铁道学报
JOURNAL OF THE CHINA RAILWAY SOCIETY
1999年 第1期 No.1 1999
内燃动车组牵引方案性能探讨
李 斌， 陈石华， 金永亮
摘 要： 不久前，SS8型电力机车在铁科院环形线上创造了212.6 km/h的运行速度新记录，这表明我国已初步具备研制高速车的工程基础。本文仅根据高速动车组几种不同编组方案，讨论在给定剩余加速度值、运行最高时速为200 km工况下，非电气化特别繁忙区段采用内燃机车作为动车组头车等动车组编组方案时动车组的牵引功率。并从牵引计算出发，列出数种动车组编组方案的相应计算结果。进而导出内燃动车组的功率、重量、最高运行速度、剩余加速度之间的基本关系公式。本文可为内燃动车组的开发和动车组的总体可行性设计提供若干依据。
关键词： 高速动车组； 剩余加速度； 动车组附加装车功率； 内燃动车组牵引性能
分类号： U266.1 文献标识码： A
Discussion on Scheme for Traction Performance of Power Cars
LI Bin， CHEN Shihua， JIN Yongliang
(Dept of Mechanical Engineering, Shanghai Tiedao Univ., Shanghai 200331, China )
Abstract： Before long , SS8 electric locomotive sets a new running speed record of 212.6 km/h on the ring lines of China Academy of Railway Sciences , which shows that our country has the preliminary engineering base of developing high-speed train. This paper discusses the traction power of the schemes for marching power cars which take diesel locomotive for its head car in the specially busy non-electrical interval under the given residual acceleration and the highest running speed 200 km/h. The relevant calculation results of several schemes for marching power cars are given according to traction calculation, and develop the formula on the basic relationship of the power ,the weight ,the highest running speed and the residual acceleration of diesel power cars . This paper provides several foundation for the development and the whole practicability design of diesel power cars.
Keywords： high-speed power cars; residual acceleration; additional load power of power cars; traction performance of diesel power car
随着国民经济的迅速发展和激烈的市场竞争，人们的时间观念正逐渐加强。广大乘客不仅要求准时，更要求尽快地到达目的地。对运输行业来说，旅行速度将是一项重要的技术指标。几十年来，我国铁路以其拉得多、跑得快、安全、舒适、价格低廉等明显优势在运输市场上占有举足轻重的地位，并得到迅速发展。但如今与公路、航空等运输方式相比，旅行速度增长过于缓慢。据统计,从1949年到1995年客车旅行速度仅由28.2 km/h提高到49.0 km/h，年递增1.2%。
为了在竞争中取得胜利，以1994年12月22日广州—深圳准高速铁路投入运营为开端，铁道部展开了繁忙干线旅客列车提速战略。1996年在沪宁线开行的“先行号”及京秦线上开行的“北戴河号”旅客列车都达到了140 km/h。准高速在我国正在走向成熟并逐步得到推广使用，与此同时，人们把眼光又投向了更高的目标。
1997年1月5日，SS8型电力机车成功地在环形试验线牵引高速试验列车时创造了212.6 km/h的最高运行速度记录，并且较长时间稳定运行在200 km/h以上。安全性、平稳性指标、动力学性能均良好，表明我国已初步具备研制高速车的工程基础。此后，铁道部不失时机地提出进行200 km/h以上的高速动力车研制，这是完全正确的决策［1］。目前正在预研和研制三种高速动车组。限于篇幅及考虑到准高速所取得的发展，
