温州市域铁路S1号线牵引计算

王艳琴，郝明远，汪星华，高永亮

(中国北车集团 唐山轨道客车有限责任公司 产品技术研究中心，河北 唐山 063035)*

0 引言

城市轨道交通与其他城市公共交通工具相比，具有运量大、安全舒适、快速环保等优点，但由于城市轨道交通运量大，总耗电量仍相当于大.如何最大限度地优化列车的运营条件，降低能耗，成了现在城市轨道交通研究的主要目标［1］.所以，本文根据温州轨道交通发展的需要，用预定的五种列车编组方式在温州S1号线一期工程从温州南站至半岛二段进行了牵引计算［2］.

图1 S1线一期工程平面示意图

1 工程概况与列车编组选取

1.1 S1线工程概况

温州市域铁路网规划由4条线组成，其中S1线走向为东西走向，连接沿海铁路温州南站、温州站、永强机场和半岛，是构建未来温州大都市核心区两大中心——中心城和瓯江口新城的快速联系通道，串联瓯海中心、中心城区、龙湾中心与半岛，并服务于温州南站、温州站、永强机场.一期工程位于温州市中心区，由温州南站至半岛二段，二期至洞头县洞头岛，线路全长77.0 km.其中一期工程线路全长49.3 km，设车站14座，预留车站6座，线路平面示意图如图1所示.

1.2 列车编组

为资源共享节省投资，温州市域铁路应该从线网角度考虑采用统一平台车辆.由于城市轨道交通车辆选型工作难度较大，既要考虑车辆的技术性能，又要考虑美观舒适实用，从建设角度还要考虑经济合算，所以在设计中，车辆选型工作几乎贯穿整个设计过程.针对温州市域铁路不仅具有干线铁路速度快、有越行、运输组织较复杂的特点，120 km/h城轨车初步建议选型方案及可供选择编组方式对应的车辆参数如表1所示，本文将通过实际线路仿真计算来确定一种最适合S1线的车型.

表1 五种编组方式对应的车辆参数

从上表中可知，2M2T(1 550 kW)与3M3T(2 325 kW)理论值相近，而2M2T(2 600 kW)与3M3T(3 900 kW)理论值相近，所以在接下来的牵引计算中，列车编组选取3M3T(2 325 kW)、3M3T(3 900 kW)以及4M2T(5 200 kW)进行仿真计算，选择一种最适合S1线的城际车.

2 牵引计算参数准备

列车牵引计算是城市轨道交通的重要组成部分，利用计算机对列车的牵引计算进行模拟能解决列车在不同线路、不同编组形式下的运行时分、能耗和时间等问题，为新线设计、旧线改造及运用等方面提供理论依据［3-4］.选用铁科院开发的可用于线路设计、能耗计算、列车牵引或制动特性研究的软件，该软件近年来已在国内有关提速、高速的研究工作中得到了广泛的应用.

2.1 一期工程线路数据

线路数据是用来描述列车运行的线路参数，文章以温州S1号线一期工程的线路纵断面图为依据，推导出满足仿真需要的线路数据，包括以下三个文件:

(1)坡度文件 用来表达从线路起点到终点的公里标、坡度信息、标高、线路号等信息.坡度文件的起点位置、终点位置即为线路所涉及的范围，列车只能在此范围内运行，而且只能沿着起点至终点的方向运行，不能反向运行.要反向运行的话，必须对线路文件进行上下行转换.本文温州市S1号线的运行范围为5.6～50.55 km;

其中坡度文件除了表达各个坡度外，同时还为另外两个文件提供位置索引，曲线文件中的曲线和标记文件中的标记范围不能超出坡度文件的范围.

(2)曲线文件 用来表达线路中的曲线，描述曲线的位置、曲线半径及长度等信息.曲线方向为右弯取0，左弯取1.曲线起点公里标、公里标增减方向、线路号都是按曲线起点所处的位置来衡量的;

(3)标记文件 用来表达坡度文件和曲线文件以外的各种信息.标记文件中，至少要有两个车站标记，不能为空文件.S1号的标记文件如表2所示:其中标记类型整数代表如下意义:1，车站;7，限速;9，桥梁;

表2 标记文件数据

(4)用坡度文件、曲线文件以及标记文件生成的线路数据如图2所示.

图2 线路数据

2.2 列车相关曲线

三种列车编组形式对应的牵引力曲线与制动力曲线分别如图3与图4所示:

3 仿真结果分析

3.1 运行曲线

仿真软件采用每辆车为1个质点的多质点模型，可按实际列车编组情况进行牵引计算.根据《新牵规》，仿真过程中，计算粘着系数μj取值如下:

式中，V为速度，单位为km/h.

图5 “站站停”速度/时间—距离曲线

仿真过程中采用手动与自动相结合的计算方式，对部分不满意的结果进行了回退重算，避免了一些与实际不相符的问题，使计算结果尽量地符合实际过程.三种编组形式的列车在S1线一期工程中“站站停”的运行曲线如图5所示.

3.2 运行结果对比

本文从“直达”与“站站停”两方面进行牵引计算，仿真结果对比如下.

列车牵引能耗对铁路运输成本有着重要的影响，而影响牵引能耗的因素也很多，本文是在列车编组情况一定、线路条件一定，而牵引功率不同计算的［5］.能量E计算公式如下所示:

式中，F为最大牵引力;S转折为恒转矩时的运行距离;P为功率;t转折～120为恒功率时的运行时间;t120+为达到最大速度后列车运行时间，时间越长，消耗能量越多;ηtotal为效率.牵引计算过程中电耗量包括区间能耗、站停能耗、出入段能耗，并未加入再生制动中回收的能量.

表3 三种编组停站仿真结果对比

由表3可知，平均旅速60～71 km/h之间时，功率大的车型，运行时间短，能耗会略大.

4 结论

通过对仿真计算结果的分析，在同样的区间长度范围内，编组方式为4M2T的列车与编组方式为3M3T(2 325 kW)、3M3T(3 900 kW)的列车相比较，其平均速度快、牵引时间短、牵引能耗低，各项指标都优于其它两种.所以，对于温州市S1号线一期工程来说，4M2T的编组方式是比较好的.

［1］桂翔.城市轨道交通牵引计算仿真系统的研究与开发［D］.北京:北京交通大学，2008.

［2］李晓明，陈进杰.基于城市轨道交通列车牵引计算的列车编组形式选择［J］.铁道勘察，2008(1):82-84.

［3］胥红梅，郭湛，李晓宇.地铁列车牵引计算算法及程序实现［J］.现代城市轨道交通，2011(5):80-82.

［4］李晓明，齐辉.列车牵引计算在城市轨道交通中的应用研究［J］.市政技术，2007，25(6):495-497.

［5］张宇.深圳地铁1号线(续建)车辆牵引仿真计算［J］.电力机车与城轨车辆，2008，31(5):12-1.