動車組牽引計算規程編制前期研究*

黃　金， 張　波

(中國鐵道科學研究院　機車車輛研究所， 北京 100081)

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動車組牽引計算規程編制前期研究*

黃金， 張波

(中國鐵道科學研究院機車車輛研究所， 北京 100081)

隨著高速鐵路及電動車組的發展，對電動車組列車的牽引計算提出了新的要求，如動車組操縱方式和控制下的能耗計算得到更多關注。針對電動車組控制特點及牽引計算需求對動車組牽引計算規程編制進行前期探討和研究。

動車組； 牽引計算

我國目前運用的電動車組編組為固定編組，不可解編運行，8輛編組列車可兩列重聯運行，國內已有動車組均為動力集中型動車組，結構及特性有別于機車牽引式列車。動車組牽引計算與機車牽引式列車的牽引計算需求不同，同樣具有重要意義。

(1) 高速動車組輔助設計優化。動車組牽引頂層設計方案提出之前，需要對其動力配置、牽引特性、制動特性、阻力等參數進行仿真計算并調整，以提高設計效率。

(2) 優化列車運行時分、能耗等運營指標。結合實際運用線路和動車組模型，可對動車組運行圖和能耗進行前期仿真，對運行圖的制定和能耗經濟性提供仿真結果支撐。另外，目前列車優化操縱也逐漸成為一個研究方向，動車組牽引計算是支撐研究成果的有力方式。

(3) 線路試驗的重要仿真計算手段。動車組投入運用前，需要開展一系列型式試驗及科學試驗。在線路條件確定的情況下，通過試驗前的仿真計算，對試驗方案的制定提供指導，提高試驗效率。在動車組沖高試驗中，牽引計算還可對牽引功率和平衡速度進行估算，對沖高線路點進行安全要求及防護。

(4) 為挖潛提效和提速安全提供科學的依據。通過仿真計算，提前獲知既有線是否還能提速、缺失部分動力的列車能否繼續運行、新型列車或線路能否滿足運營要求等信息，確保合理可行，并可據此制定安全規章，進行事故分析。

國內外已有多家單位對牽引仿真計算軟件進行了開發，但開發依據均為《列車牽引計算規程》(機車牽引式列車)，接口輸入條件為牽引機車和被牽引列車參數及線路條件，輸出主要局限于速度、運行時分等參數，功能單一且準確性不高。這些軟件對于動車組牽引計算可參照機車牽引式列車執行，但由于缺少相應的參數輸入接口和邊界條件限定對于能耗計算的準確性也無法滿足實際運用的需求。一方面是由于牽引計算仿真軟件的局限，另一方面由于《列車牽引計算規程》未提供電動車組相關技術參數和控制特點，無法進行精確計算。在高速鐵路不斷發展的形勢下，動車組牽引計算規程的編制十分必要和迫切。

1　動車組牽引計算需求

動車組牽引計算的用戶主要集中在設計院，研究所，主機廠，鐵路局，對于牽引計算的需求主要包括線路能耗評估，運行圖模擬，牽引系統輔助設計等。

中國中鐵二院工程集團有限責任公司節能軟件開發方案中提及關于動車組牽引計算的需求主要為能耗評估。方案認為動車組作為軌道交通系統中的主要能耗來源，其節能措施和能效指標應作為節能評估中的重點研究對象。

中車青島四方車輛研究所有限公司對牽引計算軟件的需求主要包括針對動車組牽引計算及線路仿真，可方便對CRH2、CRH3、CRH5等動車組進行建模(軟件可提供3種型號動車的現成模型數據)，對各動車組平臺計算不同線路譜、不同編組的牽引參數，實現列車運行控制算法。仿真考慮客運專線電分相裝置對列車運行的影響，并模擬自動過分相裝置。另外還要求軟件具有隧道阻力輸入接口，仿真計算時可根據需要選擇是否考慮隧道阻力。牽引計算輸出結果應包括電機轉矩-轉速、電機功率-轉速等。

基于以上用戶需求，在原有《列車牽引計算規程》的框架基礎上，對《動車組牽引計算規程》增改以下內容：

(1) 動車組作用力

動車組牽引計算基礎是列車合力的計算及分析，其基本原則及解算方式與機車牽引式列車相同。

針對既有動車組特點，細化各型動車組牽引力輸出方式，如將現有CRH2有級牽引控制+恒速控制，CRH3百分比無級牽引+牽引力限制+目標速度控制體現在牽規中，使得不同車型在牽引計算電算時正確區分，因為這會直接影響運行時分解算和能耗計算。以CRH2系列動車組恒速控制為例，控制方式如圖(1)所示：

圖1　恒速控制轉矩圖

牽引變流器接收到恒速指令時，將當時的速度作為恒定速度，為保持此速度依據轉矩圖形按照速度偏差進行恒速控制。恒定速度的設定范圍為30～350 km/h，在該范圍內的各速度點的整車阻力不一樣，恒速控制時的牽引模式下的給定力矩曲線會隨恒定速度的大小進行切換，恒定速度越大，在相同速度偏差時的給定力矩越大；恒速控制時的制動模式下的給定力矩曲線不會隨恒定速度的大小進行切換，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，恒速控制有效。

(2) 制動力

動車組制動力特性設計與機車牽引式列車有所不同，動車組的制動主要采用BCU (制動控制單元)控制的復合制動，以動力制動為主，空氣制動為輔，按照減速度要求給定制動力。在設計制動控制時的原則是充分利用動力制動能力。在充分利用動力制動能力的前提下，配合控制各種制動方式，在制動時，優先采用動力制動，仍不能滿足制動指令要求時，追加空氣制動。各車型制動特性、減速度特性設計不同，因此動車組牽引計算規程中需增加描述動車組分級常用制動特性、EB制動特性、UB制動特性的描述，給出國內既有車型的制動減速度-速度特性，描述不同車載控制算法下該特性與制動力-速度特性之間的區別與聯系。以中國標準動車組制動特性為例，圖2為再生制動特性。

