梁广深

 

摘   要:本文重点介绍了节能线路纵断面的设计方法。文章认为将车站间距大于1.3km的区间，设计为车站高，区间低的凸型纵断面，在车站两端设置合理的加速坡道。使列车出站时处于下坡道上加速快、列车进站时处于上坡道上制动停车快，这样可有效地降低列车牵引电能消耗。

      文章通过大量的列车牵引计算图，分析了一些典型线路纵断面的运行效果，认为在车站两端设置-22‰—-26‰的加速坡道，可以降低列车牵引电能消耗约20%—25%。我们可以把这种坡道称为加速坡道。

      文章认为，加速坡的合理长度与列车运行的目标速度有关系。在最高运行速度80km/h的线路上，采用250m长的加速坡比较合适。

关 键 词：线路  纵断面  加速坡  节能  牵引计算

 

      地铁列车是以电力为能源的交通运输系统，他是城市中的用电大户。列车牵引用电支出在地铁运营成本中占很大比重。党的第十七次代表大会把建设节约型社会和保护环境，作为全党、全国人民长期的奋斗目标。把节能降耗作为各行各业的重点工作。地铁是以电力为能源的企业，在节能降耗方面有很大的潜力。笔者在工作中曾接触到一些线路纵断面方案，其列车运行效果不好，牵引能耗大。不符合国家的节能方针政策。

      据此，笔者对节能线路纵断面进行了专题研究。研究证明，在1.4km长的区间两端设置20‰左右的出站加速坡，与不设加速坡的方案相比，每通过一个列车可以减少3—5度牵引用电。按一条地铁线有15个区间、每个区间节省4度电、全天开行400个列车计算，每天可以节省牵引用电2400度；每年可节省876万度电。

      像北京、上海、广州有多条地铁线路运营的城市，一年的节电数字是很可观的。由此可见，在地铁线路纵断面设计中设置合理的加速坡，具有重大的经济效益和社会效益。

目前我国地铁车站采用明挖法施工，区间隧道采用盾构法施工。这样有条件将车站设在凸型纵断面上，在车站两端设置加速坡，可以降低列车牵引电能消耗。

      一条地铁线路的纵断面是否节能,可以通过列车牵引计算图进行评判。列车牵引计算图是列车在轨道上运行轨迹的实际模拟图。列车的许多运行参数可从牵引计算图中查得。像列车的启动加速时间、启动加速度、启动加速距离、到达下一站的制动初速、制动时间、制动减速度、制动距离、区间运行时间和牵引耗电量等。通过方案比较可以选择最优方案。

      有人以车站高区间低，在区间中间需要设排水站为由，否定设置加速坡的必要性。这有如拣了芝蔴，丢了西瓜。建一座排水站所花的投资及其运营费，与今后几十年、上百年列车运行节省的牵引电能相比微不足道。

 

 

      笔者在设计中曾遇到一些不符合节能降耗的线路纵断面，其存在的缺点有以下几点：

      1 车站设在凹形纵断面上,

      下面的方案将车站设在凹形纵断面上,本方案存在以下缺点：一是列车出站位于4.5‰、长1580m的上坡道,列车启动加速时间为长。二是因上坡道较长列车在区间重复2次给电牵引。由电能消耗计算公式W=I²Rt可以看出，牵引给电时间t越长，电能消耗越大。三是列车进入前方车站时位于 10‰、长550m的下坡道上。列车速度继续上升，制动初速为69km/h偏高。

  

      2  车站两端的坡度太小，加速坡太长

      本方案车站设在凸型纵断面上，其存在的缺点：一是因车站两端2‰—3‰，的出站下坡太小，对列车的加速作用不明显，列车启动加速时间达42秒，耗电量大。二是在区间中部有一段29‰、长250m的上坡道，列车惰行进入该坡段时，车速下降比较快。

 

      3  区间的坡道太大，列车惰行减速太快

      本方案区间长1578m，在区间中部有一段13‰、长570m的上坡道，列车惰行进入该坡道时车速下降很快，如二次给电牵引增加电能消耗，运行效果不好。

      4  纵断面为一面大下坡

      区间纵断面为2‰、和28‰、的一面大下坡。列车在断电惰行时车速继续上升，中间需要进行制动。本图未加中间制动，进站制动初速为75km/h，安全性较差。

 

