（交通运输规划与管理专业论文）列车运行及节能操纵研究.pdf

， 左 i 北方变通大学硕士学位论文 摘要 ， f 我国人口众多能源相对匮乏能源的开发利用率低。随着经济的发展，交通 运输能源消耗日益增加对环境的污染也不断加剧，这己成为当今国际社会普遍关 注的问题。铁路运输虽然具有能耗低的优点但我国铁路运输周转量较大，消耗能 源的总量也很大年平均消耗标准煤1 5 0 0 万吨左右，而且能源利用效率与发达国 家相比还有很大的差距。根据国内外的研究成果，列车优化操纵节能在5 一1 5 。， 此外我国铁路自动化程度不高。因此，我国铁路节能潜力很大，任务也很艰巨。r 本文在分析、总结国内外研究现状及研究成果的基础上分析了我国铁路能源 消费情况：从宏观的角度，对列车操纵节能进行了分析，针对型主玺壁提出了两种 经济操纵方法一开放式操纵和保守式操纵：从运营的角度，分析了列车停站次数、 逗行时间、运行图编制和运输计划对节能的影响，提出要大力发展电力机车，利用 再生制动节省电能，改进机车车辆设计，减少临时停站次数，在保证运行时分的条 件下，多运用惰行工况，充分利用列车的动能运行：从数学的角度，分析了列车运 行的物理过程，建立了列车在平道上运行的机械能模型；在假定机车功率与单位能 耗呈正比的情况下建立了列车运行的醢蕴缝型，提出了“最大牵引一匀速运行一情 行一虽太制动”的优化运行方案；在限速条件下，建立了新的节能优化模型：对于 1 r 平道线路分析了惰行点的选择；利用已有的牵引模拟系统给出了节能和节时 策略的运营费比较。 本文对节能的宏观分析有助于驾驶员优化操纵序列，降低运行能耗：所建立的 数学模型为建立列车运行节能模拟系统提供了理论依据，对机务和设计部门也具有 一定的参考价值。 、 c j f _ _ 。 p 、f 韭查奎望查堂塑主兰堡堕苎 a b s tr a c t c h i n ah a sg r e a tp o p u l a t i o na n dc o m p a r a t i v e l yi n s u f f i c i e n te n e r g ys o u r c e s t h e e f f i c i e n c yo fe x p l o i t i n g a n du t i l i z i n g e n e r g y s o u r c e si sl o w w i t ht h ee c o n o m i c d e v e l o p m e n t ，t h ee n e r g yc o n s u m p t i o na n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nb r o u g h tb y t r a n s p o r t a t i o n a r e c o n t i n u o u s l yi n c r e a s i n g , w h i c hh a sb e e nr e c e i v e di n t e r n a t i o n a i c o m p r e h e n s i v ea t t e n t i o n a l t h o u g h t h e r a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n h a sl o w e r e n e r g y c o n s u m p t i o nr a t e , y e tt h er a i l w a ym i l e a g ei sl a r g e ra n dt h et o t a lc o n s u m p t i o no f e n e r g y s o u r c e si s v e r yl a r g e ，a b o u t 1 5m i l l i o ns t a n d a r dc o a l t h e e x p l o i t a t i o n e f f i c i e n c yo fe n e r g ys o u r c e si nc h i n ai sm u c hl o w e rt h a nt h a ti nd e v e l o p e dc o u n t r i e s a c c o r d i n g t ot h er e s u l t sf r o ma b r o a da n dh o m e ，t h e o p t i m i z a t i o no f t r a i nc o n t r o lm a y e c o n o m i z ee n e r g y5 - 15 f u 掰l e 加o f e a u t o m a t i c i t y o f r a i l w a y i sl o w e r t h e r e f o r e , o u r r a i l w a yt r a n s p o r t a t i o nh a sg r e a tp o t e n t i a lt 0e c o n o m i z eo ne