謝鼎新

摘 要：城市軌道交通當(dāng)中耗能最為主要的2個(gè)部分是牽引能耗和動(dòng)力能耗，車(chē)的外型、車(chē)輛啟動(dòng)和制動(dòng)方式、車(chē)輛最高速度以及線路條件都是會(huì)對(duì)牽引能耗產(chǎn)生影響的因素。在調(diào)查數(shù)據(jù)和對(duì)牽引計(jì)算進(jìn)行模擬之后，得出站間距、敷設(shè)方式、平曲線半徑、節(jié)能坡的坡度與坡長(zhǎng)、節(jié)能坡與站臺(tái)端部的距離、節(jié)能坡組合方式等會(huì)對(duì)列車(chē)牽引能耗產(chǎn)生影響的因素，該文總結(jié)得出節(jié)能線路設(shè)計(jì)的一般原則，同時(shí)分析了節(jié)能的效果。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通節(jié)能線路設(shè)計(jì)；敷設(shè)方式；高架線

中圖分類(lèi)號(hào)：U491 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

現(xiàn)如今，隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力量的發(fā)展壯大，軌道交通作為我國(guó)自主科技的產(chǎn)業(yè)，也得到了飛速發(fā)展。隨著多條軌道交通的通車(chē)運(yùn)行，如何節(jié)能和降低運(yùn)營(yíng)成本等迫在眉睫，需要人們解決。憑借著我國(guó)建成線路的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，可以說(shuō)僅20 km的軌道交通線路每年的耗電量就十分龐大，因此要設(shè)計(jì)并建立節(jié)能的城市軌道交通路線是十分重要的，所以在單條軌道交通的線路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分地分析站間距、敷設(shè)方式、線路平曲線、坡段長(zhǎng)度和坡度等線路條件對(duì)牽引能耗的影響，并提出相應(yīng)的方法使設(shè)計(jì)出的路線更加節(jié)能。

1 影響能耗的因素

列車(chē)牽引能耗和動(dòng)力照明能耗是對(duì)于城市軌道交通產(chǎn)生耗能的最主要的2個(gè)部分。我們將列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中消耗的電能稱(chēng)之為列車(chē)牽引耗能，例如列車(chē)牽引系統(tǒng)、空調(diào)及附屬系統(tǒng)等； 我們將在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中車(chē)站所消耗的電能稱(chēng)之為動(dòng)力照明能耗，例如空調(diào)及通風(fēng)、照明、給排水、電梯、自動(dòng)扶梯、屏蔽門(mén)和弱電系統(tǒng)等設(shè)備能耗。

2 線路條件對(duì)牽引能耗的影響

對(duì)于牽引還能產(chǎn)生影響較大的因素有軌道交通線路的敷設(shè)方式、站間距、平曲線半徑、縱斷面坡度和。為了能夠達(dá)到節(jié)能的目的，應(yīng)采取合理的敷設(shè)方式和站間距來(lái)對(duì)線路進(jìn)行規(guī)劃；由于在車(chē)輛的行駛過(guò)程中會(huì)受到曲線阻力的影響使其對(duì)點(diǎn)的損耗量增加，因此為了減少這種損耗，應(yīng)最大程度地將平面曲線半徑進(jìn)行優(yōu)化； 為了使?fàn)恳哪芎牡玫綔p少，應(yīng)對(duì)線路縱坡采取“高車(chē)站低區(qū)間”的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，使線路的縱坡得到優(yōu)化，這種線路設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)了上坡和下坡之間勢(shì)能與動(dòng)能之間的轉(zhuǎn)化，合理地釋放能量；另外，縱坡設(shè)計(jì)時(shí)，要科學(xué)地計(jì)算節(jié)能坡的變坡點(diǎn)與站臺(tái)端部之間的距離，把握尺度，這種設(shè)計(jì)方式也能夠使能源得到節(jié)約。

