列车牵引计算(正文)

绪 论

一、 《列车牵引计算》研究的主要 内容

列车牵 引计算是一 门铁 路 应 用 学 科 ，它研 究直 接 作 用 在 列 车 上 的 、与 列车 运 行方 向相 平

行 的各种外力 (包括机车牵引力 、列车阻力 、列车制动力 )，以及这些力与列车运行 的关系 ，进而

解 算一 系 列 与列车 运 行有 关 的实 际 问题 。它 的主 要 内容是 ：

研 究 列车 运 行过 程 中作 用在 列车 上 的各 种 力 ，说 明这 些 力 产 生 的原 因 、过 程 、变 化 规

律 、计算方法及其与列车运行 的关系 ；

列车运 行速 度和 时 间 的解 算 ；

牵引质量 的计算 ；

机车能耗量 的计算 ；

列车制动 问题 的解算 ；

列车运 行监控装置 制动模 式 曲线计算 ；

牵引电算 问题 。

二、 《列车牵引计算》在铁路运输 中的作用及意义

铁路是 国民经济 的大动脉 ，它担负着全 国客货运量 的 以上 。随着我 国现代化 建设 的

飞速发展 ，要求交通运输业有着 巨大 的运能和更高的运输速度 ，铁路运输也面临激烈的市场竞

争 。为适应新的运输形势对铁路运输 的要求 ，铁路必须进行牵引动力改造 ，挖潜 ，提速，扩能。

铁路运输的各个环节具有高度集 中、紧密相关、协调动作 的特点。因此，各项技术指标的确定、

主要设备的配置和使用必须做到科学、有利 。 《列车牵引计算》以力学的基本原理为基础 ，以大

量 的科学试验 资料和实 际运用经验为依据 ，阐明列车运行过程 中的现象和规律 ，科学地解决铁

路运输 中的有关技术 问题和技术经济 问题 。如铁路重要运营指标 (牵 引质量 、运行速度和运行

时分、机车能量消耗标准等 )的确定，铁路通过能力的计算 ，线路的扩能改造、新型机车牵引特

性 的改进和配置 、确定合理有效 的机车操纵方法 、列车监控装置制动模式 曲线设计等诸 多方

面 ，都需要用牵引计算 的基本理论和知识去解决 。可见，牵 引计算所研 究的这些 问题直接关系

到铁路 的运输能力、运量、成本、效率和安全，与铁路许多部 门都有密切 的关系 。在铁路跨越式

发展 的形势下 ，对于铁路运输一线 的管理 、技术人员和从事相关作业 的乘务人员，广泛普及应

用列车牵 引计算知识显得更为重要 。

三 、列车牵 引计算 的特 点及其发展

列车牵 引计算 的最大特 点是理论与实 际紧密结合 ，它 的许 多计算依据是大量试验得 出的

试验数据 (以试验公式或 图表 的形式表示 )，没有大量 的试验就没有牵 引计算学 的发展 。几年

来 ，随着铁路数次提速 的实施 ，我 国机车车辆及列车制动技术装备又有 了巨大进步 ，为列车牵

引计算提供 了新鲜而丰 富 的资料 ，应用牵 引计算 的基本理论指导实践并及 时总结实践经验 也

显得非常重要 。过去，牵引计算主要依靠手算及 图解 的原始方法 ，计算繁琐 、复杂 ，花费时间

长 ，效率低 。近年来 ，计算机应用技术 的发展和深入使列车牵引计算手段和方法得到了长足的

发展 。 目前 ，各个铁路局机务运用部 门和一些线路设计部 门都相继 引入牵 引 电算 的方法和技

术进行有关计算和绘 图，大大节省 了计算时间，提高了计算效率和技术水平 。 年 月 实

施 的 《列车牵引计算规程》中已明确了牵引电算的地位 ，规定采用 以电算为主 的计算方法 ，电算

程序要满足 《列车牵 引计算规程 》所规定的各种计算要求 。为此 ，本书对牵 引电算 问题进行 了

专题介绍，供广大读者参考 。

四、 《列车牵引计算规程》

《列车牵引计算规程》是铁路行业重要的基础技术规范，它规定了牵引计算的基本原则、方

法 、计算公式并提供 了大量 的计算数据 资料 ，是铁路各部 门进行牵引计算工作 的依据和准则 。

主要 内容有：

说明规程的任务和适用范围、计算精确度、绘 图规则和使用符号等；

规定牵 引计算所 需的机车车辆 的各种计算公式或 曲线 图表 ；

规定计算牵引质量 ，化简线路纵断面 ，绘制速度线 、时间线 ，确定 区间运行时分的原则

和 方 法；

确定机车能耗计算方法和主要数据 ；

提供进行牵 引计算所必须的机车性能资料 、主要

第35卷　第5期

2000年10月JOURNAL

西　南　交　通　大　学　学　报V ol . 35　N o . 5

O ct . 2000OF SOUTHWEST JIAOTONG UNIVERSITY

文章编号:0258-2724(2000) 05-0513-04

列车牵引计算及操纵示意图