n e r g ys o u r c e sa n dt h i s t a s ki sa r d u o u s t h ea r t i c l ea n a l y z e st h ee n e r g y c o n s u m p t i o no f c h i n e s er a i l w a yo nt h eb a s i so f a n a l y z i n ga n ds u m m i n gu pt h ep r e s e n ts i t u a t i o na n dr e s u l t si nt h i sf i e l da th o m ea n d o v e r s e a s f r o mt h ep o i n to f v i e wo f m a c r o s c o p i c ，i ta n a l y z e se n e r g y - e f f i c i e n to f t r a i n c o n t r o la n dp u t sf o r w a r dt w ok i n d so fe c o n o m yo p e r a t i o nm e t h o d sa b o u tt h et r a i n o p e r a t i o n ，o p t i m i s t i cc o n t r 0 1 a n dp e s s i m i s t i cc o n t r 0 1 f r o m 也ep o i n to fv i e wo f r u n n i n g , i ta n a l y z e st h ee n e r g y e f f i c i e n te f f e c t so f t h et i m e so f t r a i ns t o p s ，t h er u n n i n g t i m e ，t h ed e s i g no fw o r k i n gd i a g r a ma n dt r a n s p o r t a t i o np l a n ，p u t sf o r w a r dd e v e l o p i n g e l e c t r i cp o w e rl o c o m o t i v e s ，e c o n o m i z i n go ne n e r g yb ym e a n so f r e g e n e r a t i o nb r a k e ， i m p r o v i n gt h ed e s i g no fl o c o m o t i v e s ，d e c r e a s i n gt h et e m p o r a r ys t o pt i m e s ，e x e r t i n g m o r ec o a s tc o n t r o la n d f u l l ym a k i n gu s eo f t h ek i n e t i ce n e r g yo f t r a i n f r o mt h ep o i n t o fv i e wo fm a t h e m a t i c s ，i ta n a l y z e st h ep h y s i c a l p r o c e s so fr u n n i n go ft r a i n sa n d e s t a b l l s h e st h em e c h a n i e a le n e r g ym o d e l a s s u m e d 也a tp o w e ri sc o n s t a n tf o re a c h f u e l s u p p l yr a t e ，w e e s r i b l i s ht h e e n e r g yc o n s u m p t i o nm o d e l ，p u t f o r w a r da n o p t i m i s t i ct r a i n c o n t r 0 1o f “m a x i m u ma c c e l e r a t e ，s p e e d - h o l d ，c o a s ta n dm a x i m u m b r a k e ”，e s t a b l i s ha l le n e r g y - e f f i c i e n to p t i m a lm o d e lw i t hl i m i ts p e e da n da n a l y z et h e s e l e c t i o no f c o a s t i n gs p o tf o ra nu n e v e nr a i l m a k i n gu s eo f t h ee x i s t i n gs i m u l a t i o n s y s t e m ，i tc o m p a r e st h er e s u l t so f t i m e s a v i n ga n