軌道交通中的節(jié)能坡及其工程應(yīng)用

1、軌道交通中的節(jié)能坡及其工程應(yīng)用摘要采用二維控制模型,說明了軌道交通中節(jié)能坡的最優(yōu)控制原理。總結(jié)了節(jié)能坡在軌道交通工程應(yīng)用中的主要原那么:列車再生制動(dòng)功能不能代替節(jié)能坡;有條件的區(qū)間都應(yīng)設(shè)計(jì)成節(jié)能坡,且遵循“高站位,低區(qū)間的設(shè)計(jì)原那么;應(yīng)盡量符合列車運(yùn)行規(guī)律;必須結(jié)合工程實(shí)際,且與施工方法相結(jié)合。節(jié)能坡的設(shè)計(jì)思想主要表達(dá)在地下線和高架線上。關(guān)鍵詞軌道交通,線路縱斷面,節(jié)能坡,工程應(yīng)用城市軌道交通每天都在消耗著大量的能源。節(jié)約運(yùn)行能耗對降低軌道交通運(yùn)營本錢、進(jìn)步經(jīng)濟(jì)效益具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。為降低能耗,人們采取了許多節(jié)能措施,包括車輛輕量化(如采用鋁合金車體)1、節(jié)能線路設(shè)計(jì)、采用挪動(dòng)閉塞列車控

2、制系統(tǒng)等。其中,列車按照預(yù)定的節(jié)能曲線自動(dòng)駕駛是一個(gè)最經(jīng)濟(jì)的方法,而且對效勞質(zhì)量不會(huì)產(chǎn)生任何影響。這種駕駛曲線根據(jù)列車性能和線路最大通過才能的要求,對列車加速、減速、惰行等運(yùn)行狀態(tài)加以平衡。在軌道交通工程線路縱斷面設(shè)計(jì)時(shí),節(jié)能坡是一種很重要也非常必要的手段,它不但要滿足地形、地質(zhì)、障礙物及行車平安條件的要求,還要力求減少工程量和創(chuàng)造良好的運(yùn)營條件,以降低運(yùn)營費(fèi)用,到達(dá)降低能耗的目的。本文主要就節(jié)能坡的最優(yōu)控制原理、主要原那么及在軌道交通工程中的應(yīng)用等做些分析和討論。1節(jié)能坡的最優(yōu)控制原理1.1節(jié)能運(yùn)行的二維控制模型軌道交通線路設(shè)計(jì)大都為新線設(shè)計(jì)。為求解能耗最小的列車最正確運(yùn)行方式,可采用二維控

3、制模型2。令1(任一坡段的坡度()與最大允許坡度()之比)為坡度控制變量,2(即時(shí)可控力()與最大牽引力()之比)為列車運(yùn)行的控制變量。根據(jù)以上定義,對1、2有如下約束:式中=/,為最大制動(dòng)力與最大牽引力之比。由于城市軌道交通自身的特點(diǎn),線路通常位于人口密集、建筑物眾多的市區(qū),線路設(shè)計(jì)一般是在保證需要的通過才能的前提下,先確定站位位置,再確定引線方案。本文假設(shè)站位、車站相對高差和站間距均為給定的。令為兩站相對高差,為站間距。根據(jù)牛頓力學(xué)定律及幾何關(guān)系,建立列車運(yùn)行狀態(tài)方程組式中:為列車運(yùn)行速度;,分別為列車質(zhì)心坐標(biāo);為即時(shí)速度最大單位牽引力;0為列車單位根本運(yùn)行阻力;為最大允許坡度。由于軸正方

