第36卷第6期 电力机车与城轨车辆 Electric Locomotives&Mass Transit Vehicles Vo1.36 No.6 Nov.20th,2013 2013年11月20日 ・研究开发・ 列车牵引加速度计算方法分析研究 李耘茏1,2,刘斌。 (1.同济大学铁道与城市轨道交通研究院,上海 201804; 2.南车株洲电力机车有限公司技术中心,湖南株洲412001) 摘 要:牵引加速度计算是列车牵引制动特性计算过程中的重要组成部分。因为无显式计算公式,实际 计算中一般采用数值计算方法。不同的数值计算方法和不同的计算步长,将导致最终的结果与真实值之间存 在不同的误差。文章通过对比不同的数值计算方法。分析这些方法的异同。 关键词:牵引加速度;牵引特性;制动特性;数值计算 中图分类号:U260.13 l 文献标识码:A 文章编号:1672—1187(2013)06—0019—04 Research and analysis of train traction acceleration calculation LI Yun—long1,2,LIU Bin (1.Institute of Railway and Urban Mass Transit,Tongji University,Shanghai 20 1 804,China; 2.R&D Center,CSR Zhuzhou Electric Locomotive Co.,Ltd.,Zhuzhou 412001,China) Abstract:Traction acceleration calculation is one of the most important components of the traction and braking characteristic computation of the train.Because there is no obvious compute formula,it is always done by numeric calculation.Different numeric calculation methods and different calculation steps will cause outcomes have different calculation errors.Through comparing different numeric calculation methods,this article has analyzed the similarities and diierences of fthem. Key words:traction acceleration;traction characteristic;braking characteristic;numeric calculation 0 引言 动车组、地铁车辆(以下简称“列车”)牵引特性计 算中包括了列车启动加速度、列车平均加速度计算,由 于列车运行时牵引力F及阻力尺是列车速度v的非 线性函数(分别是分段函数和二次函数),因此工程计 算时一般采用数值计算方法ll-2]。 目前常见的方法分以时间为步长和以速度为步长 以速度为步长计算基本思想是将列车运行速度分 成Ⅳ段.每段速度用△v表示,在△v速度段内对列车 加速度、运行时间做某些合理假定而将非线性问题转 化成线性问题,从而进行计算。而这种方法一般将平均 加速度定义为速度的平方与两倍的运行总距离之比 (一些列车采购招标书中明确规定这种算法)。 不同的数值计算方法和不同的计算步长,将导致 启动加速度、平均加速度计算结果与真实值有较不同 的差异。由于将非线性转化成线性而做的假定形式各 异.因此以下仅以常见的两种时间步长和速度步长计 进行计算两大类。 以时间为步长计算基本思想是将列车运行时间分 成Ⅳ段,每段时间用△ 表示,在AT时段内对列车加 速度、速度做某些合理假定而将非线性问题转化成线 算方法为例进行对比分析。 性问题,从而进行计算。这种方法一般将平均加速度定 义为速度与运行总时间之比(该定义符合一般性平均 加速度定义)。 收稿日期:2013-07—22 1 两种常见加速度计算方法对比 为方便论述,作如下约定:列车动质量(含旋转质 量)为 ;列车起始速度为0 m/s,需要计算的目标速度 作者简介:李耘茏,高级工程师,在读硕士研究生,从事轨道交通车辆研发工作。 19— 一电力机车与城轨车辆・2013年第6期 为1, (目标速度即计算列车启动加速度范围中的速 度上限值,如计算列车从静止加速到40 km/h的启动 加速度,40 km/h就是目标速度);列车牵引特性分三 段,分别为恒力矩区(0~ ),牵引力为 ,恒功区(Vo— ),牵引力随速度反比衰减,自然特性区(或恒电压 区)( ~ 一);列车基本阻力R--A+ ( )+ ( )2,A、B、C 为常数。 1.1 时间步长计算方法(算法1) 设在△ 时间段内,列车加速度 为定值(也可假 定加速度线性变换或者其它线性假定,在此只讨论目 前铁路应用计算中常用情况),所以在AT时间段内, 列车起始速度v 列车终止速度v肌。