计算机软件的开发

何鸿云,

朱金陵

(西南交通大学驾驶模拟中心, 四川成都610031)

摘　要:介绍了列车牵引计算及操纵示意图计算机软件的设计目标和方法。牵引试验和铁路现场使用情况表明, 该软件使用方便、计算结果准确, 达到了预期的设计目标。关键词:列车; 牵引; 软件

中图分类号:U 260. 13+1　　文献标识码:A

Design of Softw are for T raction Calculation and O peration Schematic Diagram of T rains

HE Hong -yun ,

ZHU J in -ling

(Center of T rain Drive Simula tio n , Southwest Jiaotong U niv ersity , Chengdu 610031, China )

A bstract :T he design go al and method of the software fo r tractio n calculation and operation schema tic diag ram of

trains are introduced . T raction experiments and actual using of the software in railway show that the sof tw are is convenient to use and the calculated results are accurate , and hence the desired goal has been reached .

Key words :trains ; traction ; softwares

随着我国铁路现代化事业的发展和新《列车牵引计算规程》的颁布实施, 原有的一些列车牵引计算软件已不能适应形势发展的需要, 主要体现在以下几方面:

(1) 微型计算机的性能已大大提高, 以Window s95/98/N T 为代表的32位图形操作系统已成为微型计算机的主流操作系统, 以往在DOS 环境下运行的用解释BASIC 语言编制的列车牵引计算软件已无法在32位操作系统中运行。

(2) 原有的软件缺乏良好的用户界面, 操作控制不够灵活。尤其是缺少增补新型机车和车辆数据的接口, 一种机车一套软件, 用户无法进行新型机车的牵引计算。(3) 原有的软件沿用手工计算的模式, 将全列车作为一个质点按照化简后的线路断面进行计算, 计算所得的速度曲线呈折线状, 与列车实际运行时连续渐变的速度曲线不能吻合。

(4) 原有的软件要求人工输入线路数据, 不仅工作量大而且容易产生输入错误。

(5) 原有的各类列车牵引计算软件的计算结果处理功能差, 绘制列车操纵示意图费时费力。

1　软件的设计目标

本软件的设计目标为:

(1) 遵从新颁布的《列车牵引计算规程》, 重点面向机务运输管理部门。(2) 具有良好的用户界面, 数据处理及计算功能齐全, 操作灵活方便。

收稿日期:1999-08-05

基金项目:通道部科技研究开发计划项目(96J60B ) , , ,

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(3) 数据处理模块与计算模块分离, 具有良好的数据接口, 以便于用户增补新型机车、车辆数据。(4) 计算结果可在各类标准的输出设备上输出。

(5) 线路数据引用工务部门线路数据库的dBase 文件, 可保证线路数据来源的可靠性, 降低线路数据准备工作的复杂程度, 减少线路数据录入的工作量。

(6) 改进计算方法并提高计算精度, 提供完善方便的计算控制(例如:可退回至任意地点改变操纵状况接续计算, 机车手柄级位适应有级调速与无级调速等) 。

软件的运行环境为中文Windows 95/98/N T , 编程工具为面向对象的Visual C 5. 0, 充分利用C 的封装、继承、重载、多态性等特性和Window s 程序的事件驱动机制, 保证该软件具有良好的图形用户界面和完善的输入输出功能, 并使软件的扩充和维护比较容易。

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++

2列车牵引计算软件的设计

新的列车牵引计算软件包括3个主要模块, 即数据文件模块、牵引计算模块以及计算结果数据处理模块, 并将三者集成为一个工作平台。在此平台下, 用户可完成列车牵引计算所涉及的全部工作。2. 1

