地鐵列車概念車性能模擬及特殊工況仿真計算軟件在試車線長度計算中的應用

陳世浩，張彥棟

（中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031）

地鐵車輛的選型是地鐵工程整體方案中的關鍵問題之一[1]，直接影響運輸組織、線路標準（最小曲線半徑和最大坡度）、土建工程、車輛段規模在城市軌道交通設計中起著舉足輕重的作用。

中鐵二院開發的地鐵列車概念車性能模擬及特殊工況仿真計算軟件可根據其列車基本參數及牽引特性參數進行概念車設計，并計算多種匹配該車型的特性曲線，建立地鐵列車牽引計算模型；該軟件也可根據建立的概念車模型及實際線路信息等輸入條件，進行牽引仿真計算，能夠模擬當前擬選型的地鐵列車型號是否匹配當前線路要求，對于車輛選型工作具有重要的指導意義。

地鐵車輛段試車線是地鐵列車進行動態調試和試驗的線路，新車和完成檢修后的列車都需在試車線進行系統調試和性能試驗，因此，試車線的長度應盡可能滿足地鐵列車最高運行速度的試車需求。試車線的設計受地形條件影響，長度可能無法滿足最高運行速度的試車要求，因此對不同車型的不同檔位試車速度進行試車線長度計算是必要的。

本文依托中鐵二院開發的地鐵列車概念車性能模擬及特殊工況仿真計算軟件，對軟件的功能進行初步介紹，并根據地鐵列車試車所需工況，計算80 km/h 及100 km/h 地鐵列車不同試車速度下試車線所需長度，給出試車線長度建議方案。

1 軟件功能概述

地鐵列車概念車性能模擬及特殊工況仿真計算軟件由3 個功能組成。

輸入功能：主要為線路數據及地鐵列車概念車數據，為地鐵列車牽引計算提供數據輸入。

牽引計算功能：根據已建立的地鐵列車牽引計算模型、輸入的線路信息，進行地鐵列車牽引計算。

數據后處理功能：根據運行結果，提供數據輸出功能，并可根據用戶選擇，定制輸出內容。

1.1 輸入功能

輸入功能的對象由以下兩部分組成。

1）線路數據，主要包含車站、限速、曲線和坡度等線路數據。

2）地鐵列車數據，主要包含動車組編組、整備質量、動拖車長度、回轉質量系數等動車組基本參數以及動車組牽引特性、制動特性等特性曲線、基本運行阻力等。

1.2 牽引計算功能

牽引計算功能是地鐵列車概念車性能模擬及特殊工況仿真計算軟件的核心模塊，結合列車牽引計算規程[2]及實用教程[3]，該軟件根據地鐵列車編組信息、自重、荷載、回轉質量系數等地鐵列車基本參數和其牽引特性、制動特性、基本運行阻力等參數，對地鐵列車其他特性曲線進行計算，采用多質點模型，對地鐵列車進行受力分析，建立地鐵列車牽引計算模型，如圖1 所示。

模擬地鐵列車在該線路上的運行時間、速度、能耗等數據。具體實現如下。

1）對線路數據及動車組數據進行靜態存儲。

2）根據線路數據及動車組數據，賦予指定步長，計算每步長對應的地鐵列車運行工況、牽引力、制動力、阻力，加速度、速度及位置，并按照步長進行存儲。

牽引計算流程圖如圖2 所示。

圖2 地鐵列車牽引計算流程圖

1.3 數據后處理功能

該軟件數據后處理功能包含：地鐵列車的速度距離曲線、牽引力、制動力、阻力、加速度和牽引能耗等曲線，顯示如線路縱斷面、車站等靜態信息。

2 試車線所需驗證工況

2.1 試車速度分檔

根據GB 50157—2013《地鐵設計規范》中關于試車線的規定，試車線應為平直線路，困難時，在滿足試車速度要求條件下可設適當曲線；試車線的有效長度應根據車輛性能和技術參數及試車綜合作業要求計算確定[4]。該規范中并未對試車速度進行明確規定，而試車速度是決定試車線有效長度的關鍵因素之一，因此根據不同車型的最高運行速度來計算試車線有效長度具有較強的指導意義。

試車線的功能主要是對新車及檢修后的列車進行動態調試和性能測試，最高試車速度可分為3 個檔，第一檔為列車最高運行速度的試驗，第二檔為電制動工況下的最大電流速度，第三檔為牽引工況下的最大電流速度[5]。本文將結合軟件，對不同車型的三檔速度進行試車線長度計算。