      5  一个区间设两个排水站

      本方案区间长2298m，纵断面中有两个最低点，需要设2个排水泵站。区间左侧是22.2‰、长250m的加速坡，连接5‰、长500m的下坡道，列车断电惰行基本不减速。当进入中部14.7‰、长750m的上坡道时，列车速度下降较快，须第2次给电牵引，增加电能消耗。

      6  线路最低点偏左

      本方案区间长1650m，加速坡的坡度和长度合适。因线路最低点偏左，后半个区间的反向上坡段为5‰，长620m，列车减速快。列车到达前方车站的速度不足30km/h，如果第二次给电牵引，增加电能消耗。

      1 合理加速坡坡度方案比选  

      列车在轨道上运行，受到牵引力、基本运行阻力、曲线阻力、风阻力和坡道阻力等五种力的作用。前几种阻力是和列车运行方向相反的力。而坡道阻力具有两重性，当列车位于上坡道时，坡道阻力与列车运行方向相反，使列车减速运行。当列车位于下坡道时，坡道阻力与列车运行方向相同。给列车增加一个向前的力，促使列车加速运行。这从物理学角度解释了加速坡道的科学性。

      为了寻找加速坡坡度的合理数值，我们作了多方案比选。为每个区间设计了-3‰、-6‰、-8‰、-10‰、-12‰、-14‰、-16‰、-18‰、-20‰、-22‰、-24‰、-26‰等12种线路纵断面方案。为每个纵断面方案绘制了列车牵引计算图，并以-3‰方案为基准，编制了运行指标比较表。

      向兴路——所街区间不同加速坡方案牵引计算汇总表  

 

      由上表可以看出，随着加速坡坡度的增大，列车的启动加速时间逐渐缩短，其牵引用电量也逐渐减小。说明在车站两端设置加速坡，可以降低列车牵引能耗。

      上表还说明，加坡度的坡度在-12‰以下时，其节能效率在9％以下。加速坡的坡度在-22‰—-26‰时，节能效率可达20%—25%。

      2  加速坡的长度比选

      地铁列车的启动加速距离与其要达到的目标速度有关系，目标速度越高，要求的加速距离越长。见下表：

 

      加速坡的作用是提高列车的启动加速度，降低牵引电能消耗。其长度以满足列车加速要求为限。过长的加速度反而对列车运行有害。因为加速坡的坡度较大，其坡段越长，区间排水站埋深越大；后半段区间的反向上坡也越大。列车惰行进入较大的上坡道时车速迅速下降，运行效果不好。

      本文以国内地铁最高运行速度80km/h 的列车为研究对象。根据上述理念，在12种线路纵断面方案中，分别设计了长度为250m、200m和150m三种加速坡。通过比较，在加速坡坡度相同条件下，250m长的加速坡方案比其他方案多节能3—5%，故推荐80km/h 的列车采用250m长的加速坡。

      3 加速坡后面接续坡度的比选

      加速坡的长度很短，只占区间长度的一小部分。加速坡后面与之相连接的坡道是列车断电惰行区域，需要研究加速坡后面的接续坡度对列车运行状态的影响。

      运行实践表明，出站列车经过加速坡以后，达到了最高运行速度。进入接续坡道以后开始断电惰行，这时决定列车运行状态的是加速坡后面接续坡段的坡度。研究表明在加速坡段后面连接-2‰—-3‰的坡道，列车惰行的速度逐渐下降；当连接-4‰—-5‰的坡道，列车惰行的速度基本保持不变。这说明-4‰—-5‰下坡道加在列车上的助推力与其他几项运行阻力相平衡。列车既不耗电，又能保持高速运行，其节能效果最好。

