機車牽引式列車設計參數計算程序的開發與應用

王 偉 謝紅太,2 孫榮剛 黨元鵬

(1. 華設設計集團股份有限公司， 南京 210014；2. 蘭州交通大學, 蘭州 730070)

列車牽引計算是一個復雜而龐大的系統，涉及專業領域廣、計算復雜。近年來列車牽引計算已建立了一個較為成熟的可基本覆蓋所有牽引計算問題的計算系統，涉及鐵路運輸、機車運用、選線設計、通信信號及運輸經濟等方面[1-2]。但在新建鐵路機車牽引式列車設計參數的計算、選取等方面，現有的牽引計算系統軟件無法滿足具體特定行業不同部門、不同層次的用戶需求[3-6]。

本文以VB編程語言為基礎，研究開發了新建鐵路機車牽引式列車設計參數計算程序。該程序運用Word軟件的“域”和“宏”兩個功能，應用VBA編程技術以新建鐵路鐵路機務專業設計內容為例子，完成對設計文本、表格等自動處理，打印輸出Word設計檢算報告[7-9]，提高了工作效率和工作質量。

1 新建鐵路列車牽引計算系統設計

1.1 新建鐵路機務設計需求

隨著全國鐵路網的逐步統一和完善，國家對鐵路設計行業提出了更高效、優質、綠色、節能等的設計要求，也對鐵路機務專業設計者提出了更專業的用戶設計需求[10-12]。用戶設計需求主要包括：

(1)面向機務專業設計者的全參數化新建鐵路機車牽引式列車設計參數計算系統。

(2)面向線路、站場、車輛等相關設計專業的核定設計計算系統。

(3)面向業主的簡易核準設計計算系統。

1.2 系統結構設計

新建鐵路機車牽引式列車設計參數計算系統，主要包括數據庫存儲管理系統、牽引設計計算系統及界面系統3個組成部分。系統結構層次如圖1所示。

圖1 系統結構層次圖

1.2.1數據庫存儲管理系統

將截止2018年底國內投入運營的全部客貨用電力機車及內燃機車的基本設計參數統一錄入基于VB語言開發的設計計算系統程序[13-17]。

1.2.2牽引設計計算系統

新建鐵路機車牽引式列車設計參數計算系統主要包括新建鐵路設計參數預處理系統、機車牽引式列車設計參數查詢系統、新建鐵路環境影響修正處理系統、新建鐵路機車牽引重量檢算系統及設計參數輸出處理系統5個模塊[18-20]。

1.2.3界面系統

利用VB語言實現界面系統的可視化，新建鐵路機車牽引式列車設計參數計算系統的主界面如圖2所示。

1.3 新建鐵路設計機車牽引計算參數設計開發

新建鐵路在設計過程中，對線路縱斷面和機車交路的優化，須進行牽引計算分析[21-25]，主要包括牽引種類的選擇、機車類型的選定、機車牽引重量(牽引定數)的確定、是否需要多機牽引核準、環境影響因素修正、列車阻力計算、牽引重量檢算等[26-27]。

基于VB語言的新建鐵路機車牽引式列車設計參數計算程序系統整體流程如圖3所示。

1.3.1系統初始化設計

系統初始化設計內容包括牽引種類的選擇、機車類型的選定、機車牽引重量(牽引定數)的確定、是否需要多機牽引核準、境影響因素修正、牽引重量檢算等方面。

主要代碼如下：

Private Sub Form_Resize() ′軟件界面窗口調整

Image1.Width=Me.ScaleWidth

Image1.Height=Me.ScaleHeight

End Sub

……

If OptionButton1.Value=True Then

圖2 軟件用戶主界面圖

圖3 軟件系統整體流程圖

Combo1.Clear

Combo2.Clear

Combo3.Clear

Combo4.Clear

Combo5.Clear

Combo1.AddItem "DF4"

Combo1.AddItem "DF4B"

……

ElseIf OptionButton2.Value=True Then

Combo1.Clear

Combo2.Clear

Combo3.Clear

Combo4.Clear

Combo5.Clear

Combo1.AddItem "SS1"

Combo1.AddItem "SS3"

……

OptionButton1.Value=False

End If

Combo2.AddItem "默認計算海拔(700m)"

Combo2.AddItem "≤700m"

Combo2.AddItem "1000m"

……

Combo3.AddItem "默認計算溫度(30℃)"

Combo3.AddItem "<30℃"

……

Combo4.AddItem 1000

Combo4.AddItem 2000

……

Combo5.AddItem 1

Combo5.AddItem 2

……

Combo1.Text=Combo1.List(0) ′默認初始化參數選擇

Combo2.Text=Combo2.List(0)

Combo3.Text=Combo3.List(0)

Combo4.Text=Combo4.List(4)

Combo5.Text=Combo5.List(0)