de n e r g y s a v i n g t h em a c r o s e o p i c a la n a l y s i so ne n e r g y - e f f i c i e n ti nt h ea r t i c l em a y h e l pd r i v e r s o p t i m i z et h eo p e r a t i o ns e q u e n c ea n dr a d u c et h ee n e r g yc o n s u m p t i o no fr u n n i n g t h e e s t a b l i s h e dm a t h e m a t i c a lm o d e l sp r o v i d et h ee s t a b l i s h m e n to f t r a i n - r u n n i n ge n e r g y - 2 北方交通大学硕士学位论文 s a v i n gs i m u l a t i o ns y s t e mw i t ht h e o r e t i c a lb a s i sa n dh a v ec e r t a i nr e f e r e n c e dv a l u ef o r t h ed e p a r t m e n t so f m a i n t e n a n c ea n dd e s i g n 3 北方交通人学磺l j 学位论史 第一章前言 第一节能源与可持续发展 可持续发展，是当今国际社会普遍关注的重大问题：它对国民经济的重要组成部 分交通运输的发展提出了新的要求。从世界番国的实践来看，一方面经济建设 迫切要求有快速发达的交通运输系统作保证；另一方面，随着经济的增长运输需 求越来越大，交通运输给资源、环境带来的压力也到了不可忽视的地步。目前发达 国家正努力调整运输结构，火力提倡优先发展铁路，以降低社会成本，适应可持续 发展的战略要求。而对我国这样个交通运输仍滞后于国民经济发展的发展中国家 来说，如何发挥铁路的骨干作用，实现可持续发展更具有重要意义。 一从可持续性角度审视交通运输的发展 ( 一) 可持续性条件 一个可持续的丰十会是“既能满足当代人的需要，又不对后代人满足其需要的能力 构成威胁的社会”。具体剑交通运输部，j 来谎，国外学者戴利提出7 满足可持续性要 求的三个基本条十l ： 1 可更新资源的利用率不超过其再生的速率： 2 不可再生资源的利用率不超过开发可持续可更新的代用品的速率； 3 污染物的摊放鼙不超过环境的吸收能力。 交通运输对可雨生资源的利用显然是不能满足第1 个条件的；第2 个条件有可能 满足，因为完全有可能咀较短的距离来完成同样的活动，从而从环境破坏的方式转 变到相对有利的方式：然而第3 个条州：不能满足，原因是公路运输方式在客货运输 市场上都占有较人的份额，排放了大量的污染物。因而，发达国家中公路运输的过 度发展，尤其是小汽车和卡车的交通量不断增长，突出的显示了其不可持续性的趋 势。 ( 二) 交通运输可持续发展的原则 1所有运输需求应采取对环境破坏最小的方式予以满足； 2 所有运输的外部成本应内部化以使对环境有利的运输方式具有明显的 竞争优势： 4 北方交通大学硕士学位论文 3 运输结构体系应予以调整以使各种运输方式之间能协调配合，达到最 高的运输效率和最低的社会成本； 4 所有的运输投资计划应制定明确的目标，包括对社会的、经济的及环境 的考虑，并在其投资期间内受到监控，以检查其满足目标的程度及对环境破 坏的程度： 5 运输政策的制定应以环境保护、生态平衡为指导思想。 二可持续性运输要求对铁路价值的认定 随着可持续发展思想的深入人心。铁路运输的可持续性优势日益受到重视，从 而在世界范围内掀起了优先发展铁路运输的热潮。据奥地利交通政策协会的一次调 查表明，绝太多数奥地利人对优先发展铁路运输持积极态度。在货运方面，8 5 的 人认为应发展铁路，其他依次为：航空8 ，公路5 ，其它2 ；在客运方面8 2 的人认为应发展铁路，其他依次为：公路1 3 ，航运2 ，其他1 ，其它2 。其 他发达国家也有类似倾向，这显示了对铁路价值重新认定的迫切愿望。 ( 一) 铁路具有明显得可持续性优势 从能源消耗角度来看，铁路运输比小汽车、飞机节省能源。据日本交通部门统 计资料表明，在旅客运输能耗方面，小汽车能耗占3 9 ，铁路占8 公共汽车占 4 航空占5 ，客船占4 ：而从完成客运量情况看小汽车为4 4 ，铁路3 0 ， 公共汽车6 。从单位能耗看，高速旅客列车平均每人公里的能耗一般只有汽车的 l 5 飞机的1 ，6 。电力机车能源利用率高，更无大气污染。有数据显示，铁路运输对 生态环境的污染比例为3 9 只相当于公路( 7 9 7 ) 的1 2 0 ，空运( 1 0 9 ) 的1 3 。 在环境保护方面，铁路作为一种环境友好型( e n v i r o m c n t - f r i e n d l y ) 的运输方式 已成为广泛认可的事实。铁路运输所产生的空气污染、噪声干扰程度要比其他运输 方式小的多基本能满足可持续性条件。 