机车牵引式列车设计参数计算程序的开发与应用

王 伟 谢红太,2 孙荣刚 党元鹏

(1. 华设设计集团股份有限公司， 南京 210014；2. 兰州交通大学, 兰州 730070)

列车牵引计算是一个复杂而庞大的系统，涉及专业领域广、计算复杂。近年来列车牵引计算已建立了一个较为成熟的可基本覆盖所有牵引计算问题的计算系统，涉及铁路运输、机车运用、选线设计、通信信号及运输经济等方面[1-2]。但在新建铁路机车牵引式列车设计参数的计算、选取等方面，现有的牵引计算系统软件无法满足具体特定行业不同部门、不同层次的用户需求[3-6]。

本文以VB编程语言为基础，研究开发了新建铁路机车牵引式列车设计参数计算程序。该程序运用Word软件的“域”和“宏”两个功能，应用VBA编程技术以新建铁路铁路机务专业设计内容为例子，完成对设计文本、表格等自动处理，打印输出Word设计检算报告[7-9]，提高了工作效率和工作质量。

1 新建铁路列车牵引计算系统设计

1.1 新建铁路机务设计需求

随着全国铁路网的逐步统一和完善，国家对铁路设计行业提出了更高效、优质、绿色、节能等的设计要求，也对铁路机务专业设计者提出了更专业的用户设计需求[10-12]。用户设计需求主要包括：

(1)面向机务专业设计者的全参数化新建铁路机车牵引式列车设计参数计算系统。

(2)面向线路、站场、车辆等相关设计专业的核定设计计算系统。

(3)面向业主的简易核准设计计算系统。

1.2 系统结构设计

新建铁路机车牵引式列车设计参数计算系统，主要包括数据库存储管理系统、牵引设计计算系统及界面系统3个组成部分。系统结构层次如图1所示。

图1 系统结构层次图

1.2.1数据库存储管理系统

将截止2018年底国内投入运营的全部客货用电力机车及内燃机车的基本设计参数统一录入基于VB语言开发的设计计算系统程序[13-17]。

1.2.2牵引设计计算系统

新建铁路机车牵引式列车设计参数计算系统主要包括新建铁路设计参数预处理系统、机车牵引式列车设计参数查询系统、新建铁路环境影响修正处理系统、新建铁路机车牵引重量检算系统及设计参数输出处理系统5个模块[18-20]。

1.2.3界面系统

利用VB语言实现界面系统的可视化，新建铁路机车牵引式列车设计参数计算系统的主界面如图2所示。

1.3 新建铁路设计机车牵引计算参数设计开发

新建铁路在设计过程中，对线路纵断面和机车交路的优化，须进行牵引计算分析[21-25]，主要包括牵引种类的选择、机车类型的选定、机车牵引重量(牵引定数)的确定、是否需要多机牵引核准、环境影响因素修正、列车阻力计算、牵引重量检算等[26-27]。

基于VB语言的新建铁路机车牵引式列车设计参数计算程序系统整体流程如图3所示。

1.3.1系统初始化设计

系统初始化设计内容包括牵引种类的选择、机车类型的选定、机车牵引重量(牵引定数)的确定、是否需要多机牵引核准、境影响因素修正、牵引重量检算等方面。

主要代码如下：

Private Sub Form_Resize() ′软件界面窗口调整

Image1.Width=Me.ScaleWidth

Image1.Height=Me.ScaleHeight

End Sub

……

If OptionButton1.Value=True Then

图2 软件用户主界面图

图3 软件系统整体流程图

Combo1.Clear

Combo2.Clear

Combo3.Clear

Combo4.Clear

Combo5.Clear

Combo1.AddItem "DF4"

Combo1.AddItem "DF4B"

……

ElseIf OptionButton2.Value=True Then

Combo1.Clear

Combo2.Clear

Combo3.Clear

Combo4.Clear

Combo5.Clear

Combo1.AddItem "SS1"

Combo1.AddItem "SS3"

……

OptionButton1.Value=False

End If

Combo2.AddItem "默认计算海拔(700m)"

Combo2.AddItem "≤700m"

Combo2.AddItem "1000m"

……

Combo3.AddItem "默认计算温度(30℃)"

Combo3.AddItem "<30℃"

……

Combo4.AddItem 1000

Combo4.AddItem 2000

……

Combo5.AddItem 1

Combo5.AddItem 2

……

Combo1.Text=Combo1.List(0) ′默认初始化参数选择

Combo2.Text=Combo2.List(0)

Combo3.Text=Combo3.List(0)

Combo4.Text=Combo4.List(4)

Combo5.Text=Combo5.List(0)

1.3.2新建线设计限坡计算

根据列车运动方程式[28-29]，列车做等速运行时，在限制上坡道ix上合力为零的条件为：

(1)