4、向向下,因此在理論分析中,下坡道為正。狀態(tài)方程組(3)應(yīng)滿足的邊界條件:為確定能耗最小的最正確坡度形式,建立如下目的函數(shù):1.2問題求解根據(jù)龐特里亞金最大值原理,1、2必須使?jié)h密爾頓函數(shù)到達(dá)最大,即使下式中最大在最優(yōu)控制中,控制分為正規(guī)控制和奇異控制兩種。控制變量取固定值的解稱為正規(guī)解,如2取1,0或-1。奇異控制是指控制變量取不確定的值,如1在(-1,1)之間取值。綜上分析,可得出坡度的最優(yōu)控制策略由最大下坡道、過渡坡道和最大上坡道組成。而列車運(yùn)行的最優(yōu)控制策略為最大力牽引運(yùn)行、恒速運(yùn)行、惰力運(yùn)行和制動(dòng)運(yùn)行組成。其互相轉(zhuǎn)換點(diǎn)根據(jù)約束條件式(4)和控制變量的取值式(8)、式(9),求解式(7)

5、、式(3)結(jié)合組成微分方程組求得。此為兩點(diǎn)邊界值問題,求解的關(guān)鍵在于確定協(xié)狀態(tài)變量的初始條件。為簡化求解工作,需要知道最正確軌跡的形式,因?yàn)樵谲壽E形式確定以后,只需求出變坡點(diǎn)及工況轉(zhuǎn)換點(diǎn)即可。根據(jù)式(8)、(9),在機(jī)車運(yùn)行奇異控制時(shí)有:-=0(10)在坡度奇異控制時(shí)有:1+3+3=0(11)求解上述微分方程,根據(jù)文獻(xiàn)3,可得出坡道奇異時(shí)的運(yùn)行速度:圖1為在列車運(yùn)行速度不受限制和線路條件允許情況下的最正確優(yōu)化軌跡的幾種形式。由圖中可以看出,能耗最小的線路最正確縱斷面形式都是凹形縱斷面。當(dāng)然,在具有高程約束和列車運(yùn)行速度約束的情況下,可以得出同樣的結(jié)論。研究說明4,凹形縱斷面與其它類型縱斷面相比

6、擬約減少列車運(yùn)行能耗10%。2節(jié)能坡在軌道交通工程中的應(yīng)用2.1主要設(shè)計(jì)原那么城市軌道交通中節(jié)能坡的使用,主要遵循以下幾個(gè)方面的原那么:(1)軌道交通的列車再生制動(dòng)功能,不能代替節(jié)能坡。再生制動(dòng)是一種動(dòng)力制動(dòng),是把電動(dòng)車組的動(dòng)能通過電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能后,再使電能反應(yīng)回電網(wǎng)提供應(yīng)別的列車使用。這種方式既能節(jié)約能源,又減少制動(dòng)時(shí)對環(huán)境的污染,且根本上無磨耗。現(xiàn)代軌道交通車輛廣泛采用這種再生制動(dòng)技術(shù),發(fā)出的電能供鄰近的列車使用,但時(shí)間吻合的幾率并不高,因此它并不能代替節(jié)能坡。(2)軌道交通凡有條件的區(qū)間,都應(yīng)設(shè)計(jì)成節(jié)能坡,即遵循“高站位、低區(qū)間的設(shè)計(jì)原那么。列車從車站起動(dòng)后,借助下坡的勢能增加列車加速度

7、,縮短列車牽引時(shí)間,從而到達(dá)節(jié)能的目的。列車進(jìn)站停車時(shí),可借助坡度阻力,降低列車速度,縮短制動(dòng)時(shí)間,減少制動(dòng)發(fā)熱,節(jié)約環(huán)控能量消耗。在節(jié)能坡條件下,列車開場制動(dòng)的初速一般在4050/之間;而在非節(jié)能坡條件下,制動(dòng)初速一般在6070/之間4。(3)節(jié)能坡的使用必須與施工方法相結(jié)合。如地下線車站構(gòu)造采用明挖法施工、區(qū)間隧道構(gòu)造采用盾構(gòu)法或暗挖法施工時(shí),應(yīng)采用節(jié)能坡設(shè)計(jì)。假如區(qū)間構(gòu)造也采用明挖法施工,節(jié)能坡將加大區(qū)間線路埋深,增加工程投資,此時(shí)不宜設(shè)計(jì)為節(jié)能坡形式。(4)節(jié)能坡應(yīng)盡量符合列車運(yùn)行規(guī)律。車站一般位于縱斷面的高處,區(qū)間位于縱斷面的低處。節(jié)能坡道應(yīng)盡量靠近車站,豎曲線頭宜貼近乘降站臺(tái)端部,