数据文件模块功能设计

在数据文件模块中, 完成列车运行线路数据文件、机车计算参数和特性数据文件、车辆计算参数和特(1) 线路数据文件———dBase 数据的输入、截取、转换、链接等对话框。

(2) 机车数据文件———电力机车和内燃机车特性数据表格与特性曲线图对话框, 是用户建立新型机车数据文件的接口。

(3) 车辆数据文件———客车和货车计算参数对话框。

(4) 限速数据文件———线路各区段允许的最高运行速度对话框。2. 2　牵引计算模块功能设计

牵引计算模块可以完成新《列车牵引计算规程》中规定的各项计算工作, 子功能分为运行速度时分计算、牵引质量计算和空气制动计算3项。

运行速度时分计算是牵引计算软件的核心内容, 通过模拟司机操纵情况, 计算机车牵引力和动力制动力、机车及车辆运行阻力、线路附加阻力, 确定列车运行速度和区间运行时间、电力机车耗电量或内燃机车耗油量。

牵引质量计算用来计算各型机车在不同线路坡度上允许的最大牵引质量, 便于确定线路的牵引定数。

空气制动计算用以计算不同制动初速、不同线路坡度、不同减压量情况下的列车制动距离, 便于确定列车的制动能力。

2. 2. 1　速度时分的数值计算方法

本软件采用以时间间隔■t 作为计算步长的数值计算方法, 将列车简化为以每节车辆为一个质点且质点间无相对运动的多质点系, 从而考虑了列车长度对线路坡道阻力计算的影响。

设列车在t 1时刻的运行速度为v 1(如图1) , 假设在未来的■t 时间内列车的受力状态保持不变, 由此产生的运动加速度为a , 则t 2时刻列车的运行速度v 2为

v 2=v 1+a ■t

■t 时间内列车通过的距离为

2

只要■t 取值足够小, 列车受力情况与实际情况非常接近。

■S =v 1■t +a ■t ×

2. 2. 2　机车牵引力、动力制动力、耗电(油) 量的计算

《列车牵引计算规程》提供的机车特性(牵引力、动力制动

图1

列车速度时间曲线

性数据文件的准备。

力,

对于提供手柄级位与速度关系的机车特性曲线, 根据手柄级位和当前运行速度从特性数据表中查出与当前手柄级位和速度值最接近的4个特性数据点(如图2中的F 11, F 12, F 21, F 22) , 然后通过线性插值计算出该工况点的机车特性数据。计算方法如下:

(1) 计算J 1级位对应速度v 的特性数据F 1=F 11-(F 11-F 12) (v -v 1) /(v 2-v 1) 。(2) 计算J 2级位对应速度v 的特性数据F 2=F 21-(F 21-F 22) (v -v 1) /(v 2-v 1) 。

(3) 计算J 级位对应速度v 的特性数据F k =F 1-(F 1-F 2) (J -J 1) /(J 2-J 1) 。

对于仅提供外包线的特性数据按照外包线对应的手柄级位进行等分处理, 若最高级位m m ax 对应的动力制动力为F max (如图3) , 则m 级位对应的动力制动力F m 的计算方法为:F m =F max m /m max

。

图2机车牵引特性曲线　　图3机车制动特性曲线

2. 2. 3列车空气制动力与制动距离的计算

列车空气制动力与制动距离计算采用《列车牵引计算规程》规定的列车制动力计算方法。

(1) 列车空气制动力B 通过列车换算制动率 h 和闸瓦换算摩擦系数φh 进行计算。若P 和G 分别为机车和车辆质量, 则B = P +G ) g 。h φh (

(2) 列车制动时间t z 等于制动空走时间t k 与制动有效时间t e 之和。即:t z =t k +t e 。(3) 列车制动距离S z 等于制动空走距离S k 与制动有效距离S e 之和。即:S z =S k +S e 。根据司机操纵情况可实现机车动力制动、列车空气制动以及空电联合制动等多种制动方式。2. 2. 4线路曲线附加阻力的计算