2.1 站間距

站間距受到城市軌道交通線路的具體情況決定。站間距較小能夠使步行到站的乘客更加方便，然而卻會(huì)使旅行速度降低，使乘客出行的時(shí)間增多，同時(shí)也增加了運(yùn)營(yíng)公司的配車(chē)數(shù)量；另外，隨著車(chē)站越來(lái)越多，項(xiàng)目的投入量以及運(yùn)行的成本都會(huì)得到一定程度的增加。反之，較大的站間距對(duì)于列車(chē)的節(jié)能有著很大的益處，然而會(huì)使乘客步行到車(chē)站的路程增加，使乘客感到不方便，與此同時(shí)也會(huì)使車(chē)站的負(fù)擔(dān)加重。對(duì)于牽引能耗來(lái)說(shuō)軌道交通線路的站間距大小對(duì)其有著直接的影響，尤其是列車(chē)啟動(dòng)和制動(dòng)對(duì)牽引能量造成較大的損耗。比較小的站間距，列車(chē)就會(huì)頻繁地進(jìn)行啟動(dòng)和制動(dòng)，導(dǎo)致?tīng)恳芎妮^大； 較大的站間距列車(chē)需要長(zhǎng)時(shí)間供電，因此也會(huì)造成對(duì)能源的損耗。在停站次數(shù)相同的條件下，惰行時(shí)間是站間距對(duì)列車(chē)運(yùn)行能耗的影響最主要的一項(xiàng)。為了達(dá)到到站時(shí)間相近，對(duì)于在站間距較小的條件下，需要將列車(chē)的手柄位相應(yīng)的推高，在站間距較大的條件下，可以延長(zhǎng)在較高速度時(shí)的惰行工況時(shí)間。在運(yùn)行距離相同時(shí)，頻繁制動(dòng)對(duì)動(dòng)能所造成的損失是站間距對(duì)運(yùn)行能耗的主要影響因素。列車(chē)在平直道上牽引時(shí)，電氣和列車(chē)運(yùn)行的基本阻力會(huì)在牽引電能在轉(zhuǎn)化為列車(chē)動(dòng)能的時(shí)候產(chǎn)生損耗，即使一部分的動(dòng)能在列車(chē)的制動(dòng)過(guò)程中回饋到牽引網(wǎng)，然而這反饋回來(lái)的動(dòng)能并不能將損耗的那一部分動(dòng)能彌補(bǔ)回來(lái)。

2.2 敷設(shè)方式

高架、地面和地下線是城市軌道交通敷設(shè)的方式，從軌道交通的附加阻力方面來(lái)看，以地下線的坡道附加阻力、曲線附加阻力、隧道附加阻力為最大，其次是地面線與高架線，另外，對(duì)地面或高架線進(jìn)行充分的利用，能夠有效地減少通風(fēng)設(shè)備、排水設(shè)備、車(chē)站和隧道照明等設(shè)備所造成的電能損耗。綜上所述，線路的敷設(shè)方式的選擇，將會(huì)對(duì)牽引能耗的大小產(chǎn)生直接影響。通過(guò)對(duì)部分城市軌道交通線路的敷設(shè)方式與牽引能耗進(jìn)行分析，可以得知地面和高架線在曲線和坡度的設(shè)計(jì)條件上與地下線相比要具有一定的優(yōu)勢(shì)，車(chē)體內(nèi)在照明時(shí)所需要的電量比較小，且地面和高架線的耗電要比地下線小，比如在北方，由于冬季十分寒冷，所以車(chē)內(nèi)需要采取用取暖設(shè)備，這種設(shè)備對(duì)電量的損耗比較大，因此地面和高架在敷設(shè)方面就不再具備很大的優(yōu)勢(shì)，在重慶，由于其在單軌采用的是橡膠輪胎，其會(huì)產(chǎn)生較大的摩阻力，因此會(huì)使?fàn)恳芎脑黾?，還有一些由于采用了地面或高架敷設(shè)的方式使坡度起伏較大，導(dǎo)致列車(chē)在行駛時(shí)需要頻繁地爬坡和制動(dòng)，所以地面線和高架線的敷設(shè)方式與純地下線敷設(shè)方式相比，其在減少牽引電耗上并不具備很大的優(yōu)勢(shì)。

