列車節能操縱技術研究

向書元，鄧家亮

（1.中國鐵路南寧局集團有限公司 柳州機務段，高級技師，廣西 柳州 545000；2.中國鐵路南寧局集團有限公司 機務部，工程師，廣西 南寧 530000）

1 現狀

列車運行加速與機車能源節約之間是一對既互相依存又互相對立的矛盾關系，列車加速就意味著增加機車能源消耗。目前，列車操縱沿襲傳統操縱模式，加之操縱者對速度與加速度理解不透，缺乏實際運用經驗，造成運輸效率低、能源消耗大等缺點，如何正確運用加速度理論成為列車節能操縱技術的重點研究方向。

2 理論研究

列車加速度表征了作用于列車上的牽引力、基本阻力、制動力三者所形成的合力ΣF，決定了列車運行速度變化的大小和方向，是影響列車安全運行狀態發展趨勢、反映機車乘務員實際操縱技術水平的最重要的因素。

2.1 加速度與節能操縱關系

列車牽引運行中，其功率消耗的能量都是以單位時間進行計算的。在功率一定的情況下，當列車加速，機車最佳加速時機與最佳功率決定了機車能源消耗能量省費程度，既以最佳的功率，用最短的時間，獲得最大的加速度值，從而獲得最大的速度上升空間。當列車速度達到一定范圍值時，運行阻力逐漸增加，速度上升空間逐漸減小，加速度值也隨之逐漸減小，仍大功率運行則效率降低，能源消耗增大。在功率、線路、速度配合的前提下，正確運用加速度就成為列車節能操縱技術的核心。

2.2 運行速度分析

在列車運行中，運行線路時刻處于直線、曲線（換算為坡道直線）、坡道變換中，運行速度也不斷變換，屬變速直線運動。在運用機車功率對列車速度進行調節時，根據前一分段點速度進行評估，判斷列車是否處于正點運行或運緩狀態，再決定加速或減速運行。根據區間里程、運行時分及坡度情況確定列車的平均速度值，從而確定列車運行的正點率，其依據就是無論列車速度如何變化，一定距離s 與運行時間t的比值就是列車的平均速度，如公式（1）所示。

2.3 加速度分析

2.3.1 加速度定義 加速度等于在勻變速直線運動中既時速度ut-初速度uo與所用時間t的比值，用于表示速度變化的快慢程度，加速度的數值表示每秒鐘內速度的改變量，加速度值越大，表示速度變化越快，如公式（2）所示。

2.3.2 加速度方向 加速度是矢量，具有方向。在直線運動中，如速度均勻增加，則a＞0，ut＞uo，表示加速度方向與速度方向相同，其計算結果為正值，叫勻加速運動；如速度均勻減小，則a＜0，ut＜uo，表示加速度方向與速度方向相反，其計算結果為負值，叫勻減速運動；如速度保持不變，則a＝0，ut＝uo，其計算結果為零，屬于勻速直線運動了。

公式4 由初速度uo、既時速度ut、加速度a、位移（路程）s四個不涉及時間t的變量組成，在勻變速直線運動的加速度計算中，只要知道初速度加速到既時速度所用時間，就可以計算出加速距離和加速度值，同理，在知道列車加速度值時，就可以計算出前方一定范圍內的列車既時運行速度。

2.4 應用分析

2.4.1 加速應用 在列車運行中，無論線路縱斷面如何變化，在縱斷面坡度及曲線換算坡度進行簡化折算后，均可視為在直線上運行的一般坡度。在分段操縱中，特別是在列車起動加速或動能加速時，根據列車加速時所用的時間，任一既時速度值都可計算出列車的加速度，進而計算出列車任意時刻的既時速度。

2.4.2 減速應用 在列車制動運行中，可以計算出從初減壓制動速度開始到停車全過程中的列車減速度值或可以根據列車制動曲線運行軌跡中的任意一段計算出列車制動過程中的減速度值。在列車制動過程中，運行線路會產生一定變化，列車制動曲線運行軌跡無法均勻降速，但列車制動終點距離不會變，仍遵循運動學中拋物線的運動軌跡。

2.4.3 影響因素 在列車加速運行中，線路縱斷面、列車速度、列車加速度等因素無法均勻變化，取用列車平均速度，因而計算所得加速度是列車平均加速度。在牽引力一定的情況下，列車質量越小、線路坡度值越小、速度越低，獲得的加速度越大。

