列车牵引计算与仿真

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列车牵引计算

• 列车牵引计算（calculation of railway train traction）分析计算铁路列车运行参数及相关问题的学科，用以解算列车质量、运行速度、运行时间、制动以及能源消耗等有关问题。它以力学和试验为基础而重在应用。列车牵引计算不仅是运输组织的依据，也是机车运用、动力选择、铁路选线、铁路设计、经济评估以及信号机布置等的基础，是铁路重要的专业基础学科之一。

铁路列车是一个有相当长度的、非均质的、近似弹一粘性接的复合系统、并与轨道及周围空气（电力牵引时还与接触网）形成耦合，所以列车运行是一种复杂的、综合的、多自由度的运动。但在列车牵引计算中一般都简化为质点或近似均质刚体在纵向力的作用下沿着线路纵断面平行运动，再经修正求解。这种工程计算方式可以满足列车稳态运行（指各车轴之间相对移极小的状态）时的精度要求而被广泛采用。

列车在轨道上运行时，存在不同方向和不同大小的外力和内力作用。列车牵引计算主要研究直接影响列车运行的作用力，即与列车运行方向平行的纵向外力与外力的分力，包括可由司机控制的牵引力与制动力以及司机不能控制的阻力。牵引力与列车运行方向相反，是阻止列车运行的外力。列车牵引运行时，作用于列车的合力是牵引力减去阻力，通常称为加速力；列车惰行时，只有阻力构成减速力；而列车制动时，制动力加上阻力产生更大的减速力。

牵引力 由动力与传动装置引起并与列车运行方向相同的外力。牵引动力（机车或动力车）将电能（电力牵引时）或燃料的化学能（热力牵引时）转变为使动轮旋转的内力矩，最终

通过轮轨粘着关系形成轮周牵引力的外机械功（非轮轨接触式的磁悬浮列车、气垫列车等除外），在每一层的转换中都有不同份额的能量损失。总的能量损失越小，机车（或动力车）的效率就越高。轮周牵引力减去机车阻力后就是直接牵引车列的车钩牵引力。中国采用轮周牵引力为列车牵引计算的标准。

课 程 设 计

课程名称 机车车辆方向课程设计

题目名称 SS4列车牵引计算

学 院 _

专 业

班 级__

学 号_____ __

学生姓名______ __

指导教师___

2014年 6 月19 日

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目 录

摘 要 ....................................................................................................................................................................... 2

0 引言 ....................................................................................................................................................................... 3

1.设计任务 ............................................................................................................................................................... 4

2.机车基本参数 ....................................................................................................................................................... 4

２０１１年第１９期　计算机光盘软件与应用　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ＣＤ　Ｓｏｆｔｗａｒｅ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　工程技术　牵引计算与仿真之快速牵引策略计算　张冬梅　（湖南铁路科技职业技术学院，湖南株洲４１２０００）　摘要：本文分析了列车牵引计算的３种牵引策略，重点介绍了基于快速牵引策略的计算过程。　关键词：牵引计算；牵引策略；快速牵引　中图分类号：Ｕ２３１　文献标识码：Ａ　文章嫡号：１００７－９５９９（２０１１）１９－００６７—０２　Ｔｒａｃｔｉｏｎ　Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　Ｒａｐｉｄ　Ｔｒａｃｔｉｏｎ　Ｓｔｒａｔｅｇｙ　Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　Ｚｈａｎｇ　Ｄｏｎｇｍｅｉ　（Ｈｕｎａｎ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｚｈｕｚｈｏｕ　４１　２０００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｒｅｅ　ｔｙｐｅｓ　ｏｆ　ｔｒａｉｎ　ｔｒａｃｔｉｏｎ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｔｒａｃｔｉｏｎ　ｓｔｒａｔｅｇｙ，ｈｉｇｈｌｉｇｈｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｒａｐｉｄ　ｔｒａｃｔｉｏｎ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｔｒａｅｔｉｏｎ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ；Ｔｒａｃｔｉｏｎ　ｓｔｒａｔｅｇｙ；Ｒａｐｉｄ　ｔｒａｃｔｉｏｎ　列车牵引计算是一门铁路应用科学。研究与列车运动有关的　一系列实际问题的解算方法，包括列车运行速度与时间的计算、　能耗量的计算、牵引重量的计算、列车制动问题的解算、列车牵　引试验、列车合理操纵等问题。这些问题的解决是提高列车的运　行速度和牵引重量，保证列车的运行安全和尽量节约能耗，以及　扩大运输能力、提高运输效益的重要内容。　一、列车牵引策略　列车运行计算采用什么样的算法，关键在于采用何种牵引策　略。在列车运行的过程中，实际运行状态是非常复杂的，为了简　化算法，便于计算机实现，可以采用３种典型的牵引策略。　一｝　Ｊ　图１牵引策略　（一）快速牵引策略　要让列车以最短的时间走行完整个区段，需要尽可能发挥他　的牵引能力和制动能力。这种算法是让列车的运行能力发挥到最　大，因此牵引力采用最大牵引力，制动力也采用最大制动力。在　达到限速（图２．１４中的Ｖｘ）路段，采用限速匀速行驶（图２．１４　中ＡＬ１Ｌ２Ｂ曲线）。　（二）经济牵引策略　最经济策略即采用最节能的方法运行。列车优化操纵是非常　复杂的，并很难实现最优化的，相对较优的操纵序列为“最大加　速、匀速运行、惰行、最大制动”。另外，如果区间运行时间比　较富裕，速度越低，列车能耗越小；速度波动越低，能耗越小。　因此，设计最经济的牵引策略为：在给定运行时分内，采用最大　牵引力加速至某一速度（图２．１４中Ｖｊ），然后以速度匀速运行，　如果时间足够，采取惰行直至终点；如果时间不够，可惰性一段　距离，采取最大制动力制动（图２．１４ＡＪ１３２Ｂ曲线）。　（三）优化牵引策略　牵引运行的理想策略，应该满足旅客舒适度、速度与节能等　要求。一方面，列车在加速和减速的过程中，有加速度和减速度　大小的限制，不能超过旅客舒适度　另一方面，列车运行到经济　速度后，尽量保持经济速度匀速运行洇２．１４ＡＳＢ曲线　。　二、快速牵引模式计算原理　（一）快速牵引模式计算过程要求　快速牵引模式就是要让列车以最短的时间走行完整个区段，　需要尽可能发挥他的牵引能力和制动能力。这种算法是让列车的　一６７一　运行能力发挥到最大，因此牵引力采用最大牵引力，制动力也采　用最大制动力。在达到限速（图１中的Ｖｘ）路段，采用限速匀速　行驶（图１中ＡＬＩＬ２Ｂ曲线）。　所以计算过程中要求：　ｉ．起始段按启动过程计算（Ｖ＜２．５ＫＭ／Ｈ）　２．加速过程中按照最大牵引力计算　３．停车制动采用最大的制动力　４．中间运行过程按限速运行　（二）快速牵引模式计算过程　快速牵引模式的计算过程参见图２，包括数据输入、启动过　程计算、牵引过程计算、制动进站计算、数据输出五个过程。　快速牵引计算的关键过程有两点：在牵引过程中计算限速制　动点和确定进站制动点。　１．启动加速过程　起始段（ｖ≤２．５ｋｍ／ｈ）按启动阻力缺省４．９Ｎ／ＫＮ计算。　以最大的牵引力启动，注意限速转换点不能超速。　２．中间过程　按限速运行，注意限速转换点不能超速。　３．制动进站过程　按最大制动力制动。　具体的计算流程图请参见图２一图７。　