在拥挤和事故方面铁路运输与其他运输方式相比具有相当高的安全性。 从士地占用方面看，铁路占地少利用率高，在运送相同客流量的条件下，铁 路战地面积只相当于公路的1 ，5 1 4 ( 二) 外部成本内部化是认定铁路价值的有效经济手段 所谓外部成本，是指交通运输部门在防止空气、土壤和水质污染处理事故和 ，b 地等方面的额外支出。外部成本的内部化是重新认定铁路价值的最有效的经济手 段。j l j 户分担运输的外部成本后，才能保证对环境有利的铁路运输方式在运输市场 5 北方交通大学硕士学位论文 上具有竞争优势。据研究表明，欧洲1 7 个国家中运输的外部性成本总额达2 7 0 0 亿 e c u 其中公路运输占这些成本的9 2 ，而铁路仅占1 7 ，以往由于公路运输不 承担外部成本而从中受益，一直占有较大的市场份额。外部成本的内部化最终将使 这种不公平的状况得以改变，如果铁路运输和公路运输同样要担负起经济和社会费 用的话显而易见，公路运输所担负的成本远比铁路大的多，这样一来就有可能遏 制公路运输而发展铁路。 ( 三) 面向可持续性的交通政策是认定铁路价值的重要保证 发达国家的交通政策已不仅仅只是单纯从经济发展的角度出发，而且还把交通 运输的发展置于未来社会的大背景下，综合考虑社会的、政治的、经济的以及环境 的多种因素，追求可持续发展的长远利益在其交通政策中，环境保护和生态平衡 己成为优先考虑的重要因素，许多国家都对有利于环境的铁路运输实行了倾斜政 策，增加了对铁路建设的投资，以促进铁路发展，并在进一步强化铁路环境优势和 减轻环境破坏方面制定了有力的政策。 三中国铁路的位置和可持续发展方向 中国2 l 世纪议程在交通业可持续发展目标中指出：“从中国的国情出发， 突出铁路建设，加快公路水运和民航建设。拓宽管道运输渠道，优化运输结构， 协调发展铁路、公路、水路、空运的综合运输体系大力提高交通运输的技术装备 水平。引进国外先进设备与管理技术，积极发展高速铁路集散运输和双层客 车，大力推广铁路货物运输重载技术淘汰燃煤蒸汽机车，全部实行内燃化和电气 化。” 从整个运输结构构成比例来看，铁路的市场份额正被其他运输方式所排挤倘 若铁路不利用自身优势扭转这一局面，中国交通运输的发展难免步发达国家之后 尘，走向不可持续性。 无论从我国实际出发还是从国际运输发展的大趋势来看我国的交通运输体 系应该是以铁路为主动脉公路、水运、管道、航空均衡发展、协调配合的体系， 以实现达到较高的运输效率和较低的社会成本，促进经济、社会的可持续发展。由 于高速铁路较普通铁路具有更大的环境优越性因而是可持续性运输最适宜的方 式。 6 北方交通大学硕士学位论文 第二节铁路运输的能耗现状 一铁路运输发展现状 ( 一) 运输设施 1 9 9 9 年全国铁路营业里程已近6 万公里其中国家铁路5 7 9 2 2 公里，地方铁路 6 2 1 8 公里左右。除西藏自治区以外，全国各省、市、自治区都通上了铁路。在5 7 9 万公里国家铁路中，复线里程2 0 9 2 5 公里占营业里程的3 6 1 。电气化线路1 4 0 2 4 公里，占营业里程的2 4 2 。自动闭塞线路1 7 9 6 9 公里，占营业里程3 1 电气 集中的车站达5 1 9 2 个，占全部车站的9 0 1 。我国铁路的营业里程虽然有了较大 的增加，复线、电气化线路以及自动闭塞线路里程比重也有了较大的提高但无论 是数量还是质量都还不能满足国民经济与社会发展的需要。 ( 二) 运输设备 1 9 9 9 年我国铁路机车拥有量1 4 4 8 0 辆，其中地方铁路3 5 5 辆在国家铁路的 机车中蒸汽机车1 0 1 5 辆占总数的7 ，比1 9 7 8 年的7 8 2 8 辆减少6 1 8 3 辆，减 幅达7 9 “。内燃机车1 0 1 2 1 辆比1 9 7 8 年增加8 3 1 6 辆，增加3 5 9 倍。内燃机车 占总数比重已达6 9 9 。电力机车3 3 4 4 辆，比1 9 7 8 年2 2 1 辆增加l o 倍以上。电 力机车已占总数的2 3 1 。 1 9 9 9 年国家铁路的客货车辆已达3 4 5 万辆与4 3 6 2 万辆。比1 9 7 8 年的1 4 8 万 辆与2 5 _ 0 1 万辆增加1 3 3 1 和7 4 4 。1 9 9 9 年国家铁路货车的总载重吨位已达 2 5 9 5 8 万吨，比1 9 7 8 年1 2 3 0 2 万吨增加1 1 1 。与同期货车车辆的增幅相比高出3 8 5 个百分点，主要原因是铁路大型车辆不断增加的结果。 ( 三) 客货运输量 1 9 9 9 年客货运量已达9 7 7 亿人与1 5 6 9 亿吨，与1 9 9 0 年相比增长3 1 与6 9 ：旅客周转量和货物周转量4 0 4 6 2 7 百万人公里与1 2 5 7 8 8 9 百万吨公里与1 9 9 0 年相比增k5 5 6 与1 8 7 。 二铁路运输能源消费现状 1 9 9 0 年铁路蒸汽机车完成的总重吨公里还占全国铁路的2 9 1 ，而到1 9 9 9 年 已下降到1 3 。1 9 9 9 年铁路内燃、电力机车完成的总重吨公里已占全国铁路的6 8 4 与3 0 3 。 目前铁路运输能源消费主要的实物量是煤炭、柴油与电力。