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        《地鐵設(shè)計規(guī)范》中限制列車加減速度規(guī)定的合理性分析與探討

        2022-02-18 10:37:18楊振虹梁廣深
        城市軌道交通研究 2022年1期
        關(guān)鍵詞:牽引力編組進(jìn)站

        楊振虹 梁廣深

        (1.中交鐵道設(shè)計研究總院有限公司,100088,北京;2.北京城建設(shè)計發(fā)展集團(tuán)股份有限公司,100037,北京∥第一作者,高級工程師)

        旅行速度是評價地鐵系統(tǒng)的重要指標(biāo)之一。旅行速度高反映了地鐵系統(tǒng)的運(yùn)量大、快速和高效率,能夠減少乘客出行時間,滿足日益增長的服務(wù)需求[2]。地鐵站間距離短,又要求運(yùn)行速度快,為達(dá)此目的,就要求列車的起動加速度和制動減速度要大[3]。高的平均加速度表明列車具有良好的加速能力和較高的旅行速度(即較短的旅行時間)[4]?,F(xiàn)在許多城市的軌道交通項(xiàng)目都選用加速度和減速度較大的4M2T編組列車,目的是為了提高列車的旅行速度。莫斯科地鐵是世界上運(yùn)輸效率最高的地鐵,其高峰小時開行列車40~45對,最小行車間隔為80 s,憑借的就是列車加速度為1.0~1.1 m/s2、減速度為1.2~1.3 m/s2[5],列車高速進(jìn)站和高速出站,停站時間不超過20 s。

        GB 50157—2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》第3.3.6條規(guī)定:列車牽引計算正常情況下,計算起動加速度、制動減速度分別不宜大于最大加速度的90%和常用減速度的90%,且計算列車起動加速度和制動減速度均不宜大于0.9 m/s2??紤]列車牽引計算圖是編制列車運(yùn)行圖的原始資料,是列車在軌道上運(yùn)行軌跡的實(shí)際模擬圖,列車的許多運(yùn)行參數(shù)(如列車的起動加速時間、起動加速度、起動加速距離,以及到達(dá)下一站的制動初速、制動時間、制動減速度、制動距離、區(qū)間運(yùn)行時間和牽引耗電量等)可從牽引計算圖中查得[6]。而根據(jù)加減速度不大于0.9 m/s2,并按牽引計算圖編制的列車運(yùn)行圖,則會降低列車旅行速度和服務(wù)水平,這與地鐵管理單位和廣大乘客的期望相悖,值得研究和商榷。

        為了探討這一問題,筆者選擇重慶軌道交通5號線一段線路,采用B型車3M3T編組列車和4M2T編組列車,分別以100%牽引力和90%牽引力做列車牽引計算圖,并對結(jié)果進(jìn)行了深入分析。

        1 列車仿真牽引計算

        1.1 線路概況

        重慶軌道交通5號線一期大石壩站至跳磴站,線路運(yùn)營長度為23.044 km,設(shè)車站16座。最大站間距離為2 534 m,為重慶西站—創(chuàng)業(yè)大道站;最小站間距離為853 m,為北濱路站—大石壩站;平均站間距離為1 536 m。該段線路地形條件比較復(fù)雜,正線最大坡度為34‰。本文研究的列車運(yùn)行方向?yàn)樘耪局链笫瘔握尽?/p>

        1.2 車輛參數(shù)

        B型車為我國地鐵采用最為普遍的車輛類型,因此本文研究分別采用B型車3M3T編組列車和4M2T編組列車進(jìn)行相關(guān)計算,以使?fàn)恳嬎憬Y(jié)果具有較大參考價值。具體車輛參數(shù)如表1所示。

        表1 本文研究采用的B型車3M3T編組與4M2T編組車輛參數(shù)

        1.3 牽引計算結(jié)果

        計算結(jié)果如表2和表3所示。

        表2 B型車4M2T 編組(AW2工況)不同牽引力及制動力時的列車牽引計算結(jié)果

        表3 B型車3M3T 編組(AW2工況)不同牽引力及制動力時的列車牽引計算結(jié)果

        2 計算結(jié)果分析

        2.1 列車加速度和減速度分析

        2.1.1 B型車4M2T編制列車運(yùn)行結(jié)果分析

        由表2可見:4M2T編制列車以100%牽引力起動或以100%制動力制動時,出站加速度a1∈[0.66,1.0],其平均值為0.84 m/s2;進(jìn)站制動減速度a2∈[0.94,1.08],其平均值為1.02 m/s2。4M2T編制列車以90%牽引力起動或以90%制動力制動時,出站加速度a1∈[0.57,0.93],其平均值為0.75 m/s2;進(jìn)站制動減速度a2∈[0.85,1.05],其平均值為0.93 m/s2。

