铁路机车运行能耗影响因素仿真研究

赵 鑫，高志远，王 烈

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司 合作开发部，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司运输及经济研究所，北京 100081）

1 概述

在资源约束趋紧、环境污染严重等严峻形势下，铁路将承担更多的运输量，也将消耗大量的能源，其节能减排对经济效益和生态环境都显得尤为重要[1]。在全社会倡导绿色环保，以及全路提倡节能与降耗背景下，在不同情景下定量分析机车运行能耗的影响因素，对于进一步认识机车运行过程中机车能耗规律、合理确定机车节能依据具有重要的意义。

国内很多学者从不同方面对机车能耗进行了研究，王雪[2]分析了高速铁路动车组运营方案对牵引能耗的影响，模拟不同运输组织模式和列车开行对数对动车组牵引能耗的影响；王雅婷[3]以朔黄重载铁路为例，分析了神8、神12和SS43种机型的能耗，提出相关节能建议；王烈等[4]对影响机车能耗的4种因素进行分析，并在多目标约束下提出机车最优能耗驾驶策略；满朝翰[5]利用灰色关联分析方法，对铁路能耗的节能指标进行研究；高志远[6]在分析机车能耗影响因素基础上，提出电力机车节能优化方法，并利用案例进行了说明；赵莉[7]基于产业结构特点，对我国铁路货物运输的能耗进行分析；马超云等[8]运用列车运行计算的相关原理，引入“牵引运行能耗换算系数”，建立铁路机车牵引单耗测算模型，通过微观数值计算方法测算机车牵引单耗的宏观量。

以上学者从不同角度对机车能耗影响因素进行分析，但还存在不足：一是对机车能耗影响因素只是定性地进行阐述，没有对机车能耗影响因素进行量化；二是大多数学者只是以机车能耗影响因素为铺垫，在此基础上对机车节能进行研究。在此，利用机车运行仿真软件，对不同情景下机车能耗影响因素进行定量分析。

2 铁路机车运行能耗影响因素仿真

以货运列车为例，选用机型为HXD1型电力机车，车辆编组为60节，机车质量为92 t，最大牵引力为760 kN，单节车辆质量为20.6 t，有恒速功能，则机车运行阻力公式为1.2 + 0.006 5 v +0.000 279 v2，车辆运行阻力公式为0.92 + 0.004 8 v +0.000 125 v2。由于线路坡度和惰行距离需在满足一定线路长度下才能进行仿真，使结果更为准确，对这2个因素进行仿真时，选取京广线(北京西—广州)北京西至琉璃河段，全长51.5 km，其他因素采用京广线北京西至窦店段，线路全长39.9 km。根据新版的《列车牵引计算规程》，选用牵引电算软件，从线路坡度、停站次数、牵引总重、编组特性、惰行距离5个方面对列车能耗进行仿真研究。牵引电算软件界面如图1所示。

图1 牵引电算软件界面Fig.1 Software interface of traction calculation

2.1 线路坡度对列车运行能耗的影响

为验证线路坡度对能耗的影响，设上坡、平坡和下坡3个情景，上坡的坡度为5‰，10‰，平坡的坡度为0，下坡的坡度为-5‰，-10‰，坡长均为3 000 m，在速度分别为70 km/h，80 km/h，90 km/h的情景下模拟不同坡度对机车牵引总能耗和牵引单耗的影响。不同坡度下机车运行能耗仿真结果如表1所示。

从表1可以看出，在相同速度和不同坡度下，随着坡度的增加，机车需要克服更多的阻力和做更多的功，能耗也随着坡度的增加呈现递增的趋势，如坡度由-10‰到10‰，速度为70 km/h 时，牵引总能耗由1 211.1 kW·h增加到1 829.5 kW·h，牵 引 单 耗 由 85.1 (kW·h) / (万 t·km)增 加 到128.5 (kW·h) / (万t·km)，牵引总能耗和牵引单耗增加了51%。在不同速度和相同坡度下，随着速度的增加，运行时间减少，能耗随之增加，如在坡度为-10‰情况下，速度分别为70 km/h和90 km/h，其运行时间分别为31 min 23 s和25 min 51 s，牵引总能耗分别为1 211.1 kW·h和1 489.5 kW·h，牵 引 单 耗 由 85.1 (kW·h) / (万 t·km)增 加 到104.6 (kW·h) / (万t·km)，牵引总能耗和牵引单耗增加了23%。仿真试验表明，机车牵引总能耗和牵引单耗与速度和坡度成正相关关系。