得出列车以机车持续速度牵引设计牵引重量运行时限制坡度为：

(2)

在多机牵引或补给推送时的坡度为：

(3)

式中：Mg——单机和加力牵引重量(t)；

Mp，Mpk——机车计算质量(t)；

Mpk——第k台机车计算质量(t)；

Fc——机车牵引力(N)；

Fck——第k台机车的牵引力(N)；

λy——机车牵引力使用系数，取λy=0.9；

ix——限制坡度；

ijl——加力牵引坡度；

w′0——机车计算速度vj下的机车基本阻力(N/kN)；

w″0——机车计算速度vj下的车辆基本阻力(N/kN)；

w′0k——第k台机车在机车计算速度vj下的机车基本阻力(N/kN)；

w″0k——第k台机车在机车计算速度vj下的车辆单位基本阻力(N/kN)；

λk——第k台机车牵引力取值系数。

其中第k台机车牵引力取值系数λk，机车多机牵引使用重联线或同步装置操纵时，每台机车的牵引力均取全值，λk=1，分别操纵时，第2台机车及其以后每台机车的牵引力均取全值的98%，λk=0.95。

1.3.3内燃机车牵引力修正

各型内燃机车在周围空气温度不高于30 ℃、海拔不超过700 m的地区运行时，机车牵引力不做修正。

(1)周围空气温度修正

截止2018年底全路投入运营的内燃机车中，DF4(客、货)、DF4B(客、货)、DF4C(货)、DF8及DF11型机车在温度高于30℃的地区运行时，需进行机车牵引力修正，修正系数λh参照文献[13]表12内燃机车牵引力周围空气温度修正系数。

(2)海拔修正

截止2018年底全路投入运营的内燃机车中，DF4(客、货)、DF4B(客、货)、DF7D、DF8、DF11、DF8B(高原)及NJ2型机车在海拔高于700 m的地区运用时，需进行机车牵引力修正，修正系数λp参照文献[13]表13内燃机车牵引力海拔修正系数。

1.3.4牵引重量检算

对ix的选值，需检算牵引重量是否受列车起动条件、车站到发线有效长及车钩强度三者任一条件的限制，否则应降低牵引定数或对限制条件进行调整优化[30-31]。

(1)牵引重量检算

①起动检算

起动检算是检查列车在车站停车后能否顺利起动。假设列车起动时的牵引力等于总阻力，即：

(4)

得：

(5)

式中：Fq——机车计算起动牵引力；

w′q——机车单位起动阻力，取5.0N/kN；

iq——启动地段的加算坡度值。

当Mq≥Mg时，列车可以起动，检算通过；当Mq

②车站到发线有效长检算

车站到发线有效长检算是检查列车牵引重量是否受车站到发线有效长度的限制。

Myx=(Lyx-La-NjLj)×q

(6)

式中:La——安全距离，一般取30 m；

Lyx——到发线有效长度；

Lj——机车长度；

Nj——列车中机车台数；

q——列车每延米质量(t/m)。

当Myx≥Mg时，牵引重量不受到发线有效长度限制；当Myx

③车钩强度检算

在加力牵引上坡道上，若机车用重联方式牵引，第1位车辆的车钩所受拉力可能超过车钩允许强度。

(7)

式中:Fn——车钩允许拉力；

ijl——加力坡度；

w″0——按在ijl坡上的列车均衡速度计算的车辆基本阻力。

当Mc≥Mg时，应采用补机推送方式。

(2)牵引重量检算主要程序设计代码

主要代码如下：

……

Private Sub CommandButton1_Click()

Label35="——"

Label38="——"

Label40="——"

Label35.ForeColor=vbGreen

Label38.ForeColor=vbGreen

Label40.ForeColor=vbGreen

jdq=5 ′机车单位起动基本阻力(N/kN)

hdq=3.5 ′货车单位起动基本阻力(N/kN)

la=30 ′安全距离(m)

lyx=Val(Text2.Text) ′到发线有效长(m)

nj=Val(Combo5.Text) ′重联机车数量

qlm=5.677 ′列车每延米质量/(t/m)

If Label2.ForeColor=vbRed Or Label7.ForeColor=vbRed Then

Label35="——"

Else

gq=(0.9*fq*1000 - mp0*(jdq+Val(Text1.Text))) / ((hdq+Val(Text1.Text))*9.81)

If gq>=Val(Combo4.Text) Then

Label35="校验通过"

ElseIf gq

Label35="校验失败，请减小牵引重量或降低站坪设计坡度。"

Label35.ForeColor=vbRed

End If

End If

If Label2.ForeColor=vbRed Or Label7.ForeColor=vbRed Then

Label38="——"