电气牵引２０１６年第１期（总第１３１期）　

城轨列车的牵引计算　

刘　柏　（湘潭电机股份有限公司，湖南湘潭，４１１１０１）　

摘要：本文讲述了城轨列车牵引计算的基础知识及计算公式。根据地铁列车牵引系统招标书要求的　

牵引和电制动特Ｉ生计算实例。　关键词：牵引计算；列车运动方程；计算实例　

概述　

城轨列车（地铁、轻轨等，以下简称列车）的牵　

引计算是解决列车在各种外力作用下运行的实际　

问题。如分析列车配置参数，为列车研制及电机、　

逆变器选型提供设计参考。计算列车在不同编组　下起动性能、爬坡及制动能力、速度、时间及电能消　

耗。列车运行工况的实时模拟计算。　

１列车受力分析及运动方程　

列车在运行中受到众多力的作用，主要有列车　

牵引力、基本阻力、坡道、曲线等附加阻力、制动力、　

列车的重力、车钩作用力等。列车牵引计算中，一　

般将列车看成一个单质点的动力学系统，仅考虑与　列车运行速度有关的纵向力，即牵引力、阻力和制　

动力。　

１．１牵引力　牵引力由动车动力装置传给动轮以旋转力矩，　

通过动轮与钢轨的相互粘着作用而产生，用大写字　

母“Ｆ’，表示，单位是Ｎ。　牵引力计算是根据牵引特性曲线（牵引力一速　

度）来给出的，已知速度可通过牵引特性曲线图找　

到与速度对应的牵引力。或根据电机特性曲线的　

牵引力（速度）一电机电流，已知电机电流从电机特　

性曲线图找到与电流对应的牵引力。　

１．２阻力　列车运行时阻止运行且不受人力操纵的外力　

一３８一　为阻力，用大写字母“Ｒ”表示，单位为Ｎ。单位阻力　是单位列车质量所受的阻力，单位为Ｎ／ｋＮ。根据阻　

力性质分以下三类：　

１．２．１基本阻力　列车沿平直轨道运行时，由于机械及空气摩擦　

等因素作用的固有阻力为列车的基本阻力。单位　基本阻力计算：　

ｒ。＝ａ＋ｂＶ＋ｃ　Ｎ／ｋＮ）　（２－１）　式中　为单位基本阻力，　为列车速度，ａ、ｂ、Ｃ为计　

算系数。　推荐的基本阻力计算公式（见参考资料３）：　Ｒ＝（１．６５＋０．０２４７Ｖ）　＋（Ｏ．７８＋０．００２８Ｖ）　（２—２）