CN112182745A - 一种估计列车运行过程中驱动能耗的仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种估计列车运行过程中驱动能耗的仿真方法，建立整车动力学模型与能量消耗仿真模型，完成仿真平台的搭建。通过仿真平台进行仿真计算，输出电机特性输出、功率仿真、牵引系统能流图、各方面能耗仿真、列车总能耗等参数信息，可即时查看，输出相应图表，用于分析。本发明结合列车动力学模型、传动系统转动惯量与效率曲线相结合的方法，结合城市轨道交通车辆典型行驶工况，以能量流图的形式分析城市轨道交通车辆各部件的能耗情况。

Description

一种估计列车运行过程中驱动能耗的仿真方法

技术领域

本发明属于建模仿真领域，涉及一种仿真系统建模方法，具体来说是一种对不同型号和编组形式的列车运行过程中的驱动耗能和动能回收的总能量进行仿真方法。

背景技术

我国的城市人口聚集度大、公共交通设施较少、质量差。随着国家经济的迅猛增长，带来了能源消耗的快速增长，以及石油的需求量大幅度上升。在一个有十几亿人口的中国，能源的人均占有量非常少，因此我国节能减排的方案中特别指出了，在交通节能上要重视发展公共交通，优化运用多种运输方式。城市轨道交通具有较大的运输能力、较快的速度、准确的到站时间、对环境造成的污染较小以及人均的能源消耗低等优点，是解决城市交通拥挤问题、缓解交通出行压力的重要途径之一。我国的城市轨道交通系统发展迅速，给人们带来了便利，同时也给社会带来了电能消耗的快速增长。随着城市轨道交通道路数量的增多和输送旅客数量的剧增，城市轨道交通能源消耗总量也在不断的增加，在城市公共交通总能耗中所占的比例也在加大。因此，开展对城市轨道交通工具节能研究，具有重要意义。

在城市轨道交通工具节能效果评价的方法中，如果通过实际的部件和台架测试，无论从时间还是经济方面，都是一个巨大的浪费，而且安全性也没有保证。因此，为了分析和评价城市轨道交通车辆的能耗，需要构建一套完整的城市轨道能耗仿真平台，在此基础上开展列车牵引运行中列车能耗的研究。

国内关于列车能耗仿真平台的研究主要是针对大铁路线路进行设计的，至今还未发现针对城市轨道交通车辆的能耗仿真平台的报道。而且，在已有相关建模仿真研究的报道中，还存在以下不足之处：

(1)大多数仿真软件的开发，其理论基础是传统机车车辆动力学，模型结构简单且只适合于分析常见列车动力学性能；

(2)一般单位在进行城市轨道交通车辆运行过程研究时，主要从工程设计的角度对地铁或轻轨线路设计一个专门的牵引计算软件，专业性太强，当项目结束该软件也就没有使用价值了；

(3)由于机车车辆新结构不断出现，新车型参数的修改往往需要进行二次开发后才能满足仿真分析要求，这将给仿真工作带来极大不便。

发明内容

针对城市轨道交通车辆能耗仿真平台的构建，本发明提出一种结合列车动力学模型、传动系统转动惯量与效率曲线相结合的计算方法，结合城市轨道交通车辆典型行驶工况，以能量流图的形式分析城市轨道交通车辆各部件的能耗情况。

本发明估计列车运行过程中驱动能耗的仿真方法，建立整车动力学模型与能量消耗仿真模型，完成仿真平台的搭建；通过仿真平台进行仿真计算，输入列车数据、线路数据与运行数据，修改、更新原有数据并保存为列车数据文件、线路数据文件与运行数据文件。设置列车数据文件、线路数据文件、运行数据文件以及读取路径后，使用运行数据进行仿真计算，输出电机特性输出、功率仿真、牵引系统能流图、各方面能耗仿真、列车总能耗等参数信息，可即时查看，输出相应图表，用于分析。

本发明的优点在于：

(1)本发明估计列车运行过程中驱动能耗的仿真方法，通过搭建的仿真平台，对已规划设计线路列车运行过程的仿真，可以计算列车在该线路的能耗及能流，以此指导列车动力系统的优化。