8、以發(fā)揮最大節(jié)能效果。除車站兩端的節(jié)能坡道外,區(qū)間一般宜用緩坡,防止列車交替使用制開工況和牽引工況。(5)節(jié)能坡的應(yīng)用必須結(jié)合工程實(shí)際,必須與區(qū)間線路沿線的地形、地質(zhì)、地物和樁基等的實(shí)際情況相結(jié)合。假如區(qū)間有控制性障礙物,需要根據(jù)障礙物的特征(如根底類型、樁底標(biāo)高等)設(shè)計(jì)節(jié)能坡。2.2節(jié)能坡的主要型式城市軌道交通的線路型式主要有三種:地下線、高架線和地面線。地下線區(qū)間均在地下穿行,坡度不受地形的控制,只受到沿線地下建筑、樁基、地下管線等因素的控制,最有條件使用節(jié)能坡。高架線受到沿線地形的控制,還受到車站相對高度、沿線道路及橫向道路凈空的控制,線路起伏不能太大,但仍需遵守“高站位、低區(qū)間的設(shè)計(jì)原那

9、么,盡量設(shè)計(jì)成節(jié)能坡。地面線那么受到地形、地物的控制影響較大,一般無法設(shè)計(jì)成節(jié)能坡,只有在有條件的區(qū)間才可以設(shè)計(jì)為節(jié)能坡。因此,節(jié)能坡的設(shè)計(jì)思想主要在軌道交通地下線和高架線上表達(dá)。地下線的節(jié)能坡坡段長度一般宜為200300,坡度值視左右線隧道構(gòu)造而異。當(dāng)左右線分為兩單線隧道時(shí),兩線在區(qū)間可以不等高,列車出站方向的坡度值可用足最大坡度,進(jìn)站方向的坡度值宜減少5左右。當(dāng)左右線并行共用一個(gè)隧道構(gòu)造時(shí),因左右線要求等高,進(jìn)出站的坡度均宜較最大坡度值減少5左右。兩段節(jié)能坡段之間用緩坡連接,但緩坡不小于3,以利于地下線路排水。一般在區(qū)間中部最低處設(shè)置旁通道及泵站。高架線的節(jié)能坡型式與地下線根本一致,不同的

10、是,高架橋上的線路上下行線需要等高。由于車站和區(qū)間高差的關(guān)系,節(jié)能坡坡度值不能太大。兩節(jié)能坡段之間可用緩坡也可用平坡段連接,但必須解決好排水的問題。假如線路需要從地下線過渡到高架線時(shí),由于高差及橫向道路控制標(biāo)高等的關(guān)系,線路不能按節(jié)能坡的形式設(shè)計(jì),只能按單面坡將坡度控制在最大允許坡度之內(nèi)即可。2.3工程應(yīng)用節(jié)能坡在軌道交通工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用非常廣泛,尤其是在盾構(gòu)(包括雙圓盾構(gòu))法和暗挖法施工的地鐵線路中。圖2為幾種典型的節(jié)能縱斷面(分別為地下線和高架線的縱斷面)。此類節(jié)能縱斷面大量應(yīng)用于上海軌道交通1號(hào)線、2號(hào)線、明珠線二期(4號(hào)線)、莘閔線(5號(hào)線)及楊浦線(8線)等線路的工程設(shè)計(jì)中。參考文獻(xiàn)1