2.2 試車工況

本文考慮的試車線的試車過程主要包括牽引加速階段、惰行（轉換）階段和制動階段，計算過程如下。

1）牽引加速階段：軟件可根據地鐵列車基本參數模擬計算牽引特性曲線及其他特性曲線，并計算出地鐵列車牽引至試車速度的加速距離。

2）惰行階段：按照地鐵列車試車速度勻速行駛進行考慮，惰行時間為5 s。

3）司機操作時間及設備響應時間：按照3 s 時間，地鐵列車在此階段勻速行駛進行考慮。

4）制動階段：制動階段距離按照地鐵列車在試驗速度下，按照常用制動加速度計算得出。

2.3 試車線長度計算

除上述軟件計算出的牽引加速距離、惰行距離及制動距離外，根據張雄，李劍虹在《論地鐵車輛段試車線的功能及設計要求》文章中的研究，試車線長度還需考慮滑動式車擋安裝距離、安全距離、列車長度等因素。

1）滑動式車擋安裝距離為車擋長度（6 m×2=12 m）及按照25 km/h 撞擊速度計算的滑移距離（17.28 m×2=34.56 m）之和組成，合計為46.56 m。

2）安全距離為地鐵列車試車時距離車擋的要求安全距離（10 m×2=20 m），為20 m。

3）列車長度為地鐵列車實際長度，一般情況下最短為B 型車4 輛編組80 m，最長為A 型車6 輛編組140 m。本文列車長度取120 m。

4）試車線長度合計為牽引加速距離、惰行距離、制動距離、滑動式車擋安裝距離、安全距離、列車長度之和。

3 試車線所需驗證工況

基于上述分析，本文采用地鐵列車概念車性能模擬及特殊工況仿真計算軟件，分別對80 km/h 時速及100 km/h 時速地鐵列車空載AW0 工況進行概念車設計，對概念車進行牽引特性計算，分別計算出最高運行速度及對應的牽引加速距離、牽引工況下最大電流速度及對應的牽引加速距離、電制動工況下最大電流速度及對應的牽引加速距離。鑒于惰行階段按照勻速行駛、制動階段按照常用制動加速度進行制動，惰行距離和制動距離可通過計算確定，最終考慮滑動式車擋安裝距離、安全距離、列車長度得到最終計算出的試車線長度。

3.1 試車速度的計算

本文分別對80 km/h 及100 km/h 地鐵列車進行牽引特性計算，得到80 km/h 及100 km/h 地鐵列車三檔試車速度。80 km/h 時速地鐵列車三檔試車速度如圖3和圖4 及表1 所示，100 km/h 時速地鐵列車三檔試車速度如圖5 和圖6 及表2 所示。

表1 80 km/h 時速地鐵列車三檔試車速度

表2 100 km/h 時速地鐵列車三檔試車速度

圖3 80 km/h 時速地鐵列車牽引工況下的最大電流速度

圖4 80 km/h 時速地鐵列車電制動工況下的最大電流速度

圖5 100km/h 時速地鐵列車地鐵列車牽引工況下的最大電流速度

圖6 100 km/h 時速地鐵列車地鐵列車電制動工況下的最大電流速度

3.2 牽引加速距離的計算

軟件根據牽引特性及附加阻力特性，時間步長按照0.1 s 設置，在時間步長范圍內的平均加速度按照初始加速度代替，可計算出每時間步長對應的初始時刻和結束時刻速度，按照時間步長范圍內的平均速度可計算該時間步長范圍內的距離，通過時間步長不斷迭代累計，即可求得牽引至試車速度所需的牽引加速距離。

軟件計算出的80 km/h 時速地鐵列車及100 km/h時速地鐵列車加速至三檔試車速度的牽引距離見表3。

表3 地鐵列車三檔試車速度的牽引加速距離m

3.3 惰行距離、制動距離的計算

針對惰行距離，由于惰行階段時間較短，按照地鐵列車試車速度勻速行駛進行考慮，惰行時間為5 s。

針對惰行轉制動階段，考慮司機操作時間及設備響應時間，按照地鐵列車試車速度勻速行駛進行考慮，按照3 s 計算。

針對制動距離，按照地鐵列車在最高試驗速度條件下，按照最大常用制動加速度計算得出，考慮一定的安全余量，常用制動速度按照0.8 m/s2計算。地鐵列車三檔試車速度的惰行及制動距離見表4。

表4 地鐵列車三檔試車速度的惰行及制動距離m

3.4 試車線長度的計算

在考慮滑動式車擋安裝距離、安全距離、列車長度后，結合上述計算80 km/h 及100 km/h 地鐵列車的牽引加速距離、惰行距離、制動距離，平直線路下試車線長度匯總見表5。

表5 地鐵列車三檔試車速度的試車線長度m

4 結論

考慮到試車線受地形條件所限制，試車線長度可能無法滿足最高運行速度的試車要求。因此，本文利用中鐵二院開發的地鐵列車概念車性能模擬及特殊工況仿真計算軟件，對80 km/h 時速及100 km/h 時速地鐵列車空載AW0 工況進行牽引特性計算，完成不同試車速度檔次下的試車線長度計算。針對80 km/h 時速的地鐵列車，試車線長度可按照1 050、800、550 m 進行選擇；針對100 km/h 時速地鐵列車，試車線長度可按照1 650、1 000、650 m 進行選擇。