铁路机车运行能耗影响因素仿真研究

铁路机车运行能耗影响因素仿真研究

苏鹏

苏鹏

国家能源集团神朔铁路分公司机务段朱盖塔运用车间陕西榆林719316

摘要：在资源约束趋紧、环境污染严重等严峻形势下，铁路将承担更多的运输量，也将消耗大量的能源，其节能减排对经济效益和生态环境都显得尤为重要。在全社会倡导绿色环保，以及全路提倡节能与降耗背景下，在不同情景下定量分析机车运行能耗的影响因素，对于进一步认识机车运行过程中机车能耗规律、合理确定机车节能依据具有重要的意义。

关键词：铁路机车；运行能耗；影响因素；仿真

1实例简介

以货运列车为例，选用机型为HXD1型电力机车，车辆编组为60节，机车质量为92t，最大牵引力为760kN，单节车辆质量为20.6t，有恒速功能，则机车运行阻力公式为1.2+0.0065v+0.000279v2，车辆运行阻力公式为0.92+0.0048v+0.000125v2。由于线路坡度和惰行距离需在满足一定线路长度下才能进行仿真，使结果更为准确，对这2个因素进行仿真时，选取京广线(北京西—广州)北京西至琉璃河段，全长51.5km，其他因素采用京广线北京西至窦店段，线路全长39.9km。根据新版的《列车牵引计算规程》，选用牵引电算软件，从线路坡度、停站次数、牵引总重、编组特性、惰行距离5个方面对列车能耗进行仿真研究。

2铁路机车运行能耗影响因素仿真

2.1线路坡度对列车运行能耗的影响

为验证线路坡度对能耗的影响，设上坡、平坡和下坡3个情景，上坡的坡度为5‰，10‰，平坡的坡度为0，下坡的坡度为-5‰，-10‰，坡长均为3000m，在速度分别为70km/h，80km/h，90km/h的情景下模拟不同坡度对机车牵引总能耗和牵引单耗的影响。

在相同速度和不同坡度下，随着坡度的增加，机车需要克服更多的阻力和做更多的功，能耗也随着坡度的增加呈现递增的趋势，如坡度由-10‰到10‰，速度为70km/h时，牵引总能耗由1211.1kW·h增加到1829.5kW·h，牵引单耗由85.1(kW·h)/(万t·km)增加到128.5(kW·h)/(万t·km)，牵引总能耗和牵引单耗增加了51%。在不同速度和相同坡度下，随着速度的增加，运行时间减少，能耗随之增加，如在坡度为-10‰情况下，速度分别为70km/h和90km/h，其运行时间分别为31min23s和25min51s，牵引总能耗分别为1211.1kW·h和1489.5kW·h，牵引单耗由85.1(kW·h)/(万t·km)增加到104.6(kW·h)/(万t·km)，牵引总能耗和牵引单耗增加了23%。仿真试验表明，机车牵引总能耗和牵引单耗与速度和坡度成正相关关系。

2.2停站次数对列车运行能耗的影响

为验证停车次数对机车能耗的影响，设停站次数分别为0次、1次、2次3个情景，在速度分别为70km/h，80km/h，90km/h的情景下模拟不同停站次数对机车牵引总能耗和牵引单耗的影响。不同停站次数对机车运行能耗的影响如表2所示。由表2可以看出，随着停站次数的增加，机车的起停次数增加，机车在启动阶段由速度0增加到最高速度的牵引单耗是以最高速度匀速运行的3倍，随着起停次数的增加机车能耗随之增加，如在速度为70km/h时，停车次数由0次增加1次，再增加到2次，其牵引总能耗由944.4kW·h增加到1248.5kW·h，再增加到1557.3kW·h，牵引单耗由130.5(kW·h)/(万t·km)增加到172.8(kW·h)/(万t·km)，再增加到215.5(kW·h)/(万t·km)，停车1次和2次比停车0次机车运行的牵引能耗分别增加了32.4%和64.9%，牵引单耗也分别增加了32.4%和64.9%。随着速度的增加，在同样停车次数情况下其总能耗和牵引单耗也随之增加，如在速度分别为70km/h和90km/h时，停车次数为0次时，其牵引总能耗分别为944.4kW·h和1187.8kW·h，牵引单耗分别为130.5(kW·h)/(万t·km)和164.4(kW·h)/(万t·km)，机车牵引能耗增加了25.8%，牵引单耗增加了26.0%。因此，列车运行尽量减少停站次数，避免不必要的启停，减小列车运行能耗。