2.3 線路平曲線

平面曲線是線路條件的組成部分，其半徑大小與線路等級(jí)定位、車(chē)的性能、以及時(shí)速、環(huán)境等條件息息相關(guān)。列車(chē)行駛于曲線之中，產(chǎn)生物理作用的離心力，將影響到旅客的乘坐感受。那么，必須要以另外的力量來(lái)控制好離心力，這時(shí)就會(huì)外軌超高，而產(chǎn)生向心力，二者相抗，互相平衡。在曲線半徑一定時(shí)，速度越快，設(shè)置的超高也就越大，隨之時(shí)速也會(huì)越快。曲線半徑在以下2個(gè)方面，影響著牽引能耗：一是以平面曲線的原因，行駛過(guò)程中將出現(xiàn)曲線單位附加阻力，使?fàn)恳芎倪f增。曲線半徑、行駛時(shí)速、曲線外軌超高以及軌距加寬、列車(chē)車(chē)輛的軸距等許多因素均會(huì)對(duì)曲線附加阻力產(chǎn)生一定的影響，因此，不建議以理論的方式推導(dǎo)其解法，而建議用公式推導(dǎo)。二是曲線半徑與列車(chē)通過(guò)的速度有關(guān)，通過(guò)曲線的速度以公式計(jì)算后，得到的結(jié)論是曲線半徑越小，限速也會(huì)隨之降低。此外，列車(chē)限速小，行駛速度必然降低，導(dǎo)致行駛時(shí)間加長(zhǎng)。時(shí)速的降低，隨之也會(huì)使單位時(shí)間牽引能耗得到減少。

2.4 線路縱斷面

牽引力、基本運(yùn)行阻力、曲線阻力、風(fēng)阻力和坡度阻力等因素，都會(huì)對(duì)列車(chē)有一定的阻礙作用，它們產(chǎn)生的各類(lèi)阻力均與行駛相背，坡度阻力的方向是變化的。行駛在上坡路段中，由于受到上坡阻力的影響，使行駛速度自然的降低； 在列車(chē)下坡時(shí)會(huì)受到預(yù)期運(yùn)行方向相同的坡道阻力，會(huì)使列車(chē)運(yùn)行的速度加快。為了了減少能量的損耗，在設(shè)計(jì)軌道交通線路縱斷面時(shí)，在凸形坡段上設(shè)置車(chē)站位置，這能夠使列車(chē)進(jìn)站上坡所產(chǎn)生的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，使列車(chē)出站時(shí)下坡所產(chǎn)生的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，從而使能量得到節(jié)約。這種設(shè)計(jì)被稱(chēng)之為節(jié)能坡設(shè)計(jì)，為了使節(jié)能坡的設(shè)計(jì)達(dá)到節(jié)能的效果，對(duì)節(jié)能坡的設(shè)計(jì)有一些要求，其需要對(duì)節(jié)能坡的坡度、坡長(zhǎng)、位置進(jìn)行精確地計(jì)算以及合理地選擇，另外，也應(yīng)科學(xué)地設(shè)計(jì)好緩坡連接方案，最大程度地實(shí)現(xiàn)有效節(jié)能的目的。

3 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展推動(dòng)了我國(guó)交通事業(yè)不斷的進(jìn)步和發(fā)展，與此同時(shí)我國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)方面的重視程度也在不斷地提高，并提倡減少能源消耗、減少能源污染，因此對(duì)于城市交通軌道來(lái)說(shuō)如何節(jié)約能源并減少污染是非常重要的，所以在建立城市軌道交通時(shí)應(yīng)充分考慮對(duì)能源的節(jié)省問(wèn)題，同時(shí)是也要提高在交通建立上的技術(shù)水平，促使能源的利用率得到提高。

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