列车节能操纵技术研究

向书元，邓家亮

（1.中国铁路南宁局集团有限公司 柳州机务段，高级技师，广西 柳州 545000；2.中国铁路南宁局集团有限公司 机务部，工程师，广西 南宁 530000）

1 现状

列车运行加速与机车能源节约之间是一对既互相依存又互相对立的矛盾关系，列车加速就意味着增加机车能源消耗。目前，列车操纵沿袭传统操纵模式，加之操纵者对速度与加速度理解不透，缺乏实际运用经验，造成运输效率低、能源消耗大等缺点，如何正确运用加速度理论成为列车节能操纵技术的重点研究方向。

2 理论研究

列车加速度表征了作用于列车上的牵引力、基本阻力、制动力三者所形成的合力ΣF，决定了列车运行速度变化的大小和方向，是影响列车安全运行状态发展趋势、反映机车乘务员实际操纵技术水平的最重要的因素。

2.1 加速度与节能操纵关系

列车牵引运行中，其功率消耗的能量都是以单位时间进行计算的。在功率一定的情况下，当列车加速，机车最佳加速时机与最佳功率决定了机车能源消耗能量省费程度，既以最佳的功率，用最短的时间，获得最大的加速度值，从而获得最大的速度上升空间。当列车速度达到一定范围值时，运行阻力逐渐增加，速度上升空间逐渐减小，加速度值也随之逐渐减小，仍大功率运行则效率降低，能源消耗增大。在功率、线路、速度配合的前提下，正确运用加速度就成为列车节能操纵技术的核心。

2.2 运行速度分析

在列车运行中，运行线路时刻处于直线、曲线（换算为坡道直线）、坡道变换中，运行速度也不断变换，属变速直线运动。在运用机车功率对列车速度进行调节时，根据前一分段点速度进行评估，判断列车是否处于正点运行或运缓状态，再决定加速或减速运行。根据区间里程、运行时分及坡度情况确定列车的平均速度值，从而确定列车运行的正点率，其依据就是无论列车速度如何变化，一定距离s 与运行时间t的比值就是列车的平均速度，如公式（1）所示。

2.3 加速度分析

2.3.1 加速度定义 加速度等于在匀变速直线运动中既时速度ut-初速度uo与所用时间t的比值，用于表示速度变化的快慢程度，加速度的数值表示每秒钟内速度的改变量，加速度值越大，表示速度变化越快，如公式（2）所示。

2.3.2 加速度方向 加速度是矢量，具有方向。在直线运动中，如速度均匀增加，则a＞0，ut＞uo，表示加速度方向与速度方向相同，其计算结果为正值，叫匀加速运动；如速度均匀减小，则a＜0，ut＜uo，表示加速度方向与速度方向相反，其计算结果为负值，叫匀减速运动；如速度保持不变，则a＝0，ut＝uo，其计算结果为零，属于匀速直线运动了。

公式4 由初速度uo、既时速度ut、加速度a、位移（路程）s四个不涉及时间t的变量组成，在匀变速直线运动的加速度计算中，只要知道初速度加速到既时速度所用时间，就可以计算出加速距离和加速度值，同理，在知道列车加速度值时，就可以计算出前方一定范围内的列车既时运行速度。

2.4 应用分析

2.4.1 加速应用 在列车运行中，无论线路纵断面如何变化，在纵断面坡度及曲线换算坡度进行简化折算后，均可视为在直线上运行的一般坡度。在分段操纵中，特别是在列车起动加速或动能加速时，根据列车加速时所用的时间，任一既时速度值都可计算出列车的加速度，进而计算出列车任意时刻的既时速度。

2.4.2 减速应用 在列车制动运行中，可以计算出从初减压制动速度开始到停车全过程中的列车减速度值或可以根据列车制动曲线运行轨迹中的任意一段计算出列车制动过程中的减速度值。在列车制动过程中，运行线路会产生一定变化，列车制动曲线运行轨迹无法均匀降速，但列车制动终点距离不会变，仍遵循运动学中抛物线的运动轨迹。

2.4.3 影响因素 在列车加速运行中，线路纵断面、列车速度、列车加速度等因素无法均匀变化，取用列车平均速度，因而计算所得加速度是列车平均加速度。在牵引力一定的情况下，列车质量越小、线路坡度值越小、速度越低，获得的加速度越大。

