黃　金， 張　波

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院　機(jī)車車輛研究所， 北京 100081)

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動(dòng)車組牽引計(jì)算規(guī)程編制前期研究*

黃金， 張波

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所， 北京 100081)

隨著高速鐵路及電動(dòng)車組的發(fā)展，對(duì)電動(dòng)車組列車的牽引計(jì)算提出了新的要求，如動(dòng)車組操縱方式和控制下的能耗計(jì)算得到更多關(guān)注。針對(duì)電動(dòng)車組控制特點(diǎn)及牽引計(jì)算需求對(duì)動(dòng)車組牽引計(jì)算規(guī)程編制進(jìn)行前期探討和研究。

動(dòng)車組； 牽引計(jì)算

我國(guó)目前運(yùn)用的電動(dòng)車組編組為固定編組，不可解編運(yùn)行，8輛編組列車可兩列重聯(lián)運(yùn)行，國(guó)內(nèi)已有動(dòng)車組均為動(dòng)力集中型動(dòng)車組，結(jié)構(gòu)及特性有別于機(jī)車牽引式列車。動(dòng)車組牽引計(jì)算與機(jī)車牽引式列車的牽引計(jì)算需求不同，同樣具有重要意義。

(1) 高速動(dòng)車組輔助設(shè)計(jì)優(yōu)化。動(dòng)車組牽引頂層設(shè)計(jì)方案提出之前，需要對(duì)其動(dòng)力配置、牽引特性、制動(dòng)特性、阻力等參數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算并調(diào)整，以提高設(shè)計(jì)效率。

(2) 優(yōu)化列車運(yùn)行時(shí)分、能耗等運(yùn)營(yíng)指標(biāo)。結(jié)合實(shí)際運(yùn)用線路和動(dòng)車組模型，可對(duì)動(dòng)車組運(yùn)行圖和能耗進(jìn)行前期仿真，對(duì)運(yùn)行圖的制定和能耗經(jīng)濟(jì)性提供仿真結(jié)果支撐。另外，目前列車優(yōu)化操縱也逐漸成為一個(gè)研究方向，動(dòng)車組牽引計(jì)算是支撐研究成果的有力方式。

(3) 線路試驗(yàn)的重要仿真計(jì)算手段。動(dòng)車組投入運(yùn)用前，需要開展一系列型式試驗(yàn)及科學(xué)試驗(yàn)。在線路條件確定的情況下，通過試驗(yàn)前的仿真計(jì)算，對(duì)試驗(yàn)方案的制定提供指導(dǎo)，提高試驗(yàn)效率。在動(dòng)車組沖高試驗(yàn)中，牽引計(jì)算還可對(duì)牽引功率和平衡速度進(jìn)行估算，對(duì)沖高線路點(diǎn)進(jìn)行安全要求及防護(hù)。

(4) 為挖潛提效和提速安全提供科學(xué)的依據(jù)。通過仿真計(jì)算，提前獲知既有線是否還能提速、缺失部分動(dòng)力的列車能否繼續(xù)運(yùn)行、新型列車或線路能否滿足運(yùn)營(yíng)要求等信息，確保合理可行，并可據(jù)此制定安全規(guī)章，進(jìn)行事故分析。

國(guó)內(nèi)外已有多家單位對(duì)牽引仿真計(jì)算軟件進(jìn)行了開發(fā)，但開發(fā)依據(jù)均為《列車牽引計(jì)算規(guī)程》(機(jī)車牽引式列車)，接口輸入條件為牽引機(jī)車和被牽引列車參數(shù)及線路條件，輸出主要局限于速度、運(yùn)行時(shí)分等參數(shù)，功能單一且準(zhǔn)確性不高。這些軟件對(duì)于動(dòng)車組牽引計(jì)算可參照機(jī)車牽引式列車執(zhí)行，但由于缺少相應(yīng)的參數(shù)輸入接口和邊界條件限定對(duì)于能耗計(jì)算的準(zhǔn)確性也無(wú)法滿足實(shí)際運(yùn)用的需求。一方面是由于牽引計(jì)算仿真軟件的局限，另一方面由于《列車牽引計(jì)算規(guī)程》未提供電動(dòng)車組相關(guān)技術(shù)參數(shù)和控制特點(diǎn)，無(wú)法進(jìn)行精確計(jì)算。在高速鐵路不斷發(fā)展的形勢(shì)下，動(dòng)車組牽引計(jì)算規(guī)程的編制十分必要和迫切。

1　動(dòng)車組牽引計(jì)算需求

動(dòng)車組牽引計(jì)算的用戶主要集中在設(shè)計(jì)院，研究所，主機(jī)廠，鐵路局，對(duì)于牽引計(jì)算的需求主要包括線路能耗評(píng)估，運(yùn)行圖模擬，牽引系統(tǒng)輔助設(shè)計(jì)等。