2.3牵引总重对列车运行能耗的影响

为验证不同牵引总重对机车能耗的影响，设牵引总重分别为3000t，4000t和5000t3个情景，在速度分别为70km/h，80km/h，90km/h的情景下，模拟不同牵引总重对机车牵引总能耗和牵引单耗的影响。

随着列车总重的增加，列车运行的阻力增加，机车需要更多的能量保证运行，虽然随着列车牵引总重增加，列车牵引总能耗增加，但是列车的牵引单耗降低。例如，列车在速度为70km/h下，列车在牵引总重分别为3000t，4000t和5000t的情景下，机车牵引总能耗分别为583.7kW·h，944.4kW·h和1023.4kW·h，机车牵引单耗分别为147.9(kW·h)/(万t·km)，130.5(kW·h)/(万t·km)和111.5(kW·h)/(万t·km)，4000t和5000t列车牵引总能耗比3000t分别增加了61.8%和75.3%，列车牵引单耗分别降低了11.8%和24.6%。同时，在相同牵引总重不同速度下，随着速度的增加，其牵引能耗和牵引单耗也增加。例如，速度由70km/h增加到90km/h，在牵引总重为3000t情景下，其牵引总能耗由583.7kW·h增加到863.9kW·h，机车牵引单耗由147.9(kW·h)/(万t·km)增加到169.8(kW·h)/(万t·km)，机车牵引能耗和牵引单耗分别增加了48.0%和14.8%。因此，对大宗货物运输应大力发展重载运输，不仅能节省运力，而且能降低机车运行牵引单耗。

2.4编组特性对列车运行能耗的影响

为验证不同车辆编组对机车能耗的影响，假设在列车牵引总重固定为3000t，设编组车辆分别为38辆、44辆和51辆3个情景，在速度分别为70km/h，80km/h和90km/h的情景下，模拟不同编组辆数对机车牵引总能耗和牵引单耗的影响。随着列车编组辆数的增加，列车运行阻力增加，使列车在运行过程中牵引电机的耗电量增加，从而使能耗增加，但是与其他影响因素相比，对列车的能耗影响不明显。例如，在速度为70km/h情况下，机车运行总能耗由596.7kW·h增加到602.7kW·h，牵引单耗由103.9(kW·h)/(万t·km)增加到104.5(kW·h)/(万t·km)，机车总能耗增加了1%，机车牵引单耗增加了0.5%。因此，在同样总重情况下，随着编组数量的增加，其能耗水平变化不大。

2.5惰行距离对列车运行能耗的影响

为验证不同限速模式下惰行距离对机车能耗的影响，假设在列车牵引总重固定为3000t，设惰行距离分别为0，500m和1000m3个情景，在限速分别为100km/h和75km/h的情景下，模拟不同惰行距离对机车牵引总能耗和牵引单耗的影响。

结论

对于机车运行特征，停站次数、牵引总重、编组数量对机车运行能耗呈正向变化关系，停站次数增加了机车运行的起停次数，牵引总重和编组数量增加了机车运行过程中的阻力，从三者牵引单耗来看，三者对机车运行能耗影响由大到小依次为起停次数、牵引总重和编组数量。对于司机驾驶行为，惰行距离越长，机车能耗越小，限速条件会增加机车运行时间，导致机车运行能耗增加。

参考文献：

[1]贾文璟.高速铁路机车牵引能耗影响因素分析[J].节能技术,2016,34(02):143-145.

[2]黄丽珍.货运机车牵引能耗影响因素分析[D].中国铁道科学研究院,2017.