3 节能操纵技术应用

列车加速（起动强迫加速或坡道动能加速）的目的是为了提高运行速度、减少能源消耗，合理运用线路纵断面进行加速，充分发挥列车功率、速度优势，实现机车功率与列车速度及线路的有效配合，提高机车功率运用效率，达到节能的效果。在列车运行操纵过程中，应根据不同情况决定其操纵姿态。

3.1 即时速度接近或达到线路平均运行速度

根据区间线路运行平均速度或区间各分段点和分段平均速度，判断列车运行即时速度必须符合列车正点运行要求。

3.1.1 无较大线路变坡 列车速度在接近或达到线路平均运行速度时，尽可能避免大功率强迫加速，采取匀速维持运行姿态。

3.1.2 坡度较小、变化较多的起复坡道 以列车平稳运行为目的，注意坡道变换过程中的小功率调节，采取匀速维持运行姿态。

3.1.3 坡道较大且复杂 在列车平稳运行前提下，可采取下坡大功率加速、上坡小功率维持、平道匀功率平稳的操纵方法，在线路限速允许的条件下，尽可能的避免坡道变坡点惰力运行。

3.2 即时速度必须获得相对较大的加速度范围

列车在运行姿态不变的理想状态下，速度与机车牵引力始终是定值且成反比关系，既速度增长，机车牵引力下降，当达到一定高速度运行范围时，运行阻力增加，所获得的速度增长值有限，列车运行加速度减小或转入匀速、匀减速运动状态，造成机车功率的浪费和机车能源的无谓消耗。线路在小于-1.5‰的实际下坡或分段线路折算坡度小于-1.5‰的下坡且基本满足列车加速距离，才能充分发挥机车牵引力获取相对较大的加速度值和速度上升空间。

3.3 线路平均换算坡度及长度必须具有获得最大加速度的加速条件

在列车加速过程中，线路平均换算坡度及长度满足获得最大加速度的加速条件，方能以机车最大功率代价获取所需的最大加速度或运行速度。

3.4 前方分段点或区间线路分段具有即时加速条件

列车运行前方线路纵断面条件，主要是线路换算坡度分布情况，是决定列车运行姿态、机车功率运用及获取加速度和速度的主要因素，根据线路情况区段换算线路坡道分为全程、区间、区间分段换算线路坡道和实际坡道。

3.4.1 区间里程较短、线路较平缓 以实际坡道为主，在区间取一个特定参考点，观察列车运行时分及速度，根据前方线路情况决定增加或降低机车牵引力，为获得理想的加速度和速度，在制定操纵方案时，应考虑前方未来三至五个区间。

3.4.2 区间里程较长、线路较复杂 坡度变化较大时，采用分段折算坡道，可在线路复杂地点或线路平均段将区间线路解剖分段为三至五个参考点，根据各分段参考点线路换算坡度及长度情况，确定列车即时加速价值，进行分段、分时、分速操纵，保持分界点列车平均功率及运行速度的均衡性，确保各分段运行速度及运行时间的总和与整个区间或相邻两个区间相符，从而制定相应的平稳操纵方案及机车节能措施。

3.5 把握列车加速最佳时机

在线路纵断面坡度变坡点，对于列车在坡道转换过程中机车牵引力的运用，应掌握以下原则：

3.5.1 下坡加速转入上坡道 在列车速度不再增长或降低前，既加速度趋向于匀速或匀减速运动（a≤0）临界点（既为列车最佳降低功率运行时机），开始逐渐降低机车牵引力或列车进入惰力运行状态。

3.5.2 上坡匀减速转入下坡道 在列车速度开始增长前，既速度趋向于匀速或匀加速运动（a≥0）临界点（既为列车最佳加速时机），开始逐渐增加机车牵引力，在获得增长速度且大于1km/h 时既为列车加速最佳时机。

3.5.3 运行试验 选用DF4D 型客运机车进行试验，数据对比如表1所示。

表1 试验数据对比

4 结论

在14万公里的铁路运营线上，运行着数以万计的客、货运列车，正确理解速度与加速度理论，提升列车操纵技术，充分运用机车性能，是达到列车节能最大化的有效途经，实现此目标则需同行不懈的努力，达到全员节能的目的。