中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司節(jié)能軟件開發(fā)方案中提及關(guān)于動(dòng)車組牽引計(jì)算的需求主要為能耗評(píng)估。方案認(rèn)為動(dòng)車組作為軌道交通系統(tǒng)中的主要能耗來(lái)源，其節(jié)能措施和能效指標(biāo)應(yīng)作為節(jié)能評(píng)估中的重點(diǎn)研究對(duì)象。

中車青島四方車輛研究所有限公司對(duì)牽引計(jì)算軟件的需求主要包括針對(duì)動(dòng)車組牽引計(jì)算及線路仿真，可方便對(duì)CRH2、CRH3、CRH5等動(dòng)車組進(jìn)行建模(軟件可提供3種型號(hào)動(dòng)車的現(xiàn)成模型數(shù)據(jù))，對(duì)各動(dòng)車組平臺(tái)計(jì)算不同線路譜、不同編組的牽引參數(shù)，實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行控制算法。仿真考慮客運(yùn)專線電分相裝置對(duì)列車運(yùn)行的影響，并模擬自動(dòng)過分相裝置。另外還要求軟件具有隧道阻力輸入接口，仿真計(jì)算時(shí)可根據(jù)需要選擇是否考慮隧道阻力。牽引計(jì)算輸出結(jié)果應(yīng)包括電機(jī)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速、電機(jī)功率-轉(zhuǎn)速等。

基于以上用戶需求，在原有《列車牽引計(jì)算規(guī)程》的框架基礎(chǔ)上，對(duì)《動(dòng)車組牽引計(jì)算規(guī)程》增改以下內(nèi)容：

(1) 動(dòng)車組作用力

動(dòng)車組牽引計(jì)算基礎(chǔ)是列車合力的計(jì)算及分析，其基本原則及解算方式與機(jī)車牽引式列車相同。

針對(duì)既有動(dòng)車組特點(diǎn)，細(xì)化各型動(dòng)車組牽引力輸出方式，如將現(xiàn)有CRH2有級(jí)牽引控制+恒速控制，CRH3百分比無(wú)級(jí)牽引+牽引力限制+目標(biāo)速度控制體現(xiàn)在牽規(guī)中，使得不同車型在牽引計(jì)算電算時(shí)正確區(qū)分，因?yàn)檫@會(huì)直接影響運(yùn)行時(shí)分解算和能耗計(jì)算。以CRH2系列動(dòng)車組恒速控制為例，控制方式如圖(1)所示：

圖1　恒速控制轉(zhuǎn)矩圖

牽引變流器接收到恒速指令時(shí)，將當(dāng)時(shí)的速度作為恒定速度，為保持此速度依據(jù)轉(zhuǎn)矩圖形按照速度偏差進(jìn)行恒速控制。恒定速度的設(shè)定范圍為30～350 km/h，在該范圍內(nèi)的各速度點(diǎn)的整車阻力不一樣，恒速控制時(shí)的牽引模式下的給定力矩曲線會(huì)隨恒定速度的大小進(jìn)行切換，恒定速度越大，在相同速度偏差時(shí)的給定力矩越大；恒速控制時(shí)的制動(dòng)模式下的給定力矩曲線不會(huì)隨恒定速度的大小進(jìn)行切換，而是采用同一力矩給定曲線。列車在牽引2檔以上，速度30 km/h以上時(shí)，恒速控制有效。

(2) 制動(dòng)力

動(dòng)車組制動(dòng)力特性設(shè)計(jì)與機(jī)車牽引式列車有所不同，動(dòng)車組的制動(dòng)主要采用BCU (制動(dòng)控制單元)控制的復(fù)合制動(dòng)，以動(dòng)力制動(dòng)為主，空氣制動(dòng)為輔，按照減速度要求給定制動(dòng)力。在設(shè)計(jì)制動(dòng)控制時(shí)的原則是充分利用動(dòng)力制動(dòng)能力。在充分利用動(dòng)力制動(dòng)能力的前提下，配合控制各種制動(dòng)方式，在制動(dòng)時(shí)，優(yōu)先采用動(dòng)力制動(dòng)，仍不能滿足制動(dòng)指令要求時(shí)，追加空氣制動(dòng)。各車型制動(dòng)特性、減速度特性設(shè)計(jì)不同，因此動(dòng)車組牽引計(jì)算規(guī)程中需增加描述動(dòng)車組分級(jí)常用制動(dòng)特性、EB制動(dòng)特性、UB制動(dòng)特性的描述，給出國(guó)內(nèi)既有車型的制動(dòng)減速度-速度特性，描述不同車載控制算法下該特性與制動(dòng)力-速度特性之間的區(qū)別與聯(lián)系。以中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組制動(dòng)特性為例，圖2為再生制動(dòng)特性。

