100km/h線路節(jié)能坡縱斷面設(shè)計研究

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%。對于最高運行速度100km/h的列車，采用長度為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)至市中心的出行時間控制在1h以內(nèi)，一些城市軌道交通線的最高運行速度設(shè)計標(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)計問題。

1、節(jié)能坡設(shè)計基本思路

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

2、節(jié)能坡設(shè)計

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‰，坡長設(shè)置為250m比較合適。經(jīng)過牽引計算模擬和工程案例分析，最高速度為100km/h的線路上，加速坡的長度及坡度均應(yīng)較80km/h線路有所增加，因此，本文在每個區(qū)間設(shè)計了30‰、25‰、20‰3種加速坡坡度，每組坡度下加速坡的坡長分取為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行阻力相平衡，可使列車既不耗電又能保持目標(biāo)速度運行。然后接續(xù)一個反向連續(xù)坡，使列車逐漸減速，為列車進站制動創(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隧道結(jié)構(gòu)時，因左右線要求等高，因此節(jié)能坡的設(shè)計應(yīng)綜合考慮上下行列車區(qū)間內(nèi)加減速運行等因素，一般兩個連續(xù)坡的坡長和坡度宜應(yīng)相同，坡長一般為兩車站區(qū)間長度減去兩端車站坡，再減去節(jié)能坡及制動坡的長度后的一半。當(dāng)左右線分為兩個單線隧道時，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的長度可適度增長。

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、最高運行速度100km/h、四動兩拖的A型車為例，按照列車阻力曲線，列車速度在100km/h時，其單位運行阻力為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，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‰，此時列車基本能維持最高速度運行。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 制動坡

制動坡坡度一般略小于加速坡坡度，具體坡度值根據(jù)計算確定。

3、不同站間距節(jié)能坡組合設(shè)計

根據(jù)歷史研究，采用最高運行速度100km/h的列車時合理站間距離約為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。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)能坡上運營時牽引能耗列出，如表所示。

通過模擬得出，加速坡的長度和坡度對列車在區(qū)間運行時間影響不大。在列車最高運行速度為100km/h的條件下，在區(qū)間長度為2-3km時，按照各種組合結(jié)果，節(jié)能坡坡度設(shè)為30‰，坡段長度取為350m，最為節(jié)能。在區(qū)間長度為3.5km時，在列車最高運行速度為100km/h的條件下，節(jié)能坡坡度取為20‰時最為節(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，列車在運行至區(qū)間后半段時，在連續(xù)坡二上的速度不斷下降，在后面制動坡坡度比較大的情況下，列車速度下降到過低，不能滿足列車運行要求而不得不進行二次牽引加速，從而導(dǎo)致了能耗的突然增加。而制動坡坡度適度減小，使得列車速度下降不會過快，避免了二次牽引。

4、結(jié)束語

不同車型，不同的列車目標(biāo)速度，不同的車輛設(shè)計擁擠度，不同的列車動拖比等因素，均對列車節(jié)能坡的具體設(shè)計有一定的影響，設(shè)計時需要綜合比選，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)計研究院）