1.3.2新建線設計限坡計算

根據列車運動方程式[28-29]，列車做等速運行時，在限制上坡道ix上合力為零的條件為：

(1)

得出列車以機車持續速度牽引設計牽引重量運行時限制坡度為：

(2)

在多機牽引或補給推送時的坡度為：

(3)

式中：Mg——單機和加力牽引重量(t)；

Mp，Mpk——機車計算質量(t)；

Mpk——第k臺機車計算質量(t)；

Fc——機車牽引力(N)；

Fck——第k臺機車的牽引力(N)；

λy——機車牽引力使用系數，取λy=0.9；

ix——限制坡度；

ijl——加力牽引坡度；

w′0——機車計算速度vj下的機車基本阻力(N/kN)；

w″0——機車計算速度vj下的車輛基本阻力(N/kN)；

w′0k——第k臺機車在機車計算速度vj下的機車基本阻力(N/kN)；

w″0k——第k臺機車在機車計算速度vj下的車輛單位基本阻力(N/kN)；

λk——第k臺機車牽引力取值系數。

其中第k臺機車牽引力取值系數λk，機車多機牽引使用重聯線或同步裝置操縱時，每臺機車的牽引力均取全值，λk=1，分別操縱時，第2臺機車及其以后每臺機車的牽引力均取全值的98%，λk=0.95。

1.3.3內燃機車牽引力修正

各型內燃機車在周圍空氣溫度不高于30 ℃、海拔不超過700 m的地區運行時，機車牽引力不做修正。

(1)周圍空氣溫度修正

截止2018年底全路投入運營的內燃機車中，DF4(客、貨)、DF4B(客、貨)、DF4C(貨)、DF8及DF11型機車在溫度高于30℃的地區運行時，需進行機車牽引力修正，修正系數λh參照文獻[13]表12內燃機車牽引力周圍空氣溫度修正系數。

(2)海拔修正

截止2018年底全路投入運營的內燃機車中，DF4(客、貨)、DF4B(客、貨)、DF7D、DF8、DF11、DF8B(高原)及NJ2型機車在海拔高于700 m的地區運用時，需進行機車牽引力修正，修正系數λp參照文獻[13]表13內燃機車牽引力海拔修正系數。

1.3.4牽引重量檢算

對ix的選值，需檢算牽引重量是否受列車起動條件、車站到發線有效長及車鉤強度三者任一條件的限制，否則應降低牽引定數或對限制條件進行調整優化[30-31]。

(1)牽引重量檢算

①起動檢算

起動檢算是檢查列車在車站停車后能否順利起動。假設列車起動時的牽引力等于總阻力，即：

(4)

得：

(5)

式中：Fq——機車計算起動牽引力；

w′q——機車單位起動阻力，取5.0N/kN；

iq——啟動地段的加算坡度值。

當Mq≥Mg時，列車可以起動，檢算通過；當Mq

②車站到發線有效長檢算

車站到發線有效長檢算是檢查列車牽引重量是否受車站到發線有效長度的限制。

Myx=(Lyx-La-NjLj)×q

(6)

式中:La——安全距離，一般取30 m；

Lyx——到發線有效長度；

Lj——機車長度；

Nj——列車中機車臺數；

q——列車每延米質量(t/m)。

當Myx≥Mg時，牽引重量不受到發線有效長度限制；當Myx

③車鉤強度檢算

在加力牽引上坡道上，若機車用重聯方式牽引，第1位車輛的車鉤所受拉力可能超過車鉤允許強度。

(7)

式中:Fn——車鉤允許拉力；

ijl——加力坡度；

w″0——按在ijl坡上的列車均衡速度計算的車輛基本阻力。

當Mc≥Mg時，應采用補機推送方式。

(2)牽引重量檢算主要程序設計代碼

主要代碼如下：

……

Private Sub CommandButton1_Click()

Label35="——"

Label38="——"

Label40="——"

Label35.ForeColor=vbGreen

Label38.ForeColor=vbGreen

Label40.ForeColor=vbGreen

jdq=5 ′機車單位起動基本阻力(N/kN)

hdq=3.5 ′貨車單位起動基本阻力(N/kN)

la=30 ′安全距離(m)

lyx=Val(Text2.Text) ′到發線有效長(m)

nj=Val(Combo5.Text) ′重聯機車數量

qlm=5.677 ′列車每延米質量/(t/m)

If Label2.ForeColor=vbRed Or Label7.ForeColor=vbRed Then

Label35="——"

Else

gq=(0.9*fq*1000 - mp0*(jdq+Val(Text1.Text))) / ((hdq+Val(Text1.Text))*9.81)

If gq>=Val(Combo4.Text) Then

Label35="校驗通過"

ElseIf gq

Label35="校驗失敗，請減小牽引重量或降低站坪設計坡度。"

Label35.ForeColor=vbRed

End If

End If

If Label2.ForeColor=vbRed Or Label7.ForeColor=vbRed Then

Label38="——"