        由分析可得出:4M2T編制列車以100%牽引力實(shí)際運(yùn)行時的出站加速度,在15個區(qū)間中,只有4個區(qū)間因受出站大下坡影響而超過0.9 m/s2的要求;降低牽引力至90%后,在15個區(qū)間中,仍有1個區(qū)間因受出站大下坡影響超過0.9 m/s2的要求。反觀制動減速度,無論是以100%制動力還是以90%制動力進(jìn)行制動,進(jìn)站制動減速度幾乎均超過0.9 m/s2的要求。

        2.1.2 B型車3M3T編制列車運(yùn)行結(jié)果分析

        由表3可見:3M3T編制列車以100%牽引力起動或以100%制動力制動時,出站加速度a1∈[0.40,0.83],其平均值為0.60 m/s2;進(jìn)站制動減速度a2∈[0.65,0.97],其平均值為0.86 m/s2。3M3T編制列車以90%牽引力起動或以90%制動力制動時,出站加速度a1∈[0.40,0.8],其平均值為0.54 m/s2;進(jìn)站制動減速度a2∈[0.64,0.84],其平均值為0.78 m/s2。

        由分析可得出:3M3T編制列車無論是以100%牽引力還是以90%牽引力進(jìn)行起動,實(shí)際運(yùn)行時的出站加速度,在15個區(qū)間中均沒有超過0.9 m/s2的要求。反觀制動減速度,列車進(jìn)站時以100%制動力進(jìn)行制動,在15個區(qū)間中,只有4個區(qū)間的進(jìn)站制動減速度超過0.9 m/s2的要求;列車進(jìn)站時以90%制動力進(jìn)行制動,15個區(qū)間的進(jìn)站制動減速度均未超過0.9 m/s2的要求。

        2.2 列車旅行速度

        由列車牽引計算圖和表3可知,列車以90%牽引力起動運(yùn)行時(圖1中細(xì)線條),因?yàn)槠饎与娏鳒p小,加速度減小,導(dǎo)致區(qū)間的運(yùn)行時間延長。第一個區(qū)間延長4 s,第二個區(qū)間延長7 s。就全線而言,4M2T編制列車運(yùn)行時間延長54 s,3M3T編制列車運(yùn)行時間延長44.5 s。

        圖1 B型車3M3T編組列車(AW2工況)以100%牽引力和90%牽引力運(yùn)行時的牽引計算圖示例

        本文研究的線路長度為23.044 km,設(shè)車站16座,列車起動目標(biāo)速度為80 km/h,中間站停車30 s,以表2和表3中數(shù)據(jù)分析列車的旅行速度v旅如下:4M2T編制列車以100%牽引力加速運(yùn)行時,v旅=42.91 km/h;4M2T編制列車以90%牽引力加速運(yùn)行時,v旅=41.75 km/h;3M3T編制列車以100%牽引力加速運(yùn)行時,v旅=40.83 km/h;3M3T編制列車以90%牽引力加速運(yùn)行時,v旅=39.95 km/h。

        2.3 列車牽引耗電量分析

        由表2和表3中數(shù)據(jù)可知:4M2T編制列車以100%牽引力運(yùn)行時的單程牽引耗電量為422 kWh,以90%牽引力運(yùn)行時的單程牽引耗電量為411.99 kWh。即以90%牽引力運(yùn)行時可減少牽引電能耗10.01 kWh,平均節(jié)能為0.43 kWh/km。3M3T編制列車以100%牽引力運(yùn)行時的單程牽引耗電量為407.35 kWh,以90%牽引力運(yùn)行時的牽引耗電量為396.23 kWh。即以90%牽引力運(yùn)行時可減少牽引能耗11.12 kWh,平均節(jié)能為0.48 kWh/km。

        3 幾點(diǎn)體會

        3.1 限制列車加減速度違背城市軌道交通運(yùn)營宗旨

        國外城市軌道交通都把提高列車加減速度作為提高旅行速度和服務(wù)水平的手段,我國亦如此。相關(guān)軌道交通車型的技術(shù)條件中均對列車加減速度的下限值做出了明確規(guī)定。

        GB/T 7928—2003《地鐵車輛通用技術(shù)條件》第6.12條規(guī)定:在平直干燥軌道上,列車從0~40 km/h,其加速度不低于0.83 m/s2,從0~80 km/h其加速度不低于0.5 m/s2。第6.13條規(guī)定:在平直干燥軌道上,列車從最高運(yùn)行速度到停車,常用制動平均減速度不低于1.0 m/s2,緊急制動平均減速度不低于1.2 m/s2[7]。