线路曲线总长l 由起缓和曲线l q +圆曲线l y +终缓和曲线l z 构成, 即:l =l q +l y +l z 。而曲线附加阻力计算系数是列车在圆曲线l y 上运行时检测到的, 考虑到缓和曲线之曲率半径是渐变的, 在软件中采用圆曲线长度加上起缓和曲线长度与终缓和曲线长度之和的一半作为线路曲线计算长度的折衷办法, 计算曲线长度为l j =l y +(l q +l z ) /2。2. 3退回重算功能设计

当操纵者认为当前的速度曲线不理想时(如超速) , 需要退回适当地点改变工况后接续计算, 使速度曲线符合要求。

本软件采用以时间为步长的数值计算方法加上灵活合理的数据记录方式, 可以实现在计算过程中退回至任意地点后改变原来的操纵状况接续计算, 并保留最后一次计算结果。

3试验验证

软件设计完成后, 在用户试用意见的基础上进行过多次修改。于1999年11月29日广铁集团湘黔线提速试验中正式使用。试验前的计算结果与试验车实际采集的数据吻合。

表1为区间运行数据表(娄底-田心, DF4B 货机车1台, 客车19辆, 重1055t ) 。从表1可以看出, 软件计算所得的列车运行时分与试验记录的运行时分非常接近, 全程累计时间误差仅0. 6min 。

表1

区间名娄底-娄东

娄东-胜昔桥胜昔桥-棋梓桥棋梓桥-普安堂普安堂-潭市潭市-双江双江-石狮江石狮江-湘乡湘乡-长丰长丰-向韶向韶-云湖桥云湖桥-姜鑫姜鑫-泉塘子泉塘子-湘潭湘潭-湘潭东湘潭东-十里冲十里冲-田心

区间长/km 4. 9385. 15110. 8946. 6869. 2685. 4636. 0968. 0956. 6436. 6997. 6518. 2675. 3608. 2377. 0796. 8997. 912

运行时间/min

5. 03. 86. 94. 86. 23. 63. 94. 94. 14. 15. 15. 53. 66. 87. 64. 75. 7

软件计算结果与试验结果比较平均速度/(km /h )

59. 4581. 3394. 7383. 0090. 4291. 4794. 5998. 7898. 0198. 4389. 7289. 3789. 7673. 0456. 1389. 0283. 04

牵引时间/min

5. 13. 86. 94. 92. 61. 33. 94. 94. 14. 15. 15. 63. 63. 57. 74. 74. 7

惰行时间/min

0. 00. 00. 00. 03. 61. 70. 00. 00. 00. 00. 00. 00. 01. 50. 00. 00. 0

耗油量/kg

[***********][**************]

万吨公里油耗/kg 70. 536. 439. 451. 518. 013. 940. 033. 836. 637. 427. 434. 443. 925. 680. 942. 242. 2

试验运行时间/min

5. 53. 57. 04. 56. 03. 54. 05. 54. 54. 55. 05. 53. 56. 07. 04. 55. 7

4　结　论

该软件综合性能明显高于原有的各类牵引计算软件, 完全适应今后一段时期内机务运输管理工作的

需要, 且具有以下特点:

(1) 软件结构合理, 各模块层次清晰、功能完善, 计算结果准确可靠。

(2) 采用司机模拟操纵方式进行计算控制, 操纵结果及时在计算机屏幕上以曲线和数据方式显示, 形象直观。计算过程中可随时退回任意地点改变操纵状态后接续计算, 为研究列车牵引方式与操纵方法提供良好的手段。

(3) 设计有性能良好的数据接口, 用户可自己修改机车车辆的有关数据。用户增加新型机车特性数据, 无需对软件进行改动即可进行计算。(4) 线路数据准备简单快捷, 充分利用了工务部门的线路数据资源, 并可实现线路上下行、长短链、公里标跳变等各种线路特殊情况的处理。

(5) 计算结果输出方便快速, 具有多种绘图格式, 可满足不同场合的需要。参考文献:

[1]　中华人民共和国铁道部. T B1407-1998, 列车牵引计算规程[S ]. 北京:中华人民共和国铁道部, 1998:3～20. [2]　列车牵引计数规程编写组. 列车牵引计算规程解释[M ]. 北京:中国铁道出版社, 1985:79～99. [3]　Dennett D . Visual C ++5. 0开发人员指南[M ]. 北京:机械工业出版社, 1998:73～84.