%，機(jī)車牽引單耗增加了0.5%。因此，在同樣總重情況下，隨著編組數(shù)量的增加，其能耗水平變化不大。

表4 總重3 000 t列車不同編組對運(yùn)行能耗的影響Tab.4 Influence of different marshalling of total 3 000 t weight train on energy consumption

2.5 惰行距離對列車運(yùn)行能耗的影響

為驗(yàn)證不同限速模式下惰行距離對機(jī)車能耗的影響，假設(shè)在列車牽引總重固定為3 000 t，設(shè)惰行距離分別為0，500 m和1 000 m 3個(gè)情景，在限速分別為100 km/h和75 km/h的情景下，模擬不同惰行距離對機(jī)車牽引總能耗和牽引單耗的影響。不同限速模式不同惰行距離對列車運(yùn)行能耗的影響如表5所示。

表5 不同限速模式不同惰行距離對列車運(yùn)行能耗的影響Tab.5 Influence of different speed limit modes and idle running distance on energy consumption

在不同的惰行距離和限速模式下，機(jī)車能耗有著很大的不同，隨著惰行距離的增加，機(jī)車能耗不斷減小，如在限速100 km/h模式下，惰行距離由0增加到1 000 m，其牽引總能耗由1 997.6 kW·h下降到1 986.9 kW·h，牽引單耗水平由81.9 (kW·h) /(萬 t·km)下 降 到 81.4 (kW ·h) / (萬 t·km)。 在限速模式下，一般需進(jìn)行制動、低于限速值的恒速運(yùn)行及通過限速區(qū)段后的再次加速操作，列車的受力情況會發(fā)生改變，能源消耗特征一般也隨之變化。同樣是惰行距離為0，限速100 km/h和75 km/h模式下牽引總能耗分別為1 997.6 kW·h和2 110.7 kW·h，牽引單耗分別為81.9 (kW·h) /(萬t·km)和 86.4 (kW ·h) / (萬 t·km)。

3 結(jié)論

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和政策調(diào)整，我國客貨運(yùn)量將進(jìn)一步提升，機(jī)車能耗對鐵路運(yùn)輸成本具有重要影響[9]。將數(shù)據(jù)分析和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)相結(jié)合，定量分析各影響因素對機(jī)車運(yùn)行能耗的影響，結(jié)論如下。

（1）對于線路基礎(chǔ)設(shè)施，坡度與機(jī)車運(yùn)行能耗呈正向變化關(guān)系，隨著坡度的增加，其機(jī)車運(yùn)行能耗的增加幅度變大。因此，在機(jī)車運(yùn)行過程中，應(yīng)注意線路坡度影響，利用下坡條件最大限速降低機(jī)車運(yùn)行能耗，盡量規(guī)避上坡對機(jī)車能耗增加的不利影響。

（2）對于機(jī)車運(yùn)行特征，停站次數(shù)、牽引總重、編組數(shù)量對機(jī)車運(yùn)行能耗呈正向變化關(guān)系，停站次數(shù)增加了機(jī)車運(yùn)行的起停次數(shù)，牽引總重和編組數(shù)量增加了機(jī)車運(yùn)行過程中的阻力，從三者牽引單耗來看，三者對機(jī)車運(yùn)行能耗影響由大到小依次為起停次數(shù)、牽引總重和編組數(shù)量。

（3）對于司機(jī)駕駛行為，惰行距離越長，機(jī)車能耗越小，限速條件會增加機(jī)車運(yùn)行時(shí)間，導(dǎo)致機(jī)車運(yùn)行能耗增加。