(2)本发明估计列车运行过程中驱动能耗的仿真方法，在搭建的仿真平台上进行的列车运行能耗分析，可以为合理安排牵引供电系统的布局和容量，提高运行质量，节约能源等方面提供理论依据和参考。

(3)本发明估计列车运行过程中驱动能耗的仿真方法，通过搭建的仿真平台，可以得到列车运行过程的能耗影响因素，在此基础上可以指导列车车身风阻系数等参数的设计。

附图说明

图1为本发明的能耗计算模型流程图。

图2(a)为整列车的长度位于先平直后上坡段时的示意图；

图2(b)为整列车的长度位于先下坡后平直段时的示意图；

图2(c)为整列车的长度位于先下坡后上坡段时的示意图；

图3为本发明的估计列车运行过程中驱动能耗的仿真方法最终得到的整车动力学模型结构框图。

具体实施方式

下面将结合附图和实例对本发明作进一步的详细说明：

本发明估计列车运行过程中驱动能耗的仿真方法，如图1所示，具体步骤如下：

步骤一、输入列车基本参数，如：列车编组信息、载客容量、车厢数据、基本阻力计算数据和轨道信息等数据，将输入的列车基本参数代入列车各部分阻力计算公式得到列车仿真运行过程中将会受到的基本阻力。

将代入列车基本参数的列车各部分阻力计算公式转化为：

其中，w为列车运行单位基本阻力(N/kN)；r为轴颈半径；φ为轴承摩擦系数；σ为滚动摩阻系数；R_L为车轮半径；b为滑动摩擦阻力系数；v为当前模拟车速；ρ为空气流体密度；S为列车迎风面积；n为列车总节数；C₁为列车头车空气阻力系数；L为列车总长度；d为列车动力直径；F_B为列车对钢轨的总压力。

步骤二、输入列车的运行工况，如：隧道工况、坡道工况、曲线工况等，根据下述方法计算列车模拟运行中将会受到的附加阻力，包括隧道空气附加阻力、坡度附加阻力、曲线附加阻力。

1、隧道空气附加阻力

隧道空气附加阻力形成的主要原应是因为活塞效应产生。当城轨列车在隧道中运行时，隧道中的空气被列车带动而顺着列车前进的方向流动，由于隧道壁所构成的空间限制，机车所推挤的空气不能全部绕流到机车后方，必然有部分空气会被机车向前推动，通过排风井排出到隧道出口之外，而机车尾端后方存在着负压区域，因此也必然会有空气通过进风井引入到隧道中，形成活塞风，这一现象称为机车的活塞作用。

隧道空气阻力修正公式为：

F_s＝1.16Lv²R²-0.74Lv²R+3.54LvR²-2.68LvR+0.13Lv²+39.79LR²+4.86v²R²-2.88v²R+13.42vR²+0.47Lv-26.4LR+5.99vR+0.3v²+15.62R²+4.64L-0.77R-0.92v-31.14

其中，L为列车总长度；v为当前模拟车速；R为隧道阻塞比。

2、坡度附加阻力

坡度附加阻力是列车在有坡度的轨道上运行时，重力沿轨道方向的分力。列车在上坡度运行，坡度附加阻力与列车运行方向相反，阻力是正值；列在下坡度运行，坡度附加阻力与列车运行方向相同，阻力是负值。

坡度附加阻力的计算公式为：

W_i＝(M_m+M_t)gsinθ (2)

其中，W_i为坡度附加阻力；M_m为动车的质量；M_t为拖车质量，g为重力加速，θ为当前坡度角。

坡度i可近似为：

i＝1000sinθ≈1000tanθ (3)

故式(2)可转换为单位坡度阻力w_i计算公式：

由于列车长度较长，存在各个车厢所处爬坡位置及坡度不同的情况。此时将列车的各个车厢假设为质点，如图2(a)、2(b)、2(c)所示，将公式(4)优化为：

其中，w_ifz为复杂情况下的单位坡度附加阻力；i_fz为替代坡度；i₁为变坡点前的坡度；i₂为变坡点后的坡度；L为列车总长度；l为通过变坡点的列车长度。式(5)计算的是列车瞬时坡度损失，列车通过一段变坡点时的总坡度损失可以用积分