表1 不同坡度下机车运行能耗仿真结果Tab.1 Simulation results of locomotive running energy consumption at different slopes

2.2 停站次数对列车运行能耗的影响

为验证停车次数对机车能耗的影响，设停站次数分别为0次、1次、2次3个情景，在速度分别为70 km/h，80 km/h，90 km/h的情景下模拟不同停站次数对机车牵引总能耗和牵引单耗的影响。不同停站次数对机车运行能耗的影响如表2所示。

由表2可以看出，随着停站次数的增加，机车的起停次数增加，机车在启动阶段由速度0增加到最高速度的牵引单耗是以最高速度匀速运行的3倍，随着起停次数的增加机车能耗随之增加，如在速度为70 km/h时，停车次数由0次增加1次，再增加到2次，其牵引总能耗由944.4 kW·h增加到1 248.5 kW·h，再增加到1 557.3 kW·h，牵引单耗由 130.5 (kW·h) / (万t·km)增加到172.8 (kW·h) /(万 t·km)，再增加到 215.5(kW ·h) / (万 t·km)，停车1次和2次比停车0次机车运行的牵引能耗分别增加了32.4%和64.9%，牵引单耗也分别增加了32.4%和64.9%。随着速度的增加，在同样停车次数情况下其总能耗和牵引单耗也随之增加，如在速度分别为70 km/h 和90 km/h时，停车次数为0次时，其牵引总能耗分别为944.4 kW·h和1 187.8 kW·h，牵 引 单 耗 分 别 为 130.5 (kW·h) /(万 t·km)和164.4 (kW·h) / (万t·km)，机车牵引能耗增加了25.8% ，牵引单耗增加了26.0%。因此，列车运行尽量减少停站次数，避免不必要的启停，减小列车运行能耗。

表2 不同停站次数对机车运行能耗的影响Tab.2 Influence of different stops on locomotive energy consumption

2.3 牵引总重对列车运行能耗的影响

为验证不同牵引总重对机车能耗的影响，设牵引总重分别为3 000 t，4 000 t和5 000 t 3个情景，在速度分别为70 km/h，80 km/h，90 km/h的情景下，模拟不同牵引总重对机车牵引总能耗和牵引单耗的影响。不同速度下牵引总重对机车运行能耗的影响如表3所示。

从表3可以看出，随着列车总重的增加，列车运行的阻力增加，机车需要更多的能量保证运行，虽然随着列车牵引总重增加，列车牵引总能耗增加，但是列车的牵引单耗降低。例如，列车在速度为70 km/h下，列车在牵引总重分别为3 000 t，4 000 t和5 000 t的情景下，机车牵引总能耗分别为 583.7 kW·h，944.4 kW·h 和 1 023.4 kW·h，机车牵引单耗分别为147.9 (kW·h) / (万t·km)，130.5 (kW·h) / (万 t·km)和 111.5 (kW·h) / (万 t·km)，4 000 t和5 000 t列车牵引总能耗比3 000 t分别增加了61.8%和75.3%，列车牵引单耗分别降低了11.8%和24.6%。同时，在相同牵引总重不同速度下，随着速度的增加，其牵引能耗和牵引单耗也增加。例如，速度由70 km/h增加到90 km/h，在牵引总重为3 000 t情景下，其牵引总能耗由583.7 kW·h增加到863.9 kW·h，机车牵引单耗由147.9 (kW·h) / (万t·km)增加到169.8 (kW·h) / (万t·km)，机车牵引能耗和牵引单耗分别增加了48.0%和14.8%。因此，对大宗货物运输应大力发展重载运输，不仅能节省运力，而且能降低机车运行牵引单耗。

