朔黄线重载列车节能策略的设计与实现

朔黄线重载列车节能策略的设计与实现程伟1，陈临强1，郑木火2 (1.杭州电子科技大学，浙江杭州 310038;2.浙江浙大网新集团浙江杭州 310052）摘要：重载铁路运输目前已经成为国际铁路发展的重要方向。由于重载列车车身长，载重大，目前对大运量重载列车节能研究，主要是围绕列车节能运行的技术操作层面展开，比如以列车动力系统为研究对象的牵引动力优化研究。而从操纵优化角度研究重载列车节能操控方式较少，尤其是具体到朔黄铁路上的操纵标准几乎没有。本文运用能量守恒定律和动力学方程设计了基于朔黄线上的重载列车节能策略。通过sim仿真，得出在相同路况下，速度波动越低，平均速度越小，越节能；平均速度相同时，空气制动次数越多或制动距离越小，越节能。并在朔黄线的测试中得以验证。在确保安全，准点，满足线路限速条件以及机车自身性能的条件下，实现节能5%以上的指标。关键词：重载铁路；动力学方程；节能策略；仿真测试；现场测试中图分类号：u284.482 文献标志码： A 0 引言国家科技支撑计划项目—轴重30t以上煤炭运输重载铁路关键技术与核心装备研制，有利于提高铁路重载运输体系和创新能力【1】。目前对大运量重载列车节能研究，主要是围绕列车节能运行的技术操作层面展开，比如以列车动力系统为研究对象的牵引动力优化研究【2】。而从耗电量角度研究重载列车节能操控方式较少，尤其具体到朔黄线上的操纵标准几乎没有。在借鉴其它铁路的研究经验上，本文以朔黄铁路为研究对象，提供了一种在满足安全,准点运行前提下，从耗电量角度设计的节能操控方式，实现该线路上重载列车节能控车。 1 动力学模型朔黄铁路目前使用的机车有韶山直流电力机车SS4G,SS4B以及神华号HXD1八轴交流机车。本文以朔黄线的主力机车HXD1为例展开描述，其它机车类似推导得到。图1给出了根据牵引计算规程对HXD1机车测试的牵引/制动特性曲线：图1 HXD1机车牵引/制动特性曲线收稿日期：基金项目：国家科技支撑计划项目“轴重30t以上煤炭运输重载铁路关键技术与核心装备研制”(2013BAG20B00，2013BAG20B01). 作者简介：程伟（1991-），男，安徽黄山人，硕士生.研究方向为嵌入式人工智能，智能控制，曲线优化. 该图反映了速度和最大牵引/制动力之间的关系。由图1可知，65km/h~120km/h为牵引恒功率速度范围；制动特性中，5km/h ~ 75km/h区间是恒力区，75km/h~120km/h区间是制动恒功区。朔黄铁路重载列车速度控制在75km/h以下，因此在制动时基本是恒力区。本文以朔黄线的主力机车HXD1为例展开描述，其它机车类似推导得到。在长大下坡段，当施加最大电制动时仍下于坡道附加阻力时，就需要施加空气制动加以辅助，保证列车不超速。由于重载列车质量大，以神八机车牵引116节C80货车为例子，满载总重11800吨，动态基本阻力以列车运行速度70Km/h，按《牵引计算规程》公式计算值约为220KN，在6‰的坡度上受到的坡道附加阻力值约为683KN，神八机车最大电制动力为461KN。此时的坡道附加阻力大于动态基本阻力和最大电制动力之和，也就是说在千分之六的坡度，神八机车牵引万吨加最大电制动力，列车速度还会继续涨速，这就可能导致重载列车超速。重载列车此时需要施加空气制动来达到控制列车速度的目的。因此选择坡度值6‰作为其中空气制动施加的一个判断依据。考虑到在6‰以上的坡需要施加空气制动，下面研究以电制动为主的坡度情况。还是以神八机车牵引116节C80货车为例子，满载总重11800吨，动态基本阻力以列车运行速度70Km/h，按《牵引计算规程》公式计算值约为220KN，在4‰的坡度上受到的坡道附加阻力值约为392KN，神八机车最大电制动力为461KN。此时动态基本阻力小于坡道附加阻力，而加上电制动力之后大于坡道附加阻力，也就是说在千分之四以上，千分之六以下的下坡，神八机车通过电制动即可降速，不需要施加空气制动。因此可选择坡度值在4‰作为需要施加电制动的一个判断依据。根据重载列车特点（大轴重、长编组）以及朔黄线实际路况（线路多长大下坡），能耗主要以坡道附加阻力，基本阻力和空气制动做功为主。建立的耗电模型和产电模型如下： 1.1 耗电模型设计列车在牵引力做功时会消耗电能，设A点到B点位移为S，列车在A点的速度为V0，到B点的速度为Ve，模型建立的前提条件：（1）把列车看成一个质点；（2）只考虑列车牵引/制动系统的耗电/发电；（3）A到B的运行时间一定简化模型如图2所示，A-B为平坡，在B-C爬坡时，需施加大牵引：图2 牵引模型根据能量守恒定律，可建立如下关系式： (1) 其中：（1）,：列车在A，C两点的动能（2）：从A点到C点牵引力做功（3）：从A点到C点基本阻力做功（4）：从A点到C点势能增加量根据《牵引计算规程》【3】，列车基本阻力公式 (F - N/KN, v - km/h)，其中,a,b,c为与车辆类型有关的常数，以HXD1型机车为例:，v为当前列车速度。根据公式(1)可得牵引能耗为： (2) 其中为动能变化量，由于具体线路上从A运行到C点，势能变化已知，故牵引能耗的优化与基本阻力能耗和动能变化量有关。因重载列车载重量大，结合朔黄线路况，其运行过程中速度变化小，相对基本阻力做功耗能可忽略不计。从公式（2）可以得出如下结论：（1）列车牵引能耗值与其运行速度有关；（2）列车运行速度越低，基本阻力耗能越小，从而牵引耗电越小； 1.2 产电模型设计 HXD1机车电制动采用再生制动方式，牵引、制动转换平滑，去除了故障率较高的电阻柜，大大提高了机车的操控性和可靠性，并使长时间使用电制动成为可能。对于朔黄铁路重载运输来说，如果牵引相同质量的列车，HXD1的性能明显优于SS4G。朔黄线因存在连续长大下坡，需施加空气制动，其模型建立前提条件除第（3）点外与耗电模型一致，机车制动运行简化模型如图3所示，A-B为长大下坡，B-C为平坡：图3 制动模型根据能量守恒定律：（3）其中：（1）：列车在A,C两点的动能；（2）：从A点到C点制动力做功；（3）：从A点到C点基本阻力做功；（4）：列车在A点的势能；（5）：从A点到C点空气制动力做功；故制动能耗为：（4） HDX1机车制动力做功电能转化率最高可达85%，结合公式(4)，在初始势能能确定时，的优化值与有关，从公式（4）可以得出如下结论：（1）空气制动做功相同时，速度越低，电能产量越多；（2）速度相同时，空气制动做功越少，电能产量越多； 2 节能算法理论设计在第二节结论基础上，本节给出一种新的节能计算模型，得出节能控车优化策略[4]。对比列车从A站运行到B站的不同操控方式能耗关系，可分匀速运行与非匀速运行2中情况考虑。前提条件：（1）A站到B站运营时间相同，时间为T; （2）为简化计算量，设A站和到B站的速度相同，并且等于匀速运行的速度；（3）