地铁列车概念车性能模拟及特殊工况仿真计算软件在试车线长度计算中的应用

陈世浩，张彦栋

（中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031）

地铁车辆的选型是地铁工程整体方案中的关键问题之一[1]，直接影响运输组织、线路标准（最小曲线半径和最大坡度）、土建工程、车辆段规模在城市轨道交通设计中起着举足轻重的作用。

中铁二院开发的地铁列车概念车性能模拟及特殊工况仿真计算软件可根据其列车基本参数及牵引特性参数进行概念车设计，并计算多种匹配该车型的特性曲线，建立地铁列车牵引计算模型；该软件也可根据建立的概念车模型及实际线路信息等输入条件，进行牵引仿真计算，能够模拟当前拟选型的地铁列车型号是否匹配当前线路要求，对于车辆选型工作具有重要的指导意义。

地铁车辆段试车线是地铁列车进行动态调试和试验的线路，新车和完成检修后的列车都需在试车线进行系统调试和性能试验，因此，试车线的长度应尽可能满足地铁列车最高运行速度的试车需求。试车线的设计受地形条件影响，长度可能无法满足最高运行速度的试车要求，因此对不同车型的不同档位试车速度进行试车线长度计算是必要的。

本文依托中铁二院开发的地铁列车概念车性能模拟及特殊工况仿真计算软件，对软件的功能进行初步介绍，并根据地铁列车试车所需工况，计算80 km/h 及100 km/h 地铁列车不同试车速度下试车线所需长度，给出试车线长度建议方案。

1 软件功能概述

地铁列车概念车性能模拟及特殊工况仿真计算软件由3 个功能组成。

输入功能：主要为线路数据及地铁列车概念车数据，为地铁列车牵引计算提供数据输入。

牵引计算功能：根据已建立的地铁列车牵引计算模型、输入的线路信息，进行地铁列车牵引计算。

数据后处理功能：根据运行结果，提供数据输出功能，并可根据用户选择，定制输出内容。

1.1 输入功能

输入功能的对象由以下两部分组成。

1）线路数据，主要包含车站、限速、曲线和坡度等线路数据。

2）地铁列车数据，主要包含动车组编组、整备质量、动拖车长度、回转质量系数等动车组基本参数以及动车组牵引特性、制动特性等特性曲线、基本运行阻力等。

1.2 牵引计算功能

牵引计算功能是地铁列车概念车性能模拟及特殊工况仿真计算软件的核心模块，结合列车牵引计算规程[2]及实用教程[3]，该软件根据地铁列车编组信息、自重、荷载、回转质量系数等地铁列车基本参数和其牵引特性、制动特性、基本运行阻力等参数，对地铁列车其他特性曲线进行计算，采用多质点模型，对地铁列车进行受力分析，建立地铁列车牵引计算模型，如图1 所示。

模拟地铁列车在该线路上的运行时间、速度、能耗等数据。具体实现如下。

1）对线路数据及动车组数据进行静态存储。

2）根据线路数据及动车组数据，赋予指定步长，计算每步长对应的地铁列车运行工况、牵引力、制动力、阻力，加速度、速度及位置，并按照步长进行存储。

牵引计算流程图如图2 所示。

图2 地铁列车牵引计算流程图

1.3 数据后处理功能

该软件数据后处理功能包含：地铁列车的速度距离曲线、牵引力、制动力、阻力、加速度和牵引能耗等曲线，显示如线路纵断面、车站等静态信息。

2 试车线所需验证工况

2.1 试车速度分档

根据GB 50157—2013《地铁设计规范》中关于试车线的规定，试车线应为平直线路，困难时，在满足试车速度要求条件下可设适当曲线；试车线的有效长度应根据车辆性能和技术参数及试车综合作业要求计算确定[4]。该规范中并未对试车速度进行明确规定，而试车速度是决定试车线有效长度的关键因素之一，因此根据不同车型的最高运行速度来计算试车线有效长度具有较强的指导意义。

试车线的功能主要是对新车及检修后的列车进行动态调试和性能测试，最高试车速度可分为3 个档，第一档为列车最高运行速度的试验，第二档为电制动工况下的最大电流速度，第三档为牵引工况下的最大电流速度[5]。本文将结合软件，对不同车型的三档速度进行试车线长度计算。