铁路运输能源消费 1 北方交通大学硕士学位论文 量中的煤炭消费量仅指蒸汽机车用煤。虽然铁路运输的电力消费量绝大部分也是由 火电供应，是由煤炭转化而来但为了简化起见，这部分能源消费量只作为电力消 费来计算。19 9 9 年中国铁路运输共消耗煤炭1 0 5 6 万吨、柴油5 0 4 万吨、电力4 4 6 3 亿千瓦小时。1 0 年来柴油消费量增加1 叭倍。电力消费量增加7 7 随着铁路运输的快速发展和运输结构的变化，铁路运输能源消耗结构也发生了 较大变化一次性液体燃料消耗比例快速增加。随着我国经济建设的飞速发展和提 速的影响铁路运输的能源消耗量也将随之增加，预计2 0 1 0 年铁路将消耗1 8 0 9 万 吨标煤2 0 2 0 年将消耗2 3 6 3 万吨标煤。因此，如何切实提高运输能源效率，降低 铁路能耗量应放在一个重要的位置上。 第三节节能在城市交通中意义 随着工业化进程的加快，城市的规模也越来越大，大中城市的交通问题也愈来 愈严重。世界各国也都在不断地摸索治理城市交通问题的对策。纵观世界各国的交 通政策，可以很客观的说，轨道交通已被放在解决未来城市交通拥挤的骨干位置上。 轨道交通所特有的、良好的可持续发展特性更是她作为未来发展焦点的关键。 我国虽然人口多，是一个低收入国家，但同时也有良好的出行需求基础。从可 持续发展角度出发无论是城市交通还是城市阃运输，发展轨道交通系统都将是 唯一正确的选择。 作为一个人口大国人均资源的相对稀缺使得我们更应重视各行业的可持续发 展问题，研究具有长远可持续发展特性的技术政策作好行业发展规划。改革开放 以来我国的客货交通量有了巨大增长，道路建设与汽车工业也得到了长足发展。 相对来说，铁路在改革开放初期经历了很长一段时间供不应求的运营状况后，供需 关系开始缓和虽然这一定程度上是其他运输方式发展的结果，但也应看到：这是 历史的必然。 目前全国正在筹建轨道交通系统的有2 0 多个城市，线路总长6 0 0 多公里：广 州市轨道交通网络以1 、2 、3 号线为基本骨架近期增加5 、6 号线，远期7 号线。 7 条线共2 0 6 5 公里；深圳地铁一期由l 号线东段和4 号线南段组成 正线总长1 9 4 6 8 公里，1 8 站：大连规划的一期快轨线路总长1 3 7 公里，其中地下线9 4 公里，高 架线4 3 公里设1 3 站；上海地铁l 号线1 9 9 5 年4 月投产，全长1 6 1 公里，设1 2 站，明珠线一期工程正线长度2 4 9 7 公里，其中高架线2 1 3 公里，地面线路3 6 公 8 北方交通大学硕士学位论文 京市目前有5 3 ! 公里地铁，4 l 站，1 9 9 8 年修订的规划网络包括1 3 条干线，2 条支 线，4 0 8 2 公里；乩明提出总长6 0 公里的井字形路面轻轨系统规划；天津市地铁既 有线7 4 公里，规划线路j 5 3 9 4 5 公里：此外重庆、南京、沈阳、青岛等城市也都 有轨道交通建改计划。 根据国内外的研究成果，短途轨道交通的节能效果要比睦途列车运输的节能效 果好。同国外相比，我国城市地铁的自动化程度不高，基本上是凭经验组织运营。 因此，在我国人力发展轨道交通的形势下，城市交通中列车操纵的节能问题也具有 现实意义。 第四节列车操纵优化问题 所谓列车操纵优化问题是指在满足一定的约束条件下，按照某种优化目标， 列车操纵过程进行优化，并通过对司机操纵的具体指导，实现列车的优化操纵；或 根据特定的要求寻找司机的合理操纵方式。而列车的节能操纵，则是在一定的运 行条件限制下，寻求虽有利于节能的列车操纵方式。这是列车操纵优化问题研究的 最为广泛的重要方面。 铁路运输部fj 是国民经济中耗能擐大的单位之一，其节能研究有重要意义。铁 路运输的能源消# e 涉及诸多因素。在一定的牵引机车、车辆、线路等环境下和既定 的运行图、列午编组计划等运营管理状况f ，改进机车的操纵方法以实现列车的节 能运行，是一条经济有效且直接易行的。协能途往。箨国都很重视这一技术的研究。 八十年代以米，德国、澳大利弧、前苏联、匈牙利、保加利亚、英国、丹麦、日本、 加拿大、美国等许多国家在列车节能操纵方面进行研究和试验，总结节能的列车操 纵方式，并应垌微机技术研制开发列车优化操纵的微机指导系统、微机控制系统、 操纵仿真系统等。从箨国报道的运用情况看，列车优化操纵的节能效栗一般为5 一 1 5 。南澳大利弧洲研制的司机驾驶指导装置燃油消耗费可降低1 0 一1 5 。德国 通过开发一种州乍操纵方式仿真模型，仿真试验的结果表明采用最佳节能操纵方式 组合可节能达2 5 3 。旬牙利的m a v 公司开发了可降低牵引能量消耗的车载计算机 系统。丹麦国家铁路应用一种称为l 1 s e 的微机系统，适时给司机提示节能操纵方式， 可节省燃油5 1 0 。英国开发了计算机控制的列乍。睁行系统t c a s ( t r a i nc o a s t i n g a d v i s o r ys y s t e m ) ，主要j j 于市郊列车上，可节能5 。 我国铁路科技l ：作者根据我国铁路运营情况也开展了列车节能运行优化操纵的 9 北方交通大学硕士学位论文 研究工作。北方交通大学采用离线寻优、在线模糊控制的方法，研制了一种用单片 机控制的机车优化操纵微机指导系统。