动车组运行能耗影响因素的量化分析

动车组运行能耗影响因素的量化分析

钟成 张伟 刘晏辰 王璞 张小柳 耿晓庆

中车唐山机车车辆有限公司 河北 唐山 064000

摘要：近年来，高速铁路在我国获得了飞速发展，我国铁路已进入高速时代，高速铁路开行的动车组数量已占到旅客列车总数量的一半以上，动车组能耗已对铁路运输成本具有重要影响。随着我国铁路的迅速发展，动车组客运量不断增加，动车组的节能问题日益突出。优化牵引策略是列车节能操纵、控制优化的重要途径，能够有效降低动车组运行的能耗水平。

关键词：动车组列车；能耗；影响因素

随着铁路现代化建设的快速发展，越来越多的高速铁路和动车组投入运营，动车组能耗已对铁路运输成本和全行业能耗具有重要影响。而动车组能耗主要受列车性能、运营状况和司机操纵等因素影响。其中列车性能和运营状况是影响动车组运行能耗的主要因素，节能与降耗、绿色与环保已成为高速铁路可持续发展的主题，为了定量分析对动车组运行能耗的影响，以CRH 型动车组为实例，采用理论分析结合仿真试验的方法，通过设置不同参数下的仿真环境，通过定量研究方法，研究上述因素对于CRH 型动车组运行能耗的影响，实现定性到定量分析的转变。

一、慨述

随着全球资源日益匮乏和环境污染日趋严重，能源问题越来越受到重视。近年来我国高速铁路发展为世界所瞩目，良好的节能环保性能是衡量我国高速铁路是否是世界一流高速铁路的重要指标之一，也是保证铁路运输系统可持续发展、取得较好社会效益与经济效益的前提。虽然铁路具有能耗低、污染小和运量大等优势，但随着列车运行速度的提高、运量的增加、运行距离的延长，对节能和环保方面提出了新的挑战。以“交通方式能耗与排放因子及其可比性研究”项目和“轨道交通技术规范及其发展规划评估"项目为依托，研究高速列车运行能耗测算方法，定量分析能耗影响因素对高速列车运行能耗的影响。

(1)研究高速列车运行能耗测算方法，有利于对既有能耗测算模型进行补充构建列车运行能耗测算模型是研究高速铁路节能措施的基础，从多方面多角度研究高速列车能耗测算方法能够为高速铁路能耗测算提供更多途径，有利于完善既有能耗测算模型。

(2)定量研究高速铁路能耗影响因素，有利于宏观把握高速铁路节能方向当前对于高速铁路能耗影响因素，以定性分析居多。通过定量分析各因素对高速铁路运行能耗的灵敏度变化，能够得出各因素对能耗的重要度，从而有利于把握高速铁路的节能方向。

(3)从节能的角度研究运营组织中的技术参数，有利于从微观的角度掌握高速铁路节能方法高速铁路运营组织中的相关技术参数大都以客流组织为基础，很少考虑能源消耗，从节能的角度研究运营组织中的技术参数选择问题，有利于从微观的角度掌握节能的具体措施和方法。

二、铁路动车组运行能耗影响因素

列车运行能耗是列车运行过程中用于克服列车运行阻力做功、增加列车动能和克服重力势能差的能耗。影响铁路运行能耗的因素主要分为基础设施和运营组织两方面。其中，基础设施方面的因素包括：列车属性(分机车牵引特性、机车车辆特性)、线路特性(分线路坡度、曲线半径、停站间距等)：运营组织方面的因素包括速度特性、编组特性、停站方案、满载率、操纵特性等因素。

1、机车牵引特性。电力机车以牵引电动机为动力，经齿轮传动驱动机车运行，实现电能到机械能的转换。机车轮周牵引力，与运行速度'，之间的关系，用F=fp)函数式或坐标图上的曲线来表示，称为机车的牵引特性曲线。它反映了机车牵引性能最重要的特征之一，也是进行牵引计算的重要依据。内燃机车牵引特性是指轮周牵引力与速度之间的关系。柴油机发出的功率，通过传动装置表现为不同速度下的牵引力。通常以不同手柄位或柴油机转速(r／min)区分为若干条牵引力的曲线，每条曲线对应不同的柴油机转速。柴油机转速愈高，柴油机发出的功率愈大，在一定速度下的牵引力愈大。不同的牵引方式由于其牵引动力系统存在根本性差异，加上能源转换效率的不同，运行过程中所消耗的能源也不相同。总体上，电力机车比内燃机车较为节能。