本文仅着重探讨高速内燃动车组方案的牵引计算。动车组具有速度快、载客量大、编组灵活、经济效益高等优点，十分适合于现代交通运输。在国外，动车组是现代铁路客运主要方式，受到人们普遍欢迎。
1 计算取定的公式数据和总体方案
考虑到我国铁路实际情况，应尽量利用现有技术。初步确定内燃动车组总体方案为下列3种类型：头车(即机车)、动车、拖车。头车使用DF11机车，但其动力分散到10根动轴上（包括动车）。由于动力分散，轴重不再是原来DF11的23 t/轴，而是减小到20 t/轴，这样头车的重量为120 t。动车和拖车均采用目前我国已有的高速单层客车和双层客车；单层客车重量为54.36 t，而双层客车的重量有65 t(160 km/h)和60 t(200 km/h)两种。对于动车来说，其本身不带动力装置，由头车提供，并嫁接SS8型电力机车的走行部。头、动、拖车的轴列式依次分别为C0-C0、B0-B0和2-2；单层客车的动、拖车轴重和总重分别为14.5 t 、13.59 t和58 t、54.36 t；为了简化计算，双层客车的动、拖车轴重和总重均简化统一为16.25 t和65 t。动车组的编组可以产生较多的组合方式和方案，本文仅探讨若干内燃动车组的编组方案。
(1)关于动车阻力公式，国内虽然已经进行了不少准高速和提速的运行试验，但是尚未整理和公开发表牵规公式。因此，只好参照日本300系列高速车的公式，它们是10动6拖车，即40根动轴24根从轴。这样与本文方案的总体布置有所区别,而且为了简化计算，不论头、动、拖车的动轴和从轴，都被简化统一为式( 1 )，应在最终确定方案时应给予补充修正计算。
w＝1.29+0.004 95v+0.000 153v2
( 1 )
式中，w为动车组单位基本阻力，N/kN；v为动车组速度，km/h；
(2)单层客车自重g0，不分空重车，均简化统一为54.36 t/辆，即533.3 kN/辆；双层客车自重g0，不分空重车，均简化统一为65 t/辆，即637.6 kN/辆；
(3)每辆动车和拖车的空调和照明耗电容量N空为22～40 kW/辆，本文取低限值；
(4)头车柴油机装车功率NΣ值应满足头车动车各个动轴所需轮周功率总和，以及本列动、拖车空调和照明耗电功率的总和；
NΣ＝Nea＋Nef＋nj×N空
( 2 )
式中，nj为动车和拖车的辆数；Nef为当给定列车剩余加速度值时的柴油机附加功率（Nef =Nf/η），kW。Nea为平直道和给定坡度下满足轮周功率的柴油机功率，kW，其值为
( 3 )式中，G为列车(动车+拖车)重量（G=nj×g0），kN；wi为单位坡道阻力,N/kN；j为机车数量，一般地，当nj取为3～6辆时，用单机车；nj取为7～10辆时，用双机车;P为头车重量，P=1 200 kN；η为功率利用系数，系辅助和传动效率之积。参考16V280ZJA型柴油机装车的机型，DF8取0.82，DF11取0.792。考虑动车组运用情况大多数都在高于持续速度的电传动恒功率范围工况下运行，暂取略高于DF11的值，即取η＝0.806；
(5)单位坡道阻力wi取两种：wi=0 N/kN，12 N/kN;
(6)平直道最高速度vmax取两种：vmax= 100 km/h，200 km/h；
(7)在最高速度下给定剩余加速度值A取两种：A=0.02 m/s2，0.05 m/s2。
由上述情况进行不同组合，可以产生几十种不同组合的动车组编组工况,我们筛选出其中6种编组方式和3种工况。6种编组方式分别为：1头车1动车2拖车(单层)、1头车1动车5拖车(单层)、2头车2动车5拖车(单层)、2头车2动车8拖车(单层)、1头车1动车2拖车(双层)、1头车1动车5拖车(双层)。3种工况分别为：vmax=200 km/h 、i=0 ‰、A=0.05 m/s2；vmax= 200 km/h 、i=0 ‰、A=0.02 m/s2；vmax=100 km/h、i=12 ‰、A=0.05 m/s2。这样每种编组方式相应地有3种工况，共形成18种动车组编组工况。
2 主要结果
2.1 计算结果汇总
用有关公式计算这18种动车组编组工况下所需的辅助功率nj×N空 、附加功率Nef 、平衡功率Nea、总功率 NΣ及Nef /NΣ比值，其结果见表1。
动车组(6种编组和两种拖车重量)牵引时分和距离计算值汇总如表2所示。
2.2 计算结果简要分析
由表1结果表明：
(1)随着动车组速度的提高，Nef与NΣ的比值逐渐减小；
(2)随着坡度附加阻力的增大，Nef与NΣ的比值逐渐减小；
(3)在相同的剩余加速度和最高运行速度下，Nef与NΣ比值变化不大，列车编组方式影响也不大，Nef与NΣ比值的变化率在1%内；
(4)表中显示在平直道上，如不考虑附加功率的话，这6种编组方式动车组均能轻易达到200 km/h，即平衡速度；
(5) 当A为0 m/s2时即平衡速度下的柴油机装车功率Nea(kW)并不大，10辆动拖车所需的功率为4 478 kW，仅占可利用功率Na(Na = Nea+ Nef )7 150 kW的62.6％，附加功率37％，超过通常10％的要求较多，基本上能够满足一般运用要求；