2.2 试车工况

本文考虑的试车线的试车过程主要包括牵引加速阶段、惰行（转换）阶段和制动阶段，计算过程如下。

1）牵引加速阶段：软件可根据地铁列车基本参数模拟计算牵引特性曲线及其他特性曲线，并计算出地铁列车牵引至试车速度的加速距离。

2）惰行阶段：按照地铁列车试车速度匀速行驶进行考虑，惰行时间为5 s。

3）司机操作时间及设备响应时间：按照3 s 时间，地铁列车在此阶段匀速行驶进行考虑。

4）制动阶段：制动阶段距离按照地铁列车在试验速度下，按照常用制动加速度计算得出。

2.3 试车线长度计算

除上述软件计算出的牵引加速距离、惰行距离及制动距离外，根据张雄，李剑虹在《论地铁车辆段试车线的功能及设计要求》文章中的研究，试车线长度还需考虑滑动式车挡安装距离、安全距离、列车长度等因素。

1）滑动式车挡安装距离为车挡长度（6 m×2=12 m）及按照25 km/h 撞击速度计算的滑移距离（17.28 m×2=34.56 m）之和组成，合计为46.56 m。

2）安全距离为地铁列车试车时距离车挡的要求安全距离（10 m×2=20 m），为20 m。

3）列车长度为地铁列车实际长度，一般情况下最短为B 型车4 辆编组80 m，最长为A 型车6 辆编组140 m。本文列车长度取120 m。

4）试车线长度合计为牵引加速距离、惰行距离、制动距离、滑动式车挡安装距离、安全距离、列车长度之和。

3 试车线所需验证工况

基于上述分析，本文采用地铁列车概念车性能模拟及特殊工况仿真计算软件，分别对80 km/h 时速及100 km/h 时速地铁列车空载AW0 工况进行概念车设计，对概念车进行牵引特性计算，分别计算出最高运行速度及对应的牵引加速距离、牵引工况下最大电流速度及对应的牵引加速距离、电制动工况下最大电流速度及对应的牵引加速距离。鉴于惰行阶段按照匀速行驶、制动阶段按照常用制动加速度进行制动，惰行距离和制动距离可通过计算确定，最终考虑滑动式车挡安装距离、安全距离、列车长度得到最终计算出的试车线长度。

3.1 试车速度的计算

本文分别对80 km/h 及100 km/h 地铁列车进行牵引特性计算，得到80 km/h 及100 km/h 地铁列车三档试车速度。80 km/h 时速地铁列车三档试车速度如图3和图4 及表1 所示，100 km/h 时速地铁列车三档试车速度如图5 和图6 及表2 所示。

表1 80 km/h 时速地铁列车三档试车速度

表2 100 km/h 时速地铁列车三档试车速度

图3 80 km/h 时速地铁列车牵引工况下的最大电流速度

图4 80 km/h 时速地铁列车电制动工况下的最大电流速度

图5 100km/h 时速地铁列车地铁列车牵引工况下的最大电流速度

图6 100 km/h 时速地铁列车地铁列车电制动工况下的最大电流速度

3.2 牵引加速距离的计算

软件根据牵引特性及附加阻力特性，时间步长按照0.1 s 设置，在时间步长范围内的平均加速度按照初始加速度代替，可计算出每时间步长对应的初始时刻和结束时刻速度，按照时间步长范围内的平均速度可计算该时间步长范围内的距离，通过时间步长不断迭代累计，即可求得牵引至试车速度所需的牵引加速距离。

软件计算出的80 km/h 时速地铁列车及100 km/h时速地铁列车加速至三档试车速度的牵引距离见表3。

表3 地铁列车三档试车速度的牵引加速距离m

3.3 惰行距离、制动距离的计算

针对惰行距离，由于惰行阶段时间较短，按照地铁列车试车速度匀速行驶进行考虑，惰行时间为5 s。

针对惰行转制动阶段，考虑司机操作时间及设备响应时间，按照地铁列车试车速度匀速行驶进行考虑，按照3 s 计算。

针对制动距离，按照地铁列车在最高试验速度条件下，按照最大常用制动加速度计算得出，考虑一定的安全余量，常用制动速度按照0.8 m/s2计算。地铁列车三档试车速度的惰行及制动距离见表4。

表4 地铁列车三档试车速度的惰行及制动距离m

3.4 试车线长度的计算

在考虑滑动式车挡安装距离、安全距离、列车长度后，结合上述计算80 km/h 及100 km/h 地铁列车的牵引加速距离、惰行距离、制动距离，平直线路下试车线长度汇总见表5。

表5 地铁列车三档试车速度的试车线长度m

4 结论

考虑到试车线受地形条件所限制，试车线长度可能无法满足最高运行速度的试车要求。因此，本文利用中铁二院开发的地铁列车概念车性能模拟及特殊工况仿真计算软件，对80 km/h 时速及100 km/h 时速地铁列车空载AW0 工况进行牵引特性计算，完成不同试车速度档次下的试车线长度计算。针对80 km/h 时速的地铁列车，试车线长度可按照1 050、800、550 m 进行选择；针对100 km/h 时速地铁列车，试车线长度可按照1 650、1 000、650 m 进行选择。