        CJ/T 287—2008《跨座式單軌交通車輛通用技術(shù)條件》規(guī)定:列車平均加速度不宜低于0.83 m/s2,平均減速度不宜低于1.10~1.25 m/s2[8]。

        CJ/T 375—2011《中低速磁懸浮交通車輛通用技術(shù)條件》規(guī)定:列車從0~35 km/h其加速度不低于0.9 m/s2,從0~80 km/h其加速度不低于0.5 m/s2,平均減速度不低于1.1~1.3 m/s2[9]。

        CJ/T 417—2012《低地板有軌電車車輛通用技術(shù)條件》規(guī)定:列車從0~40 km/h其加速度不應(yīng)低于0.95 m/s2,從0~80 km/h其加速度不低于0.5 m/s2,常用制動減速度不應(yīng)小于1.1~1.2 m/s2,施加磁軌制動時不應(yīng)小于2.0 m/s2[10]。

        GB 50157—2013的3.3.6條規(guī)定:牽引計算的列車起動加速度和制動減速度均不宜大于0.9 m/s2。這不僅違背了軌道交通車型技術(shù)條件的規(guī)定,而且與廣大乘客的需求背道而馳。

        3.2 關(guān)于電動機(jī)保護(hù)問題

        GB 50157—2013的3.3.6條款解釋稱:“考慮車輛狀態(tài)有所不同,在實(shí)際運(yùn)營過程中也不適宜總是使用最大加速度,在設(shè)計中適當(dāng)保留一定的富裕量。一般以不大于最大加減速度的90%為宜”。該條款的用意是保護(hù)車輛和牽引電動機(jī)。這種擔(dān)心是多余的,因?yàn)闋恳妱訖C(jī)最大電流為2倍保證定額額定電流,制動時電機(jī)的電壓和電流均不能超過額定值的2倍。地鐵車輛廠商提供的資料說明,190 kW牽引電動機(jī),起動時瞬時功率為272 kW,制動時瞬時功率為510 kW。基于性能如此強(qiáng)大的牽引電機(jī),運(yùn)營中使用最大加減速度不應(yīng)再有顧慮。

        在運(yùn)營管理中預(yù)留富裕量的做法,是以車輛最高運(yùn)行速度的90%作為列車正常運(yùn)行速度,預(yù)留的10%富裕量作為調(diào)整列車運(yùn)行秩序的手段,而不是限制列車的加速度或減速度。

        3.3 關(guān)于舒適度問題

        GB 50157—2013的3.3.6條款解釋稱:“考慮到乘客舒適度的要求,不論車輛性能如何,計算時加減速度的量值都不應(yīng)大于0.9 m/s2。此數(shù)值為一般乘客所承受的進(jìn)出站列車加速減速時舒適度的臨界點(diǎn)。

        筆者認(rèn)為,所謂舒適度并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。在同一加速度條件下,不同體質(zhì)和不同年齡人的感覺是不同的。前文所說的中低速磁浮車、低地板有軌電車和跨坐式單軌列車的加速度幾乎都要求大于0.9 m/s2,減速度都要求大于1.1 m/s2。莫斯科地鐵車輛的加速度為1.0~1.1 m/s2,減速度1.2~1.3 m/s2,相信他們不會忽視舒適度問題。

        3.4 加減速度不大于0.9 m/s2的控制范疇不明

        地鐵列車的加速度有兩個標(biāo)準(zhǔn):列車從0加速到40 km/h,其平均加速度為0.83 m/s2;從0加速到80 km/h,其平均加速度不小于0.5 m/s2。也就是說,列車從0加速到80 km/h,其加速度都達(dá)不到0.9 m/s2。表2 中4M2T編制列車平均加速度為0.84 m/s2,表3中 3M3T編制列車平均加速度為0.60 m/s2,均證明了這個結(jié)論。因此,限制列車加減速度的必要性不大。其限制范疇?wèi)?yīng)是從0加速到40 km/h階段,這是牽引電機(jī)的橫轉(zhuǎn)矩控制區(qū),只持續(xù)十幾秒鐘,加速度無法測算。

        4 結(jié)語

        本文研究標(biāo)明,GB 50157—2013規(guī)定牽引計算的起動加速度和制動減速度分別不宜大于最大加速度的90%和常用減速度的90%,導(dǎo)致地鐵列車旅行速度下降,服務(wù)水平降低,造成了負(fù)面后果。雖然采用該措施可減少牽引耗電量0.48 kWh/km,但這不應(yīng)成為地鐵運(yùn)營追求的目標(biāo)。建議對GB 50157—2013第3.3.6條進(jìn)行斟酌修改。

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