城市軌道交通既有線與延長線的蓄電池工程車適應性研究

覃才

（廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣東廣州 510010）

0 引言

由于城市軌道交通既有線與延長線在線路條件上存在差異，因此蓄電池工程車的作業范圍應以實際線路條件為基礎進行考慮。現實中，蓄電池的續航能力有限導致其作業范圍受限。工程車通常于段場內整備存放，作業完成后需返回段場，由于段場選址取決于上位規劃，不可輕易調整，因此需對工程車的作業能力進行核算，對工程車的應用策略進行調整，以確保其作業范圍實現全線覆蓋。同時，既有的蓄電池續航能力研究中，對于計算輸入的線路參數，多采用固定理想化取值，且未考慮平面曲線因素。文章基于線路不同區段的實際參數（坡度、豎曲線、平面曲線等）進行研究，為蓄電池工程車作業范圍的計算、作業模式及策略的制訂提供借鑒[1]。

1 蓄電池工程車適應性分析

1.1 影響適應性的主要因素

工程車的使用場景決定了其運用于不同線路的適應性。其主要使用場景如表1 所示。

表1 蓄電池工程車主要使用場景

根據工程車的使用場景，在段內作業時，既有線與延長線的段內線路條件一致，均為同一半徑且無坡度，對于同一線路，所采用的電客車、平板車在負載上基本無差別。因此，在段內調車時，其適用性契合；正線作業時，主要受線路參數的影響[2]。

研究其適應性，需根據既有線與延長線的線路參數，核算既有線工程車的續航能力，得出續航能力對應的可覆蓋作業范圍，在此基礎上考慮延長線工程車的能力需求及應用策略[3]。

1.2 工程車作業可覆蓋范圍

以廣州市已運營的18&22 號線及其在建延長線為例。其線路分布如圖1 所示。

圖1 18&22 號線及其在建延長線分布圖

續航能力計算如下：

設軌道車重量為M（單位：t）；負載重量為Q（單位：t）；蓄電池工程車運行速度為v（單位：m/s）；蓄電池額定電壓為V、放電容量系數為η；線路坡度為i；線路平面半徑為R。

根據線路不同的坡度、半徑，將其劃分為若干個區段，每個區段的長度為Sj，線路總長度S=∑Sj（j=1～n），n 為線路劃分的總區段數。根據《列車牽引計算規程》（TB/T 1407—1998），列車阻力由車輛在平直道上的阻力、坡道阻力和曲線附加阻力三部分組成。

第一，車輛在平直道上的阻力為F0：

式（1）中：F0′為車輛基本運行阻力；F0″為車輛單位基本阻力。

第二，車輛的坡道阻力為Fi：

第三，曲線附加單位阻力為FR：

由式（1）～（3）可知，車輛在平直道上的阻力僅與行駛速度相關；結合式（4）～（5），可計算得出該區段的列車阻力（即所需牽引力）Fj=F0+Fi+FR（kN），則該區段的輪周功率Pj=Fj×v/3.6（kW），該區段所消耗的電池容量Cj=Pj/（V×η）。

設蓄電池總容量為Ct，根據目前市場調研情況，蓄電池剩余電量小于總容量的20% 則不建議繼續使用。

若在第a（1≤a＜n）個區段，Ct×（1-20%）≥∑Cj（j=1～a）且同時Ct×（1-20%）＜∑Cj（j=1～a+1）時，僅蓄電池供電的情況下，推導出可行駛最大單程距離為Smd=∑Sj（j=1～a）+[Ct×（1-20%）-∑Cj（j=1～a）]×Sa+1/Ca+1。

若在第b（1≤b＜n）個區段，Ct×（1-20%）≥2∑Cj（j=1～b）且同時Ct×（1-20%）＜2∑Cj（j=1～b+1）時，僅蓄電池供電的情況下，推導出可行駛最大折返距離為Smd=∑Sj（j=1～b）+[Ct×（1-20%）-2∑Cj（j=1～b）]×Sb+1/2Cb+1。

若Ct×（1-20%）＞∑Cj（j=1～n），則蓄電池續航能力大于對應線路單程的全線作業需求；若Ct×（1-20%）＞2∑Cj（j=1～n），則蓄電池續航能力大于對應線路折返的全線作業需求。

根據上述推導，結合廣州市18&22 號線既有線及延長線的線路平縱斷面圖及相關數據資料，通過編程計算，以各段場為工程車出發點，得出蓄電池工程車單程及折返最大行駛距離，進而得出工程車作業可覆蓋范圍。其中，出于維護檢修便利性考慮，計算延長線的工程車可覆蓋范圍時優先考慮與既有線采用同一型號，其基本參數一致[4]。

結合廣州地區工程車作業的規定及運營習慣，計算工況如下。

第一，正線常規作業：雙機牽引平板車，前往作業點及返回段場的過程中均考慮平板車牽引負載。

第二，正線救援作業（少數情況下考慮蓄電池工程車救援）：雙機牽引，由段場趕往作業點不帶負載，返回段場時考慮電客車牽引負載。

蓄電池工程車運行路徑如圖2 所示，蓄電池工程車可覆蓋范圍計算結果如表2 所示。

圖2 蓄電池工程車運行路徑示意圖

表2 蓄電池工程車可覆蓋范圍

由表2 可知：

第一，采用單程作業模式時，對于常規作業及救援作業，路徑3～12 的單程可覆蓋距離均大于實際路徑距離，且路徑1、路徑2 對應的端點站進行折返作業時，兩端可覆蓋距離之和大于實際路徑距離。因此，18&22 號線既有線及延長線在采用“本段場—正線—下一段場”的運作模式時，蓄電池工程車的能力范圍可覆蓋全線。

第二，若采用折返作業模式，對于常規正線作業，路徑4、路徑8 無法單獨從某一段場覆蓋整個路徑，需以兩個相鄰的段場為端點，根據可覆蓋范圍，結合實際運營條件，在對應的連接路徑上劃分各自負責的作業范圍，通過兩個段場各負責該路徑的一部分正線作業，完成對路徑作業的全覆蓋。對于正線救援作業，路徑3～6、路徑8～9 和路徑11 也需采用此策略方能達到全覆蓋。

2 結語

文章基于實際線路條件參數研究了工程車作業能力及覆蓋范圍，不同的線路條件對工程車作業的可覆蓋范圍影響較大，其計算必須以線路條件為基礎才能更符合實際情況。相關結論對后續在設計階段充分考慮既有線與延長線之間、線路與線路之間以及線網層面的工程車作業模式及作業策略有一定的參考價值和借鑒意義。