Else

gdf=(lyx - la - nj * li) * qlm

If gdf >= Val(Combo4.Text) Then

Label38="校验通过"

ElseIf gdf < Val(Combo4.Text) Then

Label38="校验失败，请减小牵引重量或增大到发线有效长。"

Label38.ForeColor=vbRed

End If

End If

If Label2.ForeColor=vbRed Or Label7.ForeColor=vbRed Then ′Label40="——"

Else

gg=562500 / 9.81 / (w2 + pd) ′车钩允许拉力按(13#)562500N设计计算

If gg >= Val(Combo4.Text) Then

Label40="——" ′校验失败，请减小牵引重量或采用补给推送方式

Label40.ForeColor=vbRed

ElseIf gg < Val(Combo4.Text) Then

Label40="——" ′校验通过

End If

End If

End Sub

……

2 新建铁路列车牵引计算设计参数报告输出

2.1 设计报表生成系统

设计报表生成系统可根据数据文件完成对文档结构、文字、表格、图形的自动化处理。设计报表生成系统的实现框架示意如图4所示。

图4 设计报表生成系统实现框架示意图

2.2 设计报表生成系统主要代码

设计报表生成系统的部分重要代码如下：

Private Sub CommandButton2_Click()

Dim WordApp, Word As Variant ′定义Word文档对象

Set WordApp=CreateObject("Word.Application") ′创建Word文档

Set Word=WordApp.Documents.Add ′给工作表变量赋值

WordApp.Visible=True

Dim Table '定义一个表格

With Word '打开Word文档

……

.Paragraphs(.Paragraphs.Count).Range.Font.Name="隶书" ′Word文档格式设定

.Paragraphs(.Paragraphs.Count).Range.Font.Size=40

.Paragraphs(.Paragraphs.Count).Range.Font.Bold=True

.Paragraphs(.Paragraphs.Count).Alignment=wdAlignParagraphCenter

.Paragraphs(.Paragraphs.Count).Range.Font.Underline=wdUnderlineNone

.Content.InsertAfter vbCrLf & "新建铁路机车牵引设计参数计算报表" & vbCrLf & vbCrLf & vbCrLf & vbCrLf

……

.Paragraphs(.Paragraphs.Count).Alignment=wdAlignParagraphCenter

.Tables.Add Range:=.Range(Start:=.Range.End - 1, End:=.Range.End), NumRows:=6, NumColumns:=3, _

DefaultTableBehavior:=wdWord9TableBehavior, AutoFitBehavior:=wdAutoFitFixed ′根据表格中的内容自动调整单元格的大小，整个表格大小自动调整。

Dim h, zt, wt ′定义表格字体格式变量

h=15: zt=14: wt="宋体"

With .Tables(1)

.Cell(1, 1).Range.Font.Name=wt

.Cell(1, 1).Range.Font.Size=zt

.Cell(1, 1).Range.Font.Bold=True

.Cell(1, 1).Range.Rows.Height=h

.Cell(1, 1).Range.Text="序号"

.Cell(2, 1).Range.Font.Name=wt

.Cell(2, 1).Range.Font.Size=zt

.Cell(2, 1).Range.Font.Bold=True

.Cell(2, 1).Range.Rows.Height=h

.Cell(2, 1).Range.Text="1"

……

2.3 输出打印设计报表

以某新建铁路程项目设计采用DF8B(高原)型内燃机车为例输出打印设计报表。

2.3.1设计技术标准报表

根据新建铁路工程线路设计主要技术标准，经新建铁路机车牵引式列车设计参数计算平台设计、计算并检验通过后，推荐的机务设计主要技术标准如表1所示。

表1 设计机务主要技术标准表

2.3.2设计机车基本计算参数报表

设计机车基本计算参数如表2所示。

表2 设计机车计算参数详表

2.3.3本线设计坡度报表

计算输出本线设计坡度值为4.10(4)‰，设计取值4‰。

2.3.4机车牵引重量检算报表

机车牵引重量的起动、到发线有效长及车钩强度检算情况如表3所示。

表3 设计机车牵引重量检算报表

2.3.5报表输出

打印输出报表模板主要包括设计技术标准、设计机车基本计算参数、本线设计坡度、机车牵引重量检算及设计检算说明等5部分，如图5所示。

图5 设计报表模板图

3 结束语

基于VB应用程序设计开发的新建铁路机车牵引式列车设计参数计算系统在内燃机车及电力机车基本性能参数查询、机车运用环境影响因素精准修正、设计方案比较分析及牵引重量检算核准等方面为设计者和客户提供了一个全方位的高效设计检算平台。在此基础上期待后续行业内提出更为完善、高效便捷的机务设计检算程序。