、列车运行路程Js 可以由如下公式求得: OAT F(:—vN)-R(—vN) f1)VN+l=vu+a ̄rAT (2) 1 = Ⅳ△ + △丁(△ )。 (3) 在式(1)中, 采用△ 时间段的起始时刻牵引力 v ,和△ 时问段的起始时刻阻力R(1, 相减,然后除 以列车动质量得到。如下分析其误差: 1)牵引力 )是一条随速度 单调不增曲线,即牵 引力只在恒力矩区不减小,在恒功区和恒电压区均随 速度的增加而减小。 2)列车基本运行阻力尺f1,)是一条随速度 单调递 增曲线,即列车阻力随速度在成二次方增加。因此按照 上述方法计算得到的加速度eta 要大于真实的△ 时 间段内平均加速度 即aar>a 故式(2)得到的 M 要比真实计算时列车经过△ 加速到的最终速度v  ̄+ 大,即:VN+1>v  ̄+l。 因此按照上述计算,经过较少的时间。列车即加速 到指定速度 ,因此计算平均加速度以 。= ,要 1, 大于真实平均加速度 = 。 ∑△ 1.2速度步长计算方法(算法2) 设在△v速度段内,列车加速度‰为定值(也可假 定加速度线性变换或者其他线性假定,在此只讨论最 简单情况),所以在△ 速度段内。列车起始速度v ,列 车终止速度v ,列车运行路程5 ,列车运行时间△ , 可以由如下公式求得: = (4) VN+l=vs+Av (5) △71: 二 : △r (6) -20- : △71+ △71): (7) 将上式综合化简得: : (8) 最终的平均加速度由下式计算得到: e。 = (9) 其中: s=∑S (10) 此种计算方法计算得到的加速度 与未做线性 假定的真实计算得到Av速度段内平均加速度0 v由 分析可知:aAV>a*AV。因此,式(8)得到的S 要比真实计 算时列车从速度v 加速到12N+。时走过的真实距离5 要小,即:Su<S*N。因此按照上述计算,经过较短的距离, 列车便加速到指定速度v ,因此计算平均加速度为 2 口 :・ ,要大于真实平均加速度 二 = 。 2∑S 1.3时间步长计算中引入距离的算法(算法3) 实际计算时,以时间为步长也有多种不同算法,其 中有利用距离公式算平均加速度,即如下算法: 1)加速度算法不变,仍为式(1)。 2)速度算法也不变,仍为式(2)。 3)路程算法也不变,仍为式(8)。 、,2 4)最终的平均加速度计算:aav。= (11) 2 . ‘ 分析上述算法,由于aAT>a 因此Js 偏小,因此 a.ve>口 。 2不同计算方法误差分析对比 2.1 误差分析 设第Ⅳ个时间段内加速度相对误差为 = N,一日 , 对于每个单独的Ⅳ个时间段内.比较算法l和算法3 的相对误差大小 算法1相对误差为运行总时间缩小量 , a一 a r 口△r+D ,【 ,+D J (12上式中6是加速度计算值a ,与真实值Ⅱ 之差, =口△广 ,式(12)可改写为: = = 对于算法3,计算产生的误差为路程相对误差6S: 李耘茏等・列车牵引加速度计算方法分析研究・2013年第6期 62=(vNAT+ 1 (△ ) )一式(18)中省略 以F项: (FNA,+ 一 r ∽)+c(v 2一v∽ ) )= (14) 考虑到阻力公式系数B和C较小,对分析不构成 结论性的误差,因此可以省略。对于式(18),将 设总的m-t间段数量为N,则将算法1计算结果与 真实值比较: 。 Vt afgct —— ~一 Vt ar — ct J。Fo ( )d 改写女ⅡlF: a 一aave ∑△丁 一 丁∑△丁 仁1 1 r ,)d,= (AT-0)= I Fo(19) 式(19)中, 1 是r d 的拉格朗日中值,根 ∑ ∑ 一 (15) 据式(19),则相对误差为: 分3种情况分析时问误差窆 (其他算法误差 = 一日 = 1( 一 (20) 分析与之类似,不做详述),第一种情况,列车处在恒力 只有当AI’趋于无穷小时,v(O , 才会趋 矩区间;第二种情况,列车处在恒功区间;第三种情况, 于零;同理可分析列车在自然特性时算法1的误差。 列车处在自然特性区间。 2.2收敛性分析 第一种情况:列车处在恒力矩区间,第N个时间段 上述分析可知如果算法1步长取的不足够小,其 内加速度相对误差为5 = N 一 ,可以写成如下形 误差会较大,以下的试验计算仿真也可以说明该问题。 式: 这里文献[4】给出一个理论证明: 一 =(F( )-R(v ))/ 定理1:设 )在[0,/,]JAN续且在[ 6]上有连续导 一 r (即)删1,))/Md (16) 数,且存在正常数M使lI厂( )I≥ ,XE[d,hi,那么, 式(16)中F(v)=Fo为恒值,阻力R (,))= + 1 )+cv(f)。为 ‘ ) 八坝6 I≥吾 (6 。 速度的二次函数。因为阻力公式中系数B和C通常很 以上定理可以据撞梧朗日中值定理来证明:任给 小,在列车恒力矩区域,阻力曲线可以线性化。所以在 ∈ ,6】,存在 ∈a,6】,使得_厂( )一_厂(臼)=f’( )( 一口)。 恒力矩区问计算误差,其值q ̄/J,,特别是当AT很小 因此: 时。可以忽略不计。 ( )I= )一 ] 第二种情况:列车处在恒功区问,第Ⅳ个时间段内 加速度真实值n 具体形式可以写成: } _厂 ( ) 一 )出f≥ 一 )出I= (6一 )。 