2、机车车辆特性。机车车辆特性对铁路能耗的影响是乘务员无法控制的因素。在相同的牵引方式下，由于制造工艺水平差异导致不同型号机车牵引性能、能源利用效率、制动特性及车载设备等的差别，造成不同型号机车的能耗差别较为明显。

3、线路特性。线路属性主要包括线路坡度、曲线半径、停站间距等因素。在非平直线路上，由于列车需要不停的加减速，以便达到预定的运行速度，因此其能耗相对于平直线路具有很大的增幅。[1] 通过地铁线路的坡度设置方案下能耗相差18％左右。停站间距对列车运行能耗的影响主要体现在对运行过程中两站之间列车惰行时间上，列车在停站间距比较短的时候，要保持较高的技术速度，必须通过提高手柄位的方式来实现，而停站间距比较长的时候，可以保持在较高速度惰行的工况时间来获得较高的技术速度，惰行工况下单位距离的能耗要小于牵引工况，因此，停站间距也是影响列车单耗的重要因素。列车停车次数的增加，降低了机车的运用效率，浪费了能源。机车制动停车和再次启动需要消耗一定的电力和柴油，导致列车因制动而损失的动能增加；同时列车停车次数增加，导致列车运行速度波动过大，不利于列车速度均衡性控制，造成列车运行能耗相应增加。另一方面停站间距设置均匀与否，也是影响能耗的一个重要因素。

根据相关研究文酬261，列车制动耗能约占机车总能耗的10---20％。既有客货共线铁路以及城市轨道交通的站间距设置相对较为均匀，而高速铁路的设站因为要考虑沿线经济的发展以及对经济发展的引导，各条线路的站间距设置差异较大。[2] 如设计时速同为350km／h，高铁的平均站间距为76kin，此时，可考虑适当增加停站间距，用不同运行方案来兼顾沿线不同层次的客流，以达到降低能耗的目的。

4、速度特性。列车运行过程中的能耗主要用于克服运行阻力。列车运行阻力包括基本运行阻力和附加阻力。基本运行阻力包括机械摩擦阻力、空气阻力和制动阻力。列车在高速运行时，空气阻力所占比重较大，且与列车运行速度呈平方关系。即单位基本阻力：

随着速度的增加，单位基本阻力相应增加，速度从100km／h至lJ350km／h，平均每增力n50km／h，单位基本阻力增加了46．4％。在实际情况下，列车维持既有速度或加速时牵引力克服阻力做功导致能耗增加，因此技术速度对能耗有较为显著的影响。

5、满载率。满载率对高速列车运行能耗的影响主要体现在对列车牵引总重的影响上，通常情况下列车牵引重量越大，要求列车启动、制动力矩越大，满足运营需要所需的牵引电机耗电量也越大，从而造成能耗随之增加。通常情况下，高速列车载客重量约占列车自重的10％左右(CRH3自重536吨，满载重584吨，载客重量约占列车自重的9％；CRI-15自重500吨，满载重550吨，载客重量约占列车自重的10％；)，因此满载率会影响着高速铁路运行单耗。在相同线路条件、列车动力学和牵引控制特性的前提下，随着满载率的增加，完成的旅客周转量也在增加，而且增加的速度比运行能耗快，单位旅客周转量的能耗会随之降低。

结论

1) 以较大牵引工况启动时，动车组在中间牵引阶段牵引能耗和运行时间会比以较小牵引工况启动时更大。受下坡道的影响，牵引能耗和运行时间有所差别。采用何种启动牵引策略，应再结合线路具体线路情况，考虑动车组安全、快速要求，在节能的基础上进行选择。

2) 在模拟线路中，当惰行终点速度为 110 km/h时，动车组牵引能耗达到 1 个能耗局部最低点。在动车组运行的中间牵引过程，采用牵引−惰行策略运行可明显降低动车组能耗，延长动车组运行时间，且惰行终点速度越低，这种影响效果越明显。

参考文献：

[1] 薛艳冰，王 烈，陈志荣. 广深客运专线动车组能耗计算与分析[J].铁道运输与经济，2019，33(7)：39-42.

[2] 田永洙. 动车组的运用与能耗之间的关系分析[J]. 现代制造技术与装备，2018(3)：51-53.

[3] 牟瑞芳，肖琴杰. 基于速度集的高速动车组运行能耗优化操纵模型及算法[J]. 中国铁道科学，2019，35(3)：11.