圖2　速度350 km/h標準動車組再生制動特性

停車制動過程中，空氣制動與動力制動的轉換應平穩，即動力制動力的陡降梯度與電空制動力陡增的梯度相匹配，該過程應在列車速度降低到10 km/h前完成。

制動系統施加常用制動時，各級減速度(不含風阻)控制曲線如圖3所示。

圖3　速度350 km/h標準動車組各級減速度控制曲線

(3) 過分相

動車組過分相方式主要分為磁缸自動過分相、ATP自動過分相、手動(半自動)過分相三種模式，動車組實際運用中根據路局要求還可能存在手動斷主斷的過分相方式。不同過分相方式下動車組各系統響應方式和時間有所不同，部分動車組根據牽引系統特點，有過分相過程中電機輕微電制發電維持中間電壓的設計，因此各種因素造成的列車速度時分損失有所不同。以CJ2型動車組GFX自動過分相為例，動車組過分相示意如圖4所示。

圖4　動車組過分相示意圖

GFX裝置正常工作時，系統自動過分相的動作順序如下:

GFX主機工作正常，司機臺上GFX裝置工作燈亮。動車組進入分相區，GFX裝置接收到G1預警信號，司機臺上的預警指示燈閃亮；牽引變流器切換到電壓保持狀態，(目前TCU設置初速度大約70 km/h可以產生再生，速度降到40 km/h電壓保持將失敗)，輔助變流器正常工作；主斷路器自動斷開，司機臺顯示屏顯示主斷路器斷開；列車進入無電區，牽引電機根據速度決定是否再生發電；列車駛出無電區，GFX裝置接收到G3恢復信號，司機臺上的預警指示燈閃亮；系統檢測到網壓后，主斷路器自動閉合；牽引變流器電壓保持狀態結束，列車牽引力自動恢復。

(4) 能耗計算

動車組運行主要分為4個過程：牽引過程、恒速過程、制動過程、過分相過程，見圖5，由于電機功率發揮、效率、輔助功率等因素，能耗計算時需要對各個過程分別考慮。動車組牽引計算規程中需增加動車組能耗計算的內容，在沿用機車牽引式列車有功電流計算能耗的描述方式和方法的基礎上，對動車組能耗計算進行細化和歸類。引入動車組恒速運行百公里人均能耗等概念，對動車組自用電、輔助能耗等方面，考慮以輔助功率發揮代替，不失精度，同時簡化計算。以CRH380AL及CRH380BL動車組京滬線能耗統計為例進行介紹，表1為兩列動車組不同速度級下恒速運行時百公里人均能耗統計。

圖5　動車組運行過程示意圖

速度級/(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　動車組牽引計算規程編制遺留問題

(1) 動車組阻力

動車組的運行阻力包括基本阻力和附加阻力：基本阻力是構成動車和拖車的零部件之間的運動阻力、運行中的空氣阻力，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。

國內既有動車組阻力公式均已通過型式試驗取得(定員載荷)，在動車組牽引計算規程中會進行編訂。坡道阻力和曲線阻力暫按《列車牽引計算規程》機車牽引式列車篇進行規定。

列車進入隧道時，對隧道內的空氣產生沖擊作用，使列車頭部受到突然增大的正面壓力。進入隧道后，列車驅使空氣移動，造成列車頭部的正壓與尾部負壓的壓力差，產生阻礙列車運行的阻力。由于動車組特有的高速特性及頭型因素與機車牽引式列車存在差異，且沒有試驗數據的支撐，尚不足以整理出簡便的可正式頒布的計算公式，理論上計算隧道附加阻力尚不成熟，因此仍采用《列車牽引計算規程》機車牽引式列車篇中的隧道阻力公式。

(2) 動車組復雜工況下的能耗

前面提及動車組運行能耗計算的基本原則，該計算的前提均為理想條件，即動車組無故障全動力運行(部分動力情況下動車組加減速運行和定速控制響應時間有差別)、網壓在牽引功率可正常發揮的范圍內(22.5～29 kV)、網側諧波不超標(諧波影響牽引變壓器效率及網側功率因數)、無側風影響等。動車組實際運用條件下不可能存在如此理想的情況，因此通過牽引計算得出的能耗值僅可作為設計過程中的參考值，還需實際運用中的大量長時間能耗統計進行修正。因此動車組復雜工況下的能耗計算內容無法體現在動車組牽引計算規程中。

3　結束語

(1) 動車組牽引計算在動車組牽引頂層設計、性能優化、試驗驗證等方面起到重要作用，具有動車組運用及控制特點的牽引計算規程亟需編制并發布。

(2) 車組牽引計算規程對牽引質量校驗的功能已不再需要，轉而以能耗計算、運行時分計算為主。

(3) 隨著研究的深入，動車組牽引仿真計算規程的參數需進一步完善，如隧道阻力等。另外目前已有軟件輸入對牽引電機等部件級的特性仿真提出了要求，后續工作將考慮對既有動車組的部件參數進行完善，更好地服務于我國高速鐵路的發展。

[1]中華人民共和國鐵道部.TB/T 1407-1998．列車牽引計算規程[S].

[2]康熊.高速動車組列車牽引仿真計算技術研究[J].中國工程科學,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

*中國鐵路總公司科技研究開發計劃課題(2014J012-D)