      按照地铁列车的运行阻力公式计算，列车速度在70km/h时，其单位运行阻力为4—5公斤/吨，正好与牵引计算结果相吻合。

      如果在加速坡后面连接-7‰及其以上的坡道，列车惰行时车速仍会继续上升,进站前需要进行制动调速，确保列车安全进站。

      通过分析接续坡度对列车运行状态的影响，可以得出以下结论；对加速坡以外的坡段，应采用-4‰—-5‰的坡道，尽量避免采用大的坡道。

      4  排水站的位置比选

      将车站设在凸型纵断面上，形成车站高区间低的线路纵断面，在区间需要设排水站。那么排水站设在什么位置最好？通过绘制列车牵引计算图证明，将排水站设在区间中间运行效果最好。

如果将区间排水站偏一边设置，会使排水站以后的反向上坡道太长，列车惰行通过时减速太快，延长区间运行时间。

 

 

      本文关于加速坡研究的一些想法，得到了本院设计人员的肯定和支持，并在线路设计中取得了较好的效果。请看下面的例子：

      1  下面是杭州地铁1号线下沙东路­—文泽路区间的列车牵引计算图。该区间长1256m。加速坡长度为250m，左端的加速坡为24‰，右端的加速坡为22.4‰。在加速坡后面是3‰，长250m的接续坡道，线路最低点位于区间中部。

      由牵引图可以看出，列车惰行经过3‰的下坡或上坡道时，列车运行速度基本不变，运行效果较好。

 

      2  下面是南京地铁2号线向兴路­­—所街区间的列车牵引计算图，该区间长1364m，加速坡长度为250m，两侧的加速坡为8‰。在加速坡后面连接3‰和4.5‰的接续坡道。排水站位于区间中部。

      由牵引图可以看出，列车启动加速时间较短，牵引能耗小。列车惰行经过下坡或上坡道时，速度比较平稳，运行效果较好。

 

      3 下面是上海地铁13号线华江路­­—金沙江西路区间的列车牵引计算图。区间长1292m，两端的加速坡长250m，坡度为24‰、25‰。，在加速坡后面连接4‰和6.6‰的坡道。排水站位于区间中部。本方案列车启动加速时间为24秒，牵引能耗较小。列车惰行速度比较平稳，运行效果较好。

 

      （3） 加速反坡的应用

      某线中山路和伏龙山两个车站的高差为8m，线路纵断面通常为一面上坡。研究中我们为下方车站设置了出站加速反坡，列车运行速度达到77km/h断电惰行。由牵引计算图可以看出，设置了出站加速反坡以后，列车的启动加速时间由46秒缩短为35秒种，列车牵引用电量减少了6.66kwh。两个方案的区间运行时间只差1秒钟。

 

 

      当前中央拉动内需的政策，为我国地铁掀起了一个新的建设高潮。已有30多个城市正在修建或筹建地铁，将自己的研究成果介绍给大家，把地铁新线都建成节能型地铁，是笔者的最大愿望。目前我国地铁已经进入了提速时代，最高运行速度120km/h、110km/h的车辆已经投入运营，100km/h的车辆即将问世。本文的研究结论，对上述系统都可适用。

      由于加速坡的长度与列车的最高运行速度成正比，列车运行速度越高，其加速坡越长。本文推荐250m长的加速坡只适用于80km/h车辆，对于更高运行速度车辆的加速坡长度，应该进一步探讨。希望有更多的同行们来关注这个问题，为建设节能型地铁做出应有的贡献。

      由于时间及个人水平限制，缺点和错误再所难免，欢迎专家们批评指正。

 

 

This paper mainly expounds the energy-saving method in metro vertical section design. The author believes that when intervals between stations reach 1.3km or above, by setting proper decelerating ramp in front-end of stations and accelerating ramp behind, traction energy consuming can be effectually reduced.

By large amount of train-traction-diagram and analysis on running effect in typical vertical section, it is believed that by setting accelerating ramp at the rate of -26‰~-28‰ in both sides of the stations(when rear end, the rate must be positive),which the author called accelerating ramp, the traction energy consuming can be reduced by 20%~25%.

The article also states that, the reasonable length of accelerating ramp is related to the train’s objective running-speed. When 80km/h is taken to be the maximum speed, 250m long accelerating ramp may be rational.

 

 

 

 

2008年12月3日

 

             本文发表于2009年8月都市快轨交通第4期