西南交通大学结合国家“八五”科研项目研 制了以微型机控制的司机操纵指导系统。现场机务部门的科技人员也对节能操纵方 法进行了探讨西南变通大学金炜东博士提出了“局部一全局”优化，采用神经网 络和遗传算法建立了列车优化操纵模型。目前铁路部门研伟4 和装车使用的列车运行 速度监控装置已实现了列车运行状态的微机实时检测。如果在机车上设置司机操 纵指导系统，则可包容这些装置的功能。在发展高速铁路的形势下，列车的自主驾 驶( a u t o n o m o ms m e r i n g ) 已成为高速铁路技术研究的焦点之一。发达国家在列车 自动控制系统方面的研制工作起步较早，技术也比较先进。司机操纵实时指导系统 的研究，可咀说是我国今后发展列午自主钾驶系统的初级形式和前期丁作。而在目 前，对于提高铁路运输能力和节约能源消耗则更具有现实意义。 1 0 北方交通大学硕士学位论文 第二章牵引计算基础理论 第一节影响列车运行过程的因素 铁路列车的移动是在一个复杂多变的环境下由多因素作用的结果。这些作 用既有静态的，也有动态的。在环境因素中，主要包括下列因素： 线路条件线路是列车运行的基础，它既涉及到坡道、曲线、桥梁、隧道、 车站等土木方面的问题，也有轨道电路、分相绝缘器、变电所等电气方面的问题。 列车条件列车是系统研究的主要对象之一，但列车本身又是多变的因素之 一。它涉及到机车类型( 影响到牵引及制动能力) 、车辆类型及数量( 影响列车质 量、长度及制动性能) 等。 信号条件当存在多列车时，信号影响着列车的运行，列车运行特性又是确 定信号机位置的重要方面。 供电参数包括牵引供电方式、供变电所的位置及主要参数，重点针对电力 牵引环境。 计算原则列车运行有许多计算前提条件，如注重运输成本的经济性节能操 纵，注重效率的节时操纵，以及其他因素等。 。 第二节列车运动的原理方程 列车牵引计算的核心是解释推导列车运动方程，及研究列车运行中其加( 减) 速力与列车加( 减) 速度的相互关系从而找出列车运行速度、运行距离、运行时 间及牵引重量之间的相互关系。为此首先要研究列车运行中发生的对列车运行有 直接影响的各种外力： 机车牵引力f 一有动力传动装置引起的与列车运行方向相同的外力。这是司 机可以控制的使列车发生运动或加速的力。 列车运行阻力一列车运行中由于各种原因自然发生的与列车运行方向相反 的外力。它的大小是司机不能控制的。它的作用是阻止列车发生运动或使列车自然 减速。 列车制动力b 一由制动装置引起的与列车运行方向相反的外力它是人为的 北方交通大学硕士学位论文 阻力，它的大小是司机可以控制的。它的作用是使列车产生较大的减速度或者在长 大下坡道防止列车超速运行，或者防止列车在车站停车时由于坡度或大风而自然溜 走。 根据线路情况和列车运行要求，机车可以有三种工况每种工况下作用于列 车上的合力由不同的力组合而成； 牵引运行。作用于列车上的力有机车牵引力f 和列车运行阻力w ，其台力 c = f - v 惰行。做用于列车上的只有列车运行阻力w ，其合力 c = 一掣 制动运行。作用于列车上的力有列车制动力b 和列车运行阻力w 其合力 c 一 b + * ) 当合力c o ，即合力方向与列车运行方向相同，它是加速力，列车将加速运行； 当台力c 塑二翌堡1 0 0 ( 3 1 ) 脚01匠+z玎妊 式中 o j 嘣- c o o 低分别为某一高手柄位和某一低手柄位时所对应均衡速度下的 列车运行单位基本阻力； f 坡道坡度，上坡取正值，下坡取负值； r 高- 吩别为高手柄位和低手柄位时的机车总效率 对( 3 - 1 ) 式可做如下表述：当列车达到均衡速度时高手柄位比低手柄位所增 加的列车运行单位阻力( 等于高一低) 与低手柄位下的总单位阻力相比增加的 百分数，太于机车总效率增加的百分数时，使用高手柄位比低手柄位费油。 在( 3 - i ) 式成立的前提下- 证明列车使用高手柄位比使用低手柄位费油运 行速度高比运行速度低费油 证明：设机车质量为p ，牵引质量为g ；牵引运行时高手柄位燃油消耗量和 机车总效率分别为毛离和，7 高；牵引运行时低手柄位燃油消耗量和机车总效率分别 为点k 和刁抵；燃油热值为口：熟功当量为j ：走行距离为s ；重力加速度为g 。 则有： e k q j = 高( p + g ) g s + f ( 尸+ g ) g s ( 3 - 2 ) e 蛳o 叩低j = 6 0 0 低( p + g ) g s + i ( p + g ) g 。s ( 3 3 ) ( 3 - 2 ) ( 3 - 3 ) 式相比得 整理得 坐= _ c o o 自i + i ( 3 - 4 ) 止麻。m o 低- - 钮难等筹 s ， 由( 3 - 1 ) 式得 堕童兰 鱼( 3 - 6 ) o 低+ z 啊i 匠 ( 3 - 6 ) 式结合( 3 - 5 ) 式得 舻。老萋 协， 即 ( 3 8 ) 把各型机车牵引各种列车在各手柄位达到均衡速度时得出的有关数据代入 ( 3 - i ) 式进行验证，一般情况下均能成立。当基本阻力特性越强，并且i 值越小时， 北方交通大学硕士学位论文 这种关系越明显。 当( 3 - 1 ) 式变为等号时，高手柄位与低手柄位耗油量相等；当( 3 ”式变 为小于号时，低手柄位反而比高手柄位费油。