Else

gdf=(lyx - la - nj * li) * qlm

If gdf >= Val(Combo4.Text) Then

Label38="校驗通過"

ElseIf gdf < Val(Combo4.Text) Then

Label38="校驗失敗，請減小牽引重量或增大到發線有效長。"

Label38.ForeColor=vbRed

End If

End If

If Label2.ForeColor=vbRed Or Label7.ForeColor=vbRed Then ′Label40="——"

Else

gg=562500 / 9.81 / (w2 + pd) ′車鉤允許拉力按(13#)562500N設計計算

If gg >= Val(Combo4.Text) Then

Label40="——" ′校驗失敗，請減小牽引重量或采用補給推送方式

Label40.ForeColor=vbRed

ElseIf gg < Val(Combo4.Text) Then

Label40="——" ′校驗通過

End If

End If

End Sub

……

2 新建鐵路列車牽引計算設計參數報告輸出

2.1 設計報表生成系統

設計報表生成系統可根據數據文件完成對文檔結構、文字、表格、圖形的自動化處理。設計報表生成系統的實現框架示意如圖4所示。

圖4 設計報表生成系統實現框架示意圖

2.2 設計報表生成系統主要代碼

設計報表生成系統的部分重要代碼如下：

Private Sub CommandButton2_Click()

Dim WordApp, Word As Variant ′定義Word文檔對象

Set WordApp=CreateObject("Word.Application") ′創建Word文檔

Set Word=WordApp.Documents.Add ′給工作表變量賦值

WordApp.Visible=True

Dim Table '定義一個表格

With Word '打開Word文檔

……

.Paragraphs(.Paragraphs.Count).Range.Font.Name="隸書" ′Word文檔格式設定

.Paragraphs(.Paragraphs.Count).Range.Font.Size=40

.Paragraphs(.Paragraphs.Count).Range.Font.Bold=True

.Paragraphs(.Paragraphs.Count).Alignment=wdAlignParagraphCenter

.Paragraphs(.Paragraphs.Count).Range.Font.Underline=wdUnderlineNone

.Content.InsertAfter vbCrLf & "新建鐵路機車牽引設計參數計算報表" & vbCrLf & vbCrLf & vbCrLf & vbCrLf

……

.Paragraphs(.Paragraphs.Count).Alignment=wdAlignParagraphCenter

.Tables.Add Range:=.Range(Start:=.Range.End - 1, End:=.Range.End), NumRows:=6, NumColumns:=3, _

DefaultTableBehavior:=wdWord9TableBehavior, AutoFitBehavior:=wdAutoFitFixed ′根據表格中的內容自動調整單元格的大小，整個表格大小自動調整。

Dim h, zt, wt ′定義表格字體格式變量

h=15: zt=14: wt="宋體"

With .Tables(1)

.Cell(1, 1).Range.Font.Name=wt

.Cell(1, 1).Range.Font.Size=zt

.Cell(1, 1).Range.Font.Bold=True

.Cell(1, 1).Range.Rows.Height=h

.Cell(1, 1).Range.Text="序號"

.Cell(2, 1).Range.Font.Name=wt

.Cell(2, 1).Range.Font.Size=zt

.Cell(2, 1).Range.Font.Bold=True

.Cell(2, 1).Range.Rows.Height=h

.Cell(2, 1).Range.Text="1"

……

2.3 輸出打印設計報表

以某新建鐵路程項目設計采用DF8B(高原)型內燃機車為例輸出打印設計報表。

2.3.1設計技術標準報表

根據新建鐵路工程線路設計主要技術標準，經新建鐵路機車牽引式列車設計參數計算平臺設計、計算并檢驗通過后，推薦的機務設計主要技術標準如表1所示。

表1 設計機務主要技術標準表

2.3.2設計機車基本計算參數報表

設計機車基本計算參數如表2所示。

表2 設計機車計算參數詳表

2.3.3本線設計坡度報表

計算輸出本線設計坡度值為4.10(4)‰，設計取值4‰。

2.3.4機車牽引重量檢算報表

機車牽引重量的起動、到發線有效長及車鉤強度檢算情況如表3所示。

表3 設計機車牽引重量檢算報表

2.3.5報表輸出

打印輸出報表模板主要包括設計技術標準、設計機車基本計算參數、本線設計坡度、機車牽引重量檢算及設計檢算說明等5部分，如圖5所示。

圖5 設計報表模板圖

3 結束語

基于VB應用程序設計開發的新建鐵路機車牽引式列車設計參數計算系統在內燃機車及電力機車基本性能參數查詢、機車運用環境影響因素精準修正、設計方案比較分析及牽引重量檢算核準等方面為設計者和客戶提供了一個全方位的高效設計檢算平臺。在此基礎上期待后續行業內提出更為完善、高效便捷的機務設計檢算程序。