来计算。

3、曲线附加阻力

曲线附加阻力是指列车进入曲线运行时，部分车轮轮缘压向外轨头产生滑动摩擦，车轮在轨面产生横向滑动以及转向架中心盘和旁承的摩擦加剧，这些因进入曲线运行而增加的摩擦损失所造成的阻力。

曲线单位附加阻力的一般综合经验公式为：

其中，w_r为曲线单位附加阻力；A为单位曲线附加阻力的经验常数，根据规定A为600；R为曲线半径。

在变曲线半径工况时，与上述坡度附加阻力计算方式类似，将列车的各个车厢假设为质点。将曲线单位附加阻力公式优化为：

其中，w_rfz为复杂情况下的曲线单位附加阻力；L为列车总长度；R_fz为替代曲

线半径；R₂为变径点后的曲线半径；R₁为变径点前的曲线半径；L为列车总长度。

步骤三、利用所输入的轨道信息计算目标车速，根据公式8确定当前列车所需要的加速度或减速度：

其中，a为当前列车所需要的加速度或减速度；v_目标为立车目标车速；v_当前为列车当前车速；t_仿真周期为仿真周期。

使用步骤一和步骤二计算得到的各项阻力，结合仿真车型的各类惯性力和传动效率等数据计算列车所需要的驱动力或制动力，根据牛顿第二定律得到：

F_{驱/制动力}-F_阻力＝Ma (9)

其中，F_{驱/制动力}为列车车轮与轨道摩擦产生的驱/制动力；F_阻力为步骤一中计算的各类阻力的合力；M为列车总质量；a为列车当前加速度；T_损失为因各类惯性力导致的力矩损失；J为列车上各类转动零件的转动惯量换算至车轮处的总转动惯量；R_L为车轮半径；i_减速比为列车传动系统从电机到车轮的总减速比；η_传动效率为机械传动部件的总传动效率。T_驱/制动为列车轮上驱动、制动转矩。

至此完成了整车动力学模型的建立。

步骤四：加入电机、高压电子控制器部分的能量转换效率等影响因素，计算得到列车模拟运行的实时消耗或发电功率，建立能量消耗仿真模型：

其中，P_耗电为列车从轨道电网获得能量的功率，P_发电为列车向轨道电网输送能量的功率；η_放电效率为从电网到电机的能量传递总效率；η_发电效率为从电机到电网的能量传递总效率；T_驱动为式(11)的T_驱/制动的正值部分；T_制动为式(11)的T_驱/制动的负值部分；n_转速为当前电机转速。

将消耗及发电功率对时间进行积分即可得到列车总能耗信息：

其中，P耗电/P发电为式12、13计算得到的数值；T为对完整的轨道进行仿真所需的时间。

至此，完成包含列车数据设置模块、线路数据设置模块以及运行数据设置模块的仿真平台的搭建，如图3所示。通过该仿真平台进行仿真计算，在列车数据设置模块、线路数据设置模块中输入列车数据、线路数据与运行数据，修改、更新原有数据并保存为列车数据文件、线路数据文件与运行数据文件。设置列车数据文件、线路数据文件、运行数据文件以及读取路径后，使用运行数据进行仿真计算，输出电机特性输出、功率仿真、牵引系统能流图、各方面能耗仿真、列车总能耗等参数信息，可在即时查看，输出相应图表，用于分析。仿真平台中的仿真结果输出部分可以对列车运行过程中辅助系统能耗、牵引传动损耗、运行阻力能耗和能量回收部分占列车运行总能耗的比例通过能流图的形式显示，方便用户对列车运行过程中各个部分能耗进行分析评价。

本发明估计列车运行过程中驱动能耗的仿真方法，通过独立设置各项列车及轨道工况的相关参数，实现了对不同车型在不同类型的线路上能耗及能流，以此指导列车动力系统的优化，为合理安排牵引供电系统的布局和容量，提高运行质量，节约能源等方面提供理论依据和参考，同时分析列车运行过程的能耗影响因素，在此基础上可以指导列车车身风阻系数等参数的设计。

Claims (5)