表3 不同速度下牵引总重对机车运行能耗的影响Tab.2 Influence of gross load hauled on locomotive energy consumption at different speeds

2.4 编组特性对列车运行能耗的影响

为验证不同车辆编组对机车能耗的影响，假设在列车牵引总重固定为3 000 t，设编组车辆分别为38辆、44辆和51辆3个情景，在速度分别为70 km/h，80 km/h和90 km/h的情景下，模拟不同编组辆数对机车牵引总能耗和牵引单耗的影响。总重3 000 t列车不同编组对运行能耗的影响如表4所示。

从表4可以看出，随着列车编组辆数的增加，列车运行阻力增加，使列车在运行过程中牵引电机的耗电量增加，从而使能耗增加，但是与其他影响因素相比，对列车的能耗影响不明显。例如，在速度为70 km/h情况下，机车运行总能耗由596.7 kW·h增加到602.7 kW·h，牵引单耗由103.9 (kW·h)/(万 t·km)增加到 104.5 (kW·h)/(万t·km)，机车总能耗增加了1%，机车牵引单耗增加了0.5%。因此，在同样总重情况下，随着编组数量的增加，其能耗水平变化不大。

表4 总重3 000 t列车不同编组对运行能耗的影响Tab.4 Influence of different marshalling of total 3 000 t weight train on energy consumption

2.5 惰行距离对列车运行能耗的影响

为验证不同限速模式下惰行距离对机车能耗的影响，假设在列车牵引总重固定为3 000 t，设惰行距离分别为0，500 m和1 000 m 3个情景，在限速分别为100 km/h和75 km/h的情景下，模拟不同惰行距离对机车牵引总能耗和牵引单耗的影响。不同限速模式不同惰行距离对列车运行能耗的影响如表5所示。

表5 不同限速模式不同惰行距离对列车运行能耗的影响Tab.5 Influence of different speed limit modes and idle running distance on energy consumption

在不同的惰行距离和限速模式下，机车能耗有着很大的不同，随着惰行距离的增加，机车能耗不断减小，如在限速100 km/h模式下，惰行距离由0增加到1 000 m，其牵引总能耗由1 997.6 kW·h下降到1 986.9 kW·h，牵引单耗水平由81.9 (kW·h) /(万 t·km)下 降 到 81.4 (kW ·h) / (万 t·km)。 在限速模式下，一般需进行制动、低于限速值的恒速运行及通过限速区段后的再次加速操作，列车的受力情况会发生改变，能源消耗特征一般也随之变化。同样是惰行距离为0，限速100 km/h和75 km/h模式下牵引总能耗分别为1 997.6 kW·h和2 110.7 kW·h，牵引单耗分别为81.9 (kW·h) /(万t·km)和 86.4 (kW ·h) / (万 t·km)。

3 结论

随着经济发展和政策调整，我国客货运量将进一步提升，机车能耗对铁路运输成本具有重要影响[9]。将数据分析和计算机仿真技术相结合，定量分析各影响因素对机车运行能耗的影响，结论如下。

（1）对于线路基础设施，坡度与机车运行能耗呈正向变化关系，随着坡度的增加，其机车运行能耗的增加幅度变大。因此，在机车运行过程中，应注意线路坡度影响，利用下坡条件最大限速降低机车运行能耗，尽量规避上坡对机车能耗增加的不利影响。

（2）对于机车运行特征，停站次数、牵引总重、编组数量对机车运行能耗呈正向变化关系，停站次数增加了机车运行的起停次数，牵引总重和编组数量增加了机车运行过程中的阻力，从三者牵引单耗来看，三者对机车运行能耗影响由大到小依次为起停次数、牵引总重和编组数量。

（3）对于司机驾驶行为，惰行距离越长，机车能耗越小，限速条件会增加机车运行时间，导致机车运行能耗增加。