出现这两种情况的机率要比大于号小 的多。只有牵引质量选到一定程度的重货列车在较大上坡道上运行才可能呈现这种 规律。这是因为：坡度大，牵引质量大，高手柄与低手柄相比增加速度小，因而列 车运行单位基本阻力增量小；而由于坡度大分母( d h 。+ j ) 大故运行单位基 本阻力与低速时总单位阻力( 总单位阻力此时等于运行单位基本阻力与单位坡道附 加阻力之和) 相比增加的百分数可能较易小于机车总效率增加的百分数。 第二节列车宏观经济操纵方法的构思 列车的实际运行过程，由于受到许多因素的影响，其随机性很大，这就使操 纵显得很复杂。尽管操纵方式似乎千差万别，但从经济操纵的目的来看。都可归纳 为两种最基本的宏观经济操纵方法暂称为开放式和保守式操纵。 一般而言，凡是列车运行图所规定的或列车调度员根据实际情况所安排的停 车以及操纵示意图中为不超过各种限制速度司机所采取得制动停车或制动调速 等，如司机能按照相对应的最经济的操纵方式对列车施行控制此时的制动就是必 要制动。反之，就为不必要制动。不必要制动在某一运行条件( 列车运行图所规定 的运行方式、运行时刻、种种限制速度、站场所处位置、线路纵断面以及信号设置 位置等) ，按其责任分，主要有机车司机、车站值班员和列车调度员三方面。 机车司机方面 此方面最主要的原因是由于司机对经济操纵的一系列基本观点和各种宏观控 制方法的知识欠缺，以致于在实际操纵中有许多经济控制点不能够很好的把握，再 加之盲目早点，臆测行车，以致造成不必要的制动损失。当然除此之外司机的行 车经验、精神状态、责任心等也是不容忽视的。 车站值班员方面 当临时安排开来列车在车站停车或当车站接发列车、调车作业等，可能对通 过列车产生影响。而车站又不预告或不提前足够的时间预告开来列车司机，司机仍 采用开放式操纵( 即认为前方站是可以j e 常通过的) 运行。此时，造成不必要制动， 主要是车站值班员责任。 北方交通大学硕士学位论文 列车调度员方面 主要是对列车运行的速度特性不十分清楚。当调度列车时，使列车产生巨大 的不必要制动损失就在所难免。例如，安排某一重货列车在位于长大下坡道尾部的 中间站停车，其所产生的制动损失是巨太的，这是机车司机和车站值班员所无法避 免的。 现阶段经济操纵的侧重点应是尽量避免或减少重货列车的不必要制动损失。 综合分析列车运行所受到的各种阻力以及功与能之间的关系，在通常气候条 件下，某列车在某区段运行全过程的功能平衡式我们暂称为经济操纵总表达式， 并可用下式表示： 帆= + + + + 呐( 3 - 9 ) ( 3 - 9 ) 式忽略了列车在起动过程中与运行相比所多做的那部分功和隧道空气附加 阻力对列车所傲的功。 式中 m ，在该区段机车所做的总轮周功。其中乩为某手柄位f 的轮周 功率，f 为在该手柄位所使用的总时间： 、 釜在该区段运行基本阻力( 变力) 对列车所做的功： 以不在该区段因不必要制动所消耗的列车动能； e 必在该区段必要制动所消耗的列车动能； ，在该区段曲线附加阻力对列车所做的功： 呐该区段始发站与终点站该列车的重力势能差其中h 】为始发站标 高- h 2 为终点站标高当h 1 h 2 时，：一取负值- 反之取正值- 某区段在某一运行条件下，其中主要包括站场所处地理位置，线路纵断面， 信号设置位置列车运行图所规定的运行方式、运行时刻以及各种限制速度等这 些共同决定着能源消耗基数。显然，能源消耗基数低的区段为经济区段，反之为不 经济区段。造成能源消耗基数高的根本原因是下坡道重力势能转化的列车动能不能 h 北方交通大学硕士学位论文 得到充分利用，使巨大的列车动能白白消耗在制动中通过比较各区间艺b 必的 大小就能够初步确定各区段的经济性，从而为制定各区段万吨公里用油标准提供科 学依据。 ( 3 - 9 ) 式右侧经济操纵所涉及的只有第l 项和第2 项。这是因为3 - - , 5 项作为已 定列车在某种运行条件下可以认为是定值，是无法改变的- 而，吒和j 却是 变量，它们随操纵方法和调度方法的不同而存在很大差别。因此，长期以来我们所 寻求的正是围绕在给定运行时间和路程的条件下，如何尽量减少机车为克服运行基 本阻力所做的功和如何尽量避免或减少不必要制动损失的经济操纵方法。 通过以上分析，可归纳出两种最基本的宏观经济操纵方法，即开放式操纵和 保守式操纵。 开放式操纵是指列车运行在理想条件( 列车运行不受任何非正常阻碍) 下， 司机只是根据列车编组、线路纵断面等情况以及列车运行图规定的运行时刻，并参 照经济操纵的某些观点、方法适时的调节手柄档位或为不超过某种现速进行必要 的制动调速，我们称此种理想条件下的速度线为开放式速度线。它近似于现阶段各 机务段操纵示意图上的通过速度线。列车沿开放式速度线运行时的宏观经济操纵方 法就为开放式操纵。开放式操纵又分牵引开放式和制动开放式操纵。 牵引开放式操纵所遵循的主要经济操纵原则之一，是当列车中途运行在较为 平坦的线路上时，司机府根据列车编组及线路纵断面等情况适时调节手柄档位，以 使列车保持较为恒定的速度运行( 动能闯坡等情况除外) 。原则之二，是当列车运 行变为惰力运行时，在运行时间允许的前提下，要尽可能的减少机车牵引力提供给 列车在经济控制点的动能( 速度) 。 