3 節能操縱技術應用

列車加速（起動強迫加速或坡道動能加速）的目的是為了提高運行速度、減少能源消耗，合理運用線路縱斷面進行加速，充分發揮列車功率、速度優勢，實現機車功率與列車速度及線路的有效配合，提高機車功率運用效率，達到節能的效果。在列車運行操縱過程中，應根據不同情況決定其操縱姿態。

3.1 即時速度接近或達到線路平均運行速度

根據區間線路運行平均速度或區間各分段點和分段平均速度，判斷列車運行即時速度必須符合列車正點運行要求。

3.1.1 無較大線路變坡 列車速度在接近或達到線路平均運行速度時，盡可能避免大功率強迫加速，采取勻速維持運行姿態。

3.1.2 坡度較小、變化較多的起復坡道 以列車平穩運行為目的，注意坡道變換過程中的小功率調節，采取勻速維持運行姿態。

3.1.3 坡道較大且復雜 在列車平穩運行前提下，可采取下坡大功率加速、上坡小功率維持、平道勻功率平穩的操縱方法，在線路限速允許的條件下，盡可能的避免坡道變坡點惰力運行。

3.2 即時速度必須獲得相對較大的加速度范圍

列車在運行姿態不變的理想狀態下，速度與機車牽引力始終是定值且成反比關系，既速度增長，機車牽引力下降，當達到一定高速度運行范圍時，運行阻力增加，所獲得的速度增長值有限，列車運行加速度減小或轉入勻速、勻減速運動狀態，造成機車功率的浪費和機車能源的無謂消耗。線路在小于-1.5‰的實際下坡或分段線路折算坡度小于-1.5‰的下坡且基本滿足列車加速距離，才能充分發揮機車牽引力獲取相對較大的加速度值和速度上升空間。

3.3 線路平均換算坡度及長度必須具有獲得最大加速度的加速條件

在列車加速過程中，線路平均換算坡度及長度滿足獲得最大加速度的加速條件，方能以機車最大功率代價獲取所需的最大加速度或運行速度。

3.4 前方分段點或區間線路分段具有即時加速條件

列車運行前方線路縱斷面條件，主要是線路換算坡度分布情況，是決定列車運行姿態、機車功率運用及獲取加速度和速度的主要因素，根據線路情況區段換算線路坡道分為全程、區間、區間分段換算線路坡道和實際坡道。

3.4.1 區間里程較短、線路較平緩 以實際坡道為主，在區間取一個特定參考點，觀察列車運行時分及速度，根據前方線路情況決定增加或降低機車牽引力，為獲得理想的加速度和速度，在制定操縱方案時，應考慮前方未來三至五個區間。

3.4.2 區間里程較長、線路較復雜 坡度變化較大時，采用分段折算坡道，可在線路復雜地點或線路平均段將區間線路解剖分段為三至五個參考點，根據各分段參考點線路換算坡度及長度情況，確定列車即時加速價值，進行分段、分時、分速操縱，保持分界點列車平均功率及運行速度的均衡性，確保各分段運行速度及運行時間的總和與整個區間或相鄰兩個區間相符，從而制定相應的平穩操縱方案及機車節能措施。

3.5 把握列車加速最佳時機

在線路縱斷面坡度變坡點，對于列車在坡道轉換過程中機車牽引力的運用，應掌握以下原則：

3.5.1 下坡加速轉入上坡道 在列車速度不再增長或降低前，既加速度趨向于勻速或勻減速運動（a≤0）臨界點（既為列車最佳降低功率運行時機），開始逐漸降低機車牽引力或列車進入惰力運行狀態。

3.5.2 上坡勻減速轉入下坡道 在列車速度開始增長前，既速度趨向于勻速或勻加速運動（a≥0）臨界點（既為列車最佳加速時機），開始逐漸增加機車牽引力，在獲得增長速度且大于1km/h 時既為列車加速最佳時機。

3.5.3 運行試驗 選用DF4D 型客運機車進行試驗，數據對比如表1所示。

表1 試驗數據對比

4 結論

在14萬公里的鐵路運營線上，運行著數以萬計的客、貨運列車，正確理解速度與加速度理論，提升列車操縱技術，充分運用機車性能，是達到列車節能最大化的有效途經，實現此目標則需同行不懈的努力，達到全員節能的目的。