1.一种估计列车运行过程中驱动能耗的仿真方法，其特征在于：建立整车动力学模型与能量消耗仿真模型，完成仿真平台的搭建；通过仿真平台进行仿真计算，输入列车数据、线路数据与运行数据，修改、更新原有数据并保存为列车数据文件、线路数据文件与运行数据文件。设置列车数据文件、线路数据文件、运行数据文件以及读取路径后，使用运行数据进行仿真计算，输出电机特性输出、功率仿真、牵引系统能流图、各方面能耗仿真、列车总能耗等参数信息，可即时查看，输出相应图表，用于分析。

2.如权利要求1所述一种估计列车运行过程中驱动能耗的仿真方法，其特征在于：整车动力学模型建立方式为：

利用所输入的轨道信息计算目标车速，确定当前列车所需要的加速度或减速度：

同时根据列车仿真运行过程中将会受到的基本阻力、列车模拟运行中将会受到的附加阻力结合仿真车型的各类惯性力和传动效率等数据计算列车所需要的驱动力或制动力，得到

F_{驱/制动力}-F_阻力＝Ma (9)

其中，F_{驱/制动力}为列车车轮与轨道摩擦产生的驱/制动力；F_阻力为步骤一中计算的各类阻力的合力；M为列车总质量；a为列车当前加速度；T_损失为因各类惯性力导致的力矩损失；J为列车上各类转动零件的转动惯量换算至车轮处的总转动惯量；R_L为车轮半径；i_减速比为列车传动系统从电机到车轮的总减速比；η_传动效率为机械传动部件的总传动效率。T_驱/制动为列车轮上驱动、制动转矩。

3.如权利要求2所述一种估计列车运行过程中驱动能耗的仿真方法，其特征在于：列车仿真运行过程中将会受到的基本阻力为：

其中，w为列车运行单位基本阻力；r为轴颈半径；φ为轴承摩擦系数；σ为滚动摩阻系数；R_L为车轮半径；b为滑动摩擦阻力系数；v为当前模拟车速；ρ为空气流体密度；S为列车迎风面积；n为列车总节数；C₁为列车头车空气阻力系数；L为列车总长度；d为列车动力直径；F_B为列车对钢轨的总压力。

4.如权利要求2所述一种估计列车运行过程中驱动能耗的仿真方法，其特征在于：列车模拟运行中将会受到的附加阻力包括隧道空气附加阻力、坡度附加阻力、曲线附加阻力；

A、隧道空气附加阻力为：

F_s＝1.16Lv²R²-0.74Lv²R+3.54LvR²-2.68LvR+0.13Lv²+39.79LR²+4.86v²R²-2.88v²R+13.42vR²+0.47Lv-26.4LR+5.99vR+0.3v²+15.62R²+4.64L-0.77R-0.92v-31.14

其中，L为列车总长度；v为当前模拟车速；R为隧道阻塞比；

B、坡度附加阻力为复杂情况下的单位坡度附加阻力：

其中，w_ifz为复杂情况下的单位坡度附加阻力；i_fz为替代坡度；i₁为变坡点前的坡度；i₂为变坡点后的坡度；L为列车总长度；l为通过变坡点的列车长度。式(5)计算的是列车瞬时坡度损失，列车通过一段变坡点时的总坡度损失可以用积分

来计算。

C、曲线附加阻力为曲线单位附加阻力：

其中，w_rfz为复杂情况下的曲线单位附加阻力；L为列车总长度；R_fz为替代曲线半径；R₂为变径点后的曲线半径；R₁为变径点前的曲线半径；L为列车总长度。

5.如权利要求1所述一种估计列车运行过程中驱动能耗的仿真方法，其特征在于：能量消耗仿真模型加入电机、高压电子控制器部分的能量转换效率等影响因素，计算得到列车模拟运行的实时消耗或发电功率：

其中，P_耗电为列车从轨道电网获得能量的功率，P_发电为列车向轨道电网输送能量的功率；η_放电效率为从电网到电机的能量传递总效率；η_发电效率为从电机到电网的能量传递总效率；T_驱动为式(11)的T_驱/制动的正值部分；T_制动为式(11)的T_驱/制动的负值部分；n_转速为当前电机转速。

将消耗及发电功率对时间进行积分即可得到列车总能耗信息：

其中，T为对完整的轨道进行仿真所需的时间。

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