制动开放式操纵的原则之一是在恰当时机，采取合理的制动措施。做到既 安全，又尽量缩短运行。原则之二，要掌握好缓解时机以尽量拓宽列车的有用动 能( 速度) 范围。 保守式操纵是指列车运行在非理想条件下( 列车若按开放式操纵运行会受到 阻碍影响) ，司机为了尽量避免或减少不必要的制动损失而采取的一种适当拖延必 要时间的方法。保守式操纵又分牵引保守式和制动保守式操纵。根据这一定义- 可 以使我们很容易联想到在现阶段运输繁忙的主干线上，那种始终使货物列车运行 的理想条件并不多见。因此，保守式操纵就显得尤为重要。 北方交通大学硕士学位论文 牵引保守式操纵的原则之一，是指在牵引阶段，司机依据实际限制时问( 阻 碍影响的程度) 及早使列车转入惰行或低档位观察运行，以降低运行速度，拖延必 要时间。这样做一方面避免了不必要的制动损失：另一方面起到了节能效果。原则 之二当列车运行前方为长大下坡道而需要制动调速，由牵引变为情行时，在运行 时间允许的前提下要尽可能的减少机车牵引力提供给列车在经济控制点的动能( 速 度) 。 制动保守式操纵原则之一是，提前采取制动措旌，依据实际限制时间尽量多 消耗列车的无用动能，以拖延必要时间，避免不必要制动损失( 有用动能损失) 。 原则之二掌握好缓解时机以拓宽列车的有用动能( 速度) 范围。 在实际操纵中，机车司机首要的任务是能熟知这两种宏观控制方法。如能清 楚操纵目的，谙熟线路和列车在线路各参照点具有动能的有用程度，便掌握了机车 操纵的主动权，从而使列车沿经济( 安全) 速度线运行。 第三节从运营管理角度的节能分析 一发展电力牵引对节能的作用 牵引动力采用哪种形式，对于合理使用能源影响很大。这是一个国家发展铁路 运输的战略决策之一。我国铁路目前尚存在三种牵引方式，即蒸汽牵引、内燃牵引 和电力牵引。不同类型的牵引动力，其效率差别颇大，据1 9 8 5 年我国的计算资料， 三种牵引动力的平均总效率，蒸汽机车为8 2 3 内燃机车为2 0 - - - 2 4 电力机车 为2 8 9 ( 包括发电厂与电网效率，牵引网效率和机车传动效率) 。其中电力机 车的总效率还将随着我国水电在总发电量中所占比例的日益提高，而得到相应提 高。 电力机车的高效率使得电力牵引的实际能耗最低，具有明显的节能优势。根据 我国三种牵引区段平均单位能耗的统计，并换算为每万吨公里标准煤的千克数，1 9 9 7 年的计算结果是：电力机车为1 3 7 ，内燃牵引为2 5 2 ，蒸汽牵引为1 5 5 6 。 据以往资料有关学者对2 0 0 0 年的测算，到2 0 0 0 年我国全年所需机车工作总量 是3 5 8 8 7 5 亿总重吨公里。若按电力承担5 0 内燃承担3 0 ，蒸汽承担2 0 ，全 路总能耗为2 4 5 2 5 6 万吨标准煤。若将电力牵引承担的客货周转量提高到6 0 ，内 燃承担量减少为2 5 ，蒸汽承担量减少为1 5 ，则全路总能耗为2 1 1 8 9 8 万吨标准 北方交通大学硕士学位论文 煤。就是说电力牵引承担的机车亿总重吨公里工作量增加1 0 ，当年即可节约3 3 8 5 8 万吨标准煤。这个数字充分显示了电力牵引节约能源的巨大作用。 电力牵引明显的节能效果，旱在其他国家得到普遍的重视。用电力牵引取代蒸 汽牵引，发展电气化铁路已经成为各国节约能源的重要途径。日本动力现代化计划 的目标之一就是有效地利用能源。日本国营铁路从1 9 5 0 年开始实施的1 5 年内淘 汰蒸汽牵引得动力现代化计划，从实践上说明了电力牵引的节能效果。从1 9 5 5 年 至1 9 7 8 年闻，日本铁路运量增加了10 5 ，而在同期能源消耗却下降了2 0 。 二动能的利用 在保证运行时分的条件下，多运用惰行工况，尽量延长惰行时间，充分利用列 车的动能运行是行之有效的节能措施。 在列车实际运行中锯齿形操纵方法在一定的范围内能起到节能效果。但当平 均速度过高时，也可能会出现能耗反而增加的情况。 三运行时间 由于各种原因，两停车站问规定的运行时分有时会得不到满足，出现早点或晚 点的现象。从节能的观点考虑，缩短运行时间需增加牵引耗能从而增加了能耗。 因此，早点和晚点后的赶点都将增加能耗。一般不宣采用。在可能情况下，一般咀 缩短停站时间来恢复正点为好。 四停站次数 列车每次停车都将消耗列车己获得的全部动能。列车重新启动又将消耗牵引能 量以获得动能。所以列车运行时应尽量减少临时停车次数，以减少能耗。 五改进运营管理 列车的编组旅行速度和同一区间的行车量，以及行车指挥等都会影响列车运 行能耗。所以，正确的编制运行图、运输计划，合理的指挥行车也都是节能的必要 措施。 在运量大的区段尽量加大车辆长度和列车编组长度是当今各国普遍采用的节能 方法。长大的重载列车可以充分利用机车的功率，使机车经常处于满负荷下工作， 以获得高的热效率，同时能减少列车运行阻力。 运行图的最优化将会降低列车运行能耗。确定最佳旅行速度和运行时分是运行 2 7 北方交通大学硕士学位论文 图最优化的关键一环。 在给定列车和线路参数的情况下，当旅行速度超过某一数值时，列车所需动能 的增长相当迅速。特别是在市郊铁路客运中提高旅行速度所缩短的旅行时间，往 往几乎不为短途旅客所察觉，而为此增加的能耗