圖2　速度350 km/h標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組再生制動(dòng)特性

停車制動(dòng)過程中，空氣制動(dòng)與動(dòng)力制動(dòng)的轉(zhuǎn)換應(yīng)平穩(wěn)，即動(dòng)力制動(dòng)力的陡降梯度與電空制動(dòng)力陡增的梯度相匹配，該過程應(yīng)在列車速度降低到10 km/h前完成。

制動(dòng)系統(tǒng)施加常用制動(dòng)時(shí)，各級(jí)減速度(不含風(fēng)阻)控制曲線如圖3所示。

圖3　速度350 km/h標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組各級(jí)減速度控制曲線

(3) 過分相

動(dòng)車組過分相方式主要分為磁缸自動(dòng)過分相、ATP自動(dòng)過分相、手動(dòng)(半自動(dòng))過分相三種模式，動(dòng)車組實(shí)際運(yùn)用中根據(jù)路局要求還可能存在手動(dòng)斷主斷的過分相方式。不同過分相方式下動(dòng)車組各系統(tǒng)響應(yīng)方式和時(shí)間有所不同，部分動(dòng)車組根據(jù)牽引系統(tǒng)特點(diǎn)，有過分相過程中電機(jī)輕微電制發(fā)電維持中間電壓的設(shè)計(jì)，因此各種因素造成的列車速度時(shí)分損失有所不同。以CJ2型動(dòng)車組GFX自動(dòng)過分相為例，動(dòng)車組過分相示意如圖4所示。

圖4　動(dòng)車組過分相示意圖

GFX裝置正常工作時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)過分相的動(dòng)作順序如下:

GFX主機(jī)工作正常，司機(jī)臺(tái)上GFX裝置工作燈亮。動(dòng)車組進(jìn)入分相區(qū)，GFX裝置接收到G1預(yù)警信號(hào)，司機(jī)臺(tái)上的預(yù)警指示燈閃亮；牽引變流器切換到電壓保持狀態(tài)，(目前TCU設(shè)置初速度大約70 km/h可以產(chǎn)生再生，速度降到40 km/h電壓保持將失敗)，輔助變流器正常工作；主斷路器自動(dòng)斷開，司機(jī)臺(tái)顯示屏顯示主斷路器斷開；列車進(jìn)入無(wú)電區(qū)，牽引電機(jī)根據(jù)速度決定是否再生發(fā)電；列車駛出無(wú)電區(qū)，GFX裝置接收到G3恢復(fù)信號(hào)，司機(jī)臺(tái)上的預(yù)警指示燈閃亮；系統(tǒng)檢測(cè)到網(wǎng)壓后，主斷路器自動(dòng)閉合；牽引變流器電壓保持狀態(tài)結(jié)束，列車牽引力自動(dòng)恢復(fù)。

(4) 能耗計(jì)算

動(dòng)車組運(yùn)行主要分為4個(gè)過程：牽引過程、恒速過程、制動(dòng)過程、過分相過程，見圖5，由于電機(jī)功率發(fā)揮、效率、輔助功率等因素，能耗計(jì)算時(shí)需要對(duì)各個(gè)過程分別考慮。動(dòng)車組牽引計(jì)算規(guī)程中需增加動(dòng)車組能耗計(jì)算的內(nèi)容，在沿用機(jī)車牽引式列車有功電流計(jì)算能耗的描述方式和方法的基礎(chǔ)上，對(duì)動(dòng)車組能耗計(jì)算進(jìn)行細(xì)化和歸類。引入動(dòng)車組恒速運(yùn)行百公里人均能耗等概念，對(duì)動(dòng)車組自用電、輔助能耗等方面，考慮以輔助功率發(fā)揮代替，不失精度，同時(shí)簡(jiǎn)化計(jì)算。以CRH380AL及CRH380BL動(dòng)車組京滬線能耗統(tǒng)計(jì)為例進(jìn)行介紹，表1為兩列動(dòng)車組不同速度級(jí)下恒速運(yùn)行時(shí)百公里人均能耗統(tǒng)計(jì)。

圖5　動(dòng)車組運(yùn)行過程示意圖

速度級(jí)/(km·h-1)牽引能耗/(kW·h)CRH380AL百公里人均能耗/(kW·h)CRH380BL百公里人均能耗/(kW·h)25016313.182.9630018713.653.7033021554.204.2935022534.394.75

2　動(dòng)車組牽引計(jì)算規(guī)程編制遺留問題

(1) 動(dòng)車組阻力

動(dòng)車組的運(yùn)行阻力包括基本阻力和附加阻力：基本阻力是構(gòu)成動(dòng)車和拖車的零部件之間的運(yùn)動(dòng)阻力、運(yùn)行中的空氣阻力，以及車輪與輪軌的摩擦和沖擊等造成的；附加阻力是由于線路或者橋梁、隧道等原因形成的阻力，包括坡道附加阻力、曲線附加阻力和隧道附加阻力。

