基于福州地鐵1 號線的城軌車輛動態行駛仿真研究

2023-12-09 08:07:42孫應東張榮佳赫宏聯元世斌費久利

機電產品開發與創新 2023年6期

李虎，孫應東，張榮佳，赫宏聯，元世斌，費久利

（中車唐山機車車輛有限公司，河北唐山 063000）

0 引言

根據福州地鐵1 號線項目合同中規定，地鐵列車交付前，需按預驗收例行試驗大綱要求完成40km/h、80km/h兩個速度等級的加速性能測試和最大常用制動性能測試，完成40km/h、60km/h、80km/h 三個速度等級的緊急制動性能測試。根據《城市軌道交通車輛組裝后的檢查和試驗規則》（GB 14894—2005）中6.5 章節的相關要求，該試驗的試驗線路條件為平直線路。地鐵公司應根據《地鐵設計規范》（GB 50157—2013）中27 章節的相關要求，地鐵公司需建設相應的滿足試車速度要求的試車線，為車輛制造商在用戶現場進行列車加速性能和制動性能測試等試驗提供條件[1]。

唐山公司的首個地鐵訂單——福州地鐵1 號線運輸至用戶現場后，福州地鐵公司的試車線還未建成，僅正線完成部分區段建設。列車試驗面臨無試車線進行相關試驗的困難，嚴重制約車輛交付計劃的兌現。

本文通過對福州地鐵1 號線正線線路參數分析的基礎上，在正線選取可用于加速性能和制動性能測試試驗的區段，結合車輛本身特性開展牽引、制動理論計算和仿真研究，形成正線復雜線路條件（坡度、限速、曲線）下的試驗方法，并進行實車運行驗證。對車輛順利交付起到積極地推進作用。

1 線路條件分析及仿真計算參數說明

1.1 福州地鐵1 號線線路狀況信息

由于福州地鐵1 號線長近25km，仿真選取白湖亭至福州南站上行區間為試驗區間，計算所需原始資料主要包括：

（1）線路站臺信息見表1。

表1 白湖亭到福州南站線路站臺信息

（2）線路的斷面參數，即坡度和限速見表2 和表3。

表2 白湖亭到福州南站線路坡度

表3 白湖亭到福州南站限速值

（3）仿真區段線路的限速值見表3。

根據表2 和表3 線路具體參數，線路區間白湖亭—黃山和排下—三角埕為直線段，且無速度<80km/h 的限速要求，具有車輛動態試驗運行的初步條件。考慮到白湖亭—黃山距離清涼山停車場較遠的實際情況，為降低列車試驗階段的風險，選定排下到三角埕區間開展例行試驗仿真研究。

1.2 列車基本參數及牽引和制動簡介

福州地鐵1 號線車輛采用6 輛編組（4M2T 配置），編組圖如圖1 所示。

圖1 福州地鐵列車編組圖

Tc 車重為30.942t， Mp 車重為33.699t，M 車重為33.439t。Tc 車長度（車鉤連接面之間長度）為20.290m，M車長度（車鉤連接面之間長度）為19.520m，列車長度為118.660m。列車平均啟動加速度（0～40km/h）為≥1.0m/s2，平均加速度（0～80km/h）為≥0.6m/s2，列車牽引計算粘著系數≤0.165。列車最大常用制動減速度≥1.0m/s2，緊急制動減速度≥1.2m/s2。

福州地鐵1 號線車輛牽引系統由受電弓、高壓箱、牽引逆變器箱和牽引電機等部分組成。牽引系統采用集成式VVVF 逆變器-異步牽引電動機構成的交流傳動系統，牽引電機采用車控方式，由一個VVVF 逆變器單元為一輛動車上4 臺牽引電機供電。