(6) 剩余加速度A为0.05 m/s2时, 10辆动拖车所需的附加功率Nef需要2 716 kW；剩余加速度A为0.02m/s2时所需的附加功率Nef需要1 086 kW，减小了1 630 kW，而Nef/NΣ比值则从36.6%减小到18.8%；
(7)剩余加速度A为0.05 m/s2时，柴油机附加功率Nef和需要总功率NΣ的值较大。200 km/h时柴油机功率需要增大32％～40％，而且还与动车组的编组方式有关；开发“蓄能加速器”的新技术，既节能又能降低机车总重，将具有现实意义。
牵引时分计算结果汇总表（表2）简要分析：
(1)单节头车和6辆动拖车编组列车达到200 km/h的速度时，牵引加速时分需7.71 min（单层）或10.07 min（双层）、走行距离为18 490 m（单层）或25 082 m（双层）；
(2)双节头车和10辆动拖车编组列车达到200 km/h的速度时，牵引加速时分需6.05 min、走行距离为14 168 m ；
(3)在剩余加速度值A为0.030 6 m/s2工况下，单节头车和6辆动拖车编组的最高运行速度可达到200 km/h；平衡功率为2 547 kW，占总功率NΣ的70％；
(4)在剩余加速度值A为0.046 m/s2工况下，双节头车和10辆动拖车编组的最高运行速度可达到200 km/h；平衡功率为4 478 kW，占总功率NΣ的58％；
(5)其余编组方式下, 剩余加速度值A在0.08 m/s2～0.10 m/s2之间，超出0.05 m/s2范围，附加功率Nef在总功率NΣ中所占比重太大，经济性比较差。
2.3 内燃动车组功率公式的导出
根据公式( 1 )、( 2 )、( 3 )和上述各种不同编组方案的计算可以导出下列公式，它适用于不同数量的头车、动车、拖车编组方式，从而具有一定的普遍意义。
( 4 )
式中，G为列车(动车+拖车)重量（G=nj ×g0），kN；jP为头车总重量，j为头车数，P为头车重量，kN；A为列车达到给定的最高速度vmax的剩余加速度(m/s2)；w为动车组单位基本阻力，其计算式为
w＝1.29+0.004 95v+0.000 153v2 (N/kN)
最高速度vmax取两种：vmax＝160 km/h、200 km/h。由式(4)可得，在v=160 km/h，A=0.05 m/s2时 ：
( 5 )
在v=200 km/h，A=0.05 m/s2时：
( 6 )
3 结论
( 1 ) 动车组附加功率所占比例的大小主要考虑两个因素：线路的好坏和动车组的速度大小。线路好可选择较小的附加功率，否则应适当放大附加功率；当动车组的速度高时，应尽量减小附加功率所占比例，以免附加功率值太大。
( 2 ) 采用16V280ZJA型柴油机，装车功率为3 610 kW的头车和动车相结合，构成20根动轴的内燃动车组，即J+M+8T+M+J的编组方式，满足总体动力分散布置原则，并能有效地降低头车的轴重。其总体布置和驱动装置等问题还有待进一步研究。
剩余加速度A取为0.05 m/s2时，动车组附加功率Nef较大，200 km/h时柴油机功率需增大32％～40％，双头车双动车8辆拖车编组方案时附加功率为2 716 kW，此时需要总功率应为7 149 kW，能耗较大。A降为0.02 m/s2时，可能是更为经济的方案。
( 3 ) 按照牵引总功率需求，满足200 km/h高速运行，并且在保持列车剩余加速度值A为0.02～0.046 m/s2的运用工况下，内燃动车组的编组有两种可行方案：
i)1头车1动车5拖车；载客量720座席/列：
ii)2头车2动车8拖车； 载客量1 200座席/列；
图1、图2为这两种编组方式的牵引特性曲线。
图1 J+M+8T+M+J内燃动车组牵引特性曲线
图2 J+M+5T内燃动车组牵引特性曲线
图中表明，它们在平衡速度工况下，均能达到210 km/h的速度。
( 4 ) 在平直道起动加速到200 km/h的时分为：双头车10辆动拖车为6.05 min；单头车6辆动拖车(单层客车)7.71 min；单头车6辆动拖车 (双层客车)编组时为9.28 min。
( 5 ) 对于还未电气化的特别繁忙干线，如沪宁、沪杭甬等铁路区段，通过采用嫁接高速车的电传动和走行部新技术，利用16V280ZJA型柴油机作动力装置，提供3 610 kW的动力，并根据动车组动力分散原则，总体布置成为双向对称20根动轴的2机2动8拖车方式,即J+M+8T+M+J。计算结果表明，这种动车组方案技术上可行，加速能力较大，基本上能满足现代快速客运“小编组、高密度、城市间”运行原则的要求。满足当前铁路客运市场的需要，具有高经济效益和现实意义［2］。
作者简介：李 斌(1974—)， 男， 硕士研究生
作者单位：上海铁道大学 机械工程系， 上海 200331
参考文献
［1］ 俞展猷.SS8型电力机车与我国第一代高速动力车的研制［J］.铁道机车车辆，1997,(3).
［2］ 闵耀兴,黄俊武,于新安.既有铁路列车提速［M］.北京：中国铁道出版社，1997.
(责任编辑 庆静先)
收修改稿日期： 1998-08-14 |
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