國(guó)內(nèi)既有動(dòng)車組阻力公式均已通過型式試驗(yàn)取得(定員載荷)，在動(dòng)車組牽引計(jì)算規(guī)程中會(huì)進(jìn)行編訂。坡道阻力和曲線阻力暫按《列車牽引計(jì)算規(guī)程》機(jī)車牽引式列車篇進(jìn)行規(guī)定。

列車進(jìn)入隧道時(shí)，對(duì)隧道內(nèi)的空氣產(chǎn)生沖擊作用，使列車頭部受到突然增大的正面壓力。進(jìn)入隧道后，列車驅(qū)使空氣移動(dòng)，造成列車頭部的正壓與尾部負(fù)壓的壓力差，產(chǎn)生阻礙列車運(yùn)行的阻力。由于動(dòng)車組特有的高速特性及頭型因素與機(jī)車牽引式列車存在差異，且沒有試驗(yàn)數(shù)據(jù)的支撐，尚不足以整理出簡(jiǎn)便的可正式頒布的計(jì)算公式，理論上計(jì)算隧道附加阻力尚不成熟，因此仍采用《列車牽引計(jì)算規(guī)程》機(jī)車牽引式列車篇中的隧道阻力公式。

(2) 動(dòng)車組復(fù)雜工況下的能耗

前面提及動(dòng)車組運(yùn)行能耗計(jì)算的基本原則，該計(jì)算的前提均為理想條件，即動(dòng)車組無(wú)故障全動(dòng)力運(yùn)行(部分動(dòng)力情況下動(dòng)車組加減速運(yùn)行和定速控制響應(yīng)時(shí)間有差別)、網(wǎng)壓在牽引功率可正常發(fā)揮的范圍內(nèi)(22.5～29 kV)、網(wǎng)側(cè)諧波不超標(biāo)(諧波影響牽引變壓器效率及網(wǎng)側(cè)功率因數(shù))、無(wú)側(cè)風(fēng)影響等。動(dòng)車組實(shí)際運(yùn)用條件下不可能存在如此理想的情況，因此通過牽引計(jì)算得出的能耗值僅可作為設(shè)計(jì)過程中的參考值，還需實(shí)際運(yùn)用中的大量長(zhǎng)時(shí)間能耗統(tǒng)計(jì)進(jìn)行修正。因此動(dòng)車組復(fù)雜工況下的能耗計(jì)算內(nèi)容無(wú)法體現(xiàn)在動(dòng)車組牽引計(jì)算規(guī)程中。

3　結(jié)束語(yǔ)

(1) 動(dòng)車組牽引計(jì)算在動(dòng)車組牽引頂層設(shè)計(jì)、性能優(yōu)化、試驗(yàn)驗(yàn)證等方面起到重要作用，具有動(dòng)車組運(yùn)用及控制特點(diǎn)的牽引計(jì)算規(guī)程亟需編制并發(fā)布。

(2) 車組牽引計(jì)算規(guī)程對(duì)牽引質(zhì)量校驗(yàn)的功能已不再需要，轉(zhuǎn)而以能耗計(jì)算、運(yùn)行時(shí)分計(jì)算為主。

(3) 隨著研究的深入，動(dòng)車組牽引仿真計(jì)算規(guī)程的參數(shù)需進(jìn)一步完善，如隧道阻力等。另外目前已有軟件輸入對(duì)牽引電機(jī)等部件級(jí)的特性仿真提出了要求，后續(xù)工作將考慮對(duì)既有動(dòng)車組的部件參數(shù)進(jìn)行完善，更好地服務(wù)于我國(guó)高速鐵路的發(fā)展。

[1]中華人民共和國(guó)鐵道部.TB/T 1407-1998．列車牽引計(jì)算規(guī)程[S].

[2]康熊.高速動(dòng)車組列車牽引仿真計(jì)算技術(shù)研究[J].中國(guó)工程科學(xué),2011,13(1):62-68.

Preliminary Research of Traction Calculation Procedure Establishment for EMU

HUANGJin，ZHANGBo

(Locomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

With the development of high speed railway and electric vehicle group, the new requirements of traction calculation of electric vehicle group are put forward, such as the operation mode and the energy consumption calculation of EMU. In this paper, the characteristics of the electric vehicle group control and traction calculation requirements of the EMU traction calculation procedures for the preparation of the preliminary discussion and research.

EMU; traction calculation procedure

1008-7842 (2016) 03-0111-03

男，助理研究員(

2015-12-18)

U260.13+1

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.03.24

*中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃課題(2014J012-D)