列車牽引力-速度特性包括恒力區、恒功率區和降功區，詳見圖2 中牽引力特性曲線。其中，恒力區域恒定牽引力Ft（kN）和恒功率區恒功率Pt（kW）分別為；

圖2 不同工況下列車牽引/電制動特性曲線

式中：Ms—列車靜態質量（t）；ast—列車起動加速度（m/s2）。

式中：vt—恒定功率轉折點速度（km/h）。

牽引力的大小由列車的牽引特性曲線決定，其取值與牽引手柄位和列車運行速度有關[2]。牽引力的大小還要考慮粘著力大小，即FL2=μ0×WL，μ0為粘著系數，WL 為列車整車重量。牽引力的確定是列車牽引計算的關鍵，其取值需要符合項目線路的實際情況且盡量精準。一般地，列車運行速度在3.0km/h 以下時被認為是起動狀態，可以采用粘著牽引力計算；超過3.0km/h 時，原則上必須按照牽引特性曲線取牽引力值。

福州地鐵1 號線車輛列車制動由電阻制動、空氣制動和停放制動3 種制動方式組成。常用制動采用電制動優先、電制動不足時由空氣制動補足的微機控制的混合制動方式。快速制動由電制動和空氣制動混合提供。列車充分利用輪軌粘著條件，并按列車載重量從空車到超員范圍內自動調整電制動力的大小及補充空氣制動，使列車在空車至超員范圍內保持制動減速度基本不變。

列車制動力-速度特性中，列車制動力FB（kN）、列車電制動力FRB（kN）和電制動轉矩（N·m）—轉速特性分別為：

式中：ab_max為列車最大制動減速度（m/s2）。

式中：FMB—單電機制動力（kN）；ηGear—齒輪傳動效率；N—電機總數；Nb—損失電機數。

式中：n—電機轉速（r/min）；v—車輪線速度（km/h）；Tm—電機制動轉矩（N·m）；D—動輪直徑（mm）；λGear—齒輪傳動比。

通過圖3 福州地鐵車輛牽引系統采購技術規范不同工況下列車牽引和電制動特性曲線分別可知，AW3/AW2/AW0 工況、網壓DC1500/DC1000V 下列車牽引特性曲線，AW3/AW2/AW0 工況網壓DC1650V/DC1000V 下列車電制動特性曲線。

圖3 福州地鐵列車基本阻力曲線

1.3 福州地鐵車輛受力分析

由理論力學分析，地鐵車輛在平直道路運行過程中受到的力包括：牽引力、基本阻力、制動力、車輛重力、線路對車輛的支持力等。同時，隨線路條件的變化可能還有曲線、坡道和隧道的附加阻力等。

（1）靜態質量。列車的靜態質量是列車在靜止狀態下各節車質量的加成，具體計算公式見下式：

式中：MS—列車靜態質量；MTC—帶控制室的拖車質量；MT—拖車質量；MD—動車質量；MDC—帶控制室動車質量；nT—不帶控制室拖車數量；nTC—帶控制室拖車數量；nD—不帶控制室動車數量；nDC—帶控制室動車數量。

（2）動態質量。列車在行駛過程中，質量為在靜態質量基礎上增加回轉質量。

式中：MD—列車動態質量，γT—拖車回轉質量系數（一般取0.05）；γD—動車回轉質量系數（一般取0.1）。

注：此處的MT、MTC、MD、MDC 分別代表AW0 載荷下的拖車和動車的質量。

（3）運行阻力。列車運行阻力指列車運行中受摩擦、沖擊和振動等外界條件的影響所產生的與列車運行方向相反的作用力，簡稱列車阻力，以字母W 表示。

列車阻力包括基本阻力和附加阻力兩大類。基本阻力是指列車運行中的固有阻力。基本阻力主要來自于摩擦阻力和空氣阻力，其取值一般只要決定于列車行駛速度。附加阻力是指運行過程中列車除基本阻力外所增加的阻力，包括坡道附加阻力、曲線附加阻力、起動附加阻力和隧道空氣附加阻力等。列車在平直道上運行時僅有基本阻力，不存在附加阻力。