地铁动车牵引特性设计

2010-08-07冯晓云曲健伟孙鹏飞

铁路计算机应用 2010年9期

龙胜，冯晓云，曲健伟，孙鹏飞

（西南交通大学电气工程学院，成都610031）

地铁动车的牵引特性设计，相对干线铁路列车的牵引特性设计而言有其特殊性。虽然从表面上看两者的牵引特性轮廓相似，但实质上相差甚远，尤其在功率特性上，两者存在本质的区别。产生这些差异的根本原因在于运输功能以及运行环境的差别。文内对它们之间的差别进行分析，并且对地铁牵引特性设计提出具体实现方法。

1 地铁动车与干线铁路列车牵引特性设计方法的区别

地铁的站间距一般为1 km～2 km，车辆最高运行速度不低于80 km/h；而干线铁路运行区间和站间距离相对较长，运营速度相对较高。列车需要在运行区间内完成牵引、恒速（或惰行）和制动的过程，相对干线铁路列车而言，地铁动车对起动加速度和最高运行速度的要求更为严格。下面通过比较地铁动车与干线铁路列车牵引特性，阐明地铁动车牵引特性的特点。

1.1 最高运行速度比较

为达到地铁动车区间运行时间短、运行速度高的要求，我国规定地铁车辆最高运行速度不低于80 km/h。而最高运行速度与平均站间距有密切关系，当最高运行速度设计过高时，动车在区间运行过程中完成加速过程即转入制动阶段，对运行速度的提高不会有明显效果，如图1，同时增加了区间运行能耗，故最高运行速度应根据平均站间距离合理选取。根据我国《地铁车辆通用技术条件》规定，考虑到平均站间距一般为1 km～2 km，动车最高运行速度选取为80 km/h较为合适。

图1 地铁动车运行速度曲线比较

干线铁路列车运行区间相对较长，列车在运行区间中有充足的时间和距离达到更高的运行速度，所以理论上可以在满足其它约束条件的前提下尽可能地提高干线铁路列车的最高运行速度。

1.2 起动加速度比较

地铁动车运行区间短，其区间运行工况一般分为起动、恒速（或惰行）和制动，为缩短区间运行时间，提高区间运行平均速度，只能减少起动和制动时间，即提高起动加速度和制动减速度。提高起动加速度需考虑两方面限制：（1）起动过程中牵引力不能突破粘着限制；（2）起动加速度应符合乘客舒适度要求。基于以上约束，地铁动车起动加速度取值约为1.0 m/s2。衡量地铁动车起动性能的另一项重要指标为起动平均加速度，我国《地铁车辆通用技术条件》规定动车起动平均加速度应满足0～40 km/h不低于0.5 m/s2，0～80 km/h不低于0.83 m/s2。

干线铁路列车的运行区间长，起动和制动时间占其运行总时间的比重较小，规定其起动加速度不小于0.3 m/s2，已能满足长途运输的要求。

1.3 牵引特性设计及功率特性比较

干线铁路列车的最大运行速度高（如高速动车组可达300 km/h～350 km/h），高速运行时列车需克服较大的基本运行阻力，为满足列车高速运行的要求，列车牵引特性须按如下方法设计：（1）绘制基本运行阻力曲线，计算最高运行速度对应的基本运行阻力。（2）根据该速度剩余加速度要求计算恒功率区终点（图2中A点）功率值，得出恒功率曲线。（3）根据列车起动加速度可得出恒转矩区曲线，两曲线相连得到列车牵引特性曲线。

图2 干线铁路牵引特性

与干线铁路列车相比，地铁动车的起动加速度更大，最高运行速度小很多，这种差异在列车牵引特性曲线及其设计方法上表现显著：

（1）地铁动车起动加速度一般为1.0 m/s2左右，约为干线铁路列车的3倍。

（2）为满足0～40 km/h的起动平均加速度不低于0.83 m/s2的要求，恒功区的起点一般接近（略小于）40 km/h，约为最高运行速度的1/2。

（3）地铁动车牵引特性设计须考虑降功率曲线的确定。在列车运行过程中，地铁动车由牵引转入恒速运行后，输出的牵引力仅用来克服阻力，所需的输出功率较小，列车在大部分时间内以较低的功率运行。如图3，电机功率若按照输出功率最高值（恒功率区功率值）来设计则其利用率大大降低，若按较低值设计，则电机在牵引时易因过载而烧毁，故电机功率应折衷选择，即允许电机在运行中有短时的过载以充分发挥其性能。

图3 地铁列车功率曲线

地铁功率特性与干线铁路功率特性的对比如下。

干线铁路机车在启动阶段，电机由恒转矩阶段逐步进入恒功率阶段。当机车速度达到最大速度后，机车输出的牵引力基本上用于克服基本运行阻力，电机功率稳定在恒功率曲线上。所以，对于干线铁路机车在运行的整个过程中，机车的功率基本上稳定于某个固定的工作点。电机的额定功率取恒功率区的功率值。而地铁动车在启动阶段，为了获得很大的加速度，功率上升很快，而达到最高速度后又以较低的功率运行。在地铁动车电机功率设计时一般允许1.3～1.7倍的过载。如果线路情况比较好（坡度比较小），取1.7倍的过载。反之，在线路情况不好的条件下，过载倍数取值应该接近于1.3倍。地铁动车牵引特性降功率段设计目的是使机车在完成启动加速过程后可以由过载工况恢复到额定工况，以降低过载对电机的影响。