定理2:设-厂( )在 hi ̄连续且在 6】上有连续导数, “ = 脚 (v))/Md,: 且存在正常数 使}/’( )I≥ , ∈[ , ,XqNI ̄'-1[a,6】进 MAT『(△ ( / o)-A-Bv(f)一 (f)。) 行n等分划分:Ⅱ= o 1<… =6,并记 ¨)= _I, = 1 J/*【)AT( /V( )一 )/△Tdf一 厅 琊么, ( I I=【 l… 以上定理可以由定理1证明得到: ]ATJp。(BV(r)+ (f) )d≠ (17) ) ( ≥吉 相对误差: 由此可知: N N *= r (Fo/v 一 --BvN-c4)/ l / , 一 喜 lI≥喜l .-厂c 一 cI・ 一击 ( ∽一 )/△Tdf一 兰Mh2:~1 M(b一 ) 2 2n r ( v(f)+c 对于算法1.对速度v(t)l ̄J积分函数为: MAT击( /v 一 )一 1 J。A (Fo/v(『)_ ) V(f)=J{F(V(“))一R(V(“))}/Mdu 1 E/可以证明函数厂(“)={F(v( ))一R(v(u))}/ 满足定 VN)一 l JA .。/ (f, (18) 理2的所有条件,因此如果用算法1所示方法(即矩形 一21— 电力机车与城轨车辆・2013年第6期 法)求取速度,如果项 M(b一日) 很大,则时问划分项 n必须取值很大,等价于AT要取值足够小,算法1的 误差才能满足实际使用要求。 对于算法3,比较其计算结果与真实值之间的误差 如下: + 一 表2算法2示例仿真结果 a 61 avc— ave=— : eI et 一 一— =—] 一一— ——二三—一vl:rg“ 表3算法3示例仿真结果 2ES 2ESi 2ES 2E(sT+8St、 V 2 t arket V 2 tafget 2S* +2∑N t t eI 2 s +∑N (△r)。 (21)4结束语 不管用哪种方法计算牵引加速度.只能是理论上 式(21)中项∑fi(AT) 是一个关于微分步长AT的 二次项,就算项数Ⅳ与AT成反比增长,当△ 取得足 ^, 无限接近真实值,存在误差是不可避免的,减小步长取 值可以减小误差。从上文的分析和计算结果可知:算法 3的收敛速度较快,而算法1收敛速度较慢。 够小时,项∑6(6T) 电将衰减接近于零,因此算法3是 lv 2 是否有更好的计算方法值得进一步研究.例如文 误差的理论,本文算法1是采用矩形法进行数值积分 计算,算法2和算法3部分引入了矩形法,还可以考虑 引入梯形法及抛物线法优化计算,值得进一步探讨和 分析。 可收敛于真实值 _=、e 的速度比算法1快。 的算法,它收敛与真实值 献【4】中提到关于矩形法、梯形法及抛物线法计算积分 3仿真结果对比 选取某个列车(最高运营速度为160 km/h)作示例 计算DI,在相同的输入条件下,三种算法有不同的结果, 详细结果如表1、表2和表3所示。 表1 算法1示例仿真结果 参考文献: [1】TB厂I'1407--1998,列车牵引计算规程[S]. 【2]饶[3】刘忠.列车牵引计算[M].2版.北京:中国铁道出版社,2003. 斌,陈爱军,李耘茏,等.牵引计算算法研究及软件实现[J1_电 力机车与城轨车辆.2013(1). [41郑立飞,解小莉,王洁.关于定积分近似计算中矩形法的误差估 计[J]_高等数学研究,2011,14(1):5-6. (责任编辑. 李娜) L.S L.S .5止 S止.S . .s L.S —址.S‘ (上接第18页) [47】Holmes S,Toma E,MSchroeder.High-speed passenger and intercity train awrodyanmic computer modeling【C】.Orlando:Proceedings of M E2000.the 2000 International Mechanicla Engineering C o ̄ess& Exposition,2000. 20l0,l27(3):l300一l306. [53]Lopez I,Vinolas J,Busturia J,et a1.Railway wheel ring dampers【C]. Nice:Proceedings of the 29th Intemational Congress on Noise Contml Engineering,2000. [54]Jones C J C,Thompson D J.Rolling noise generated by wheels with 【48】,张建润,刘剑.电力机车司机室减振降噪设计[J】_机车电 visco-elastic layers[J].Journal ofSound and Vibration,2000,231(3): 779—790. 传动,2009(6):13一l7. 【49】.机车车体结构抗振性设计探讨U].机车电传动,2008(6): 20—23. 【55】Brunel J F,Dufr6noy P,Demilly F.Modelling of squeal noise attenua— tion of ring damped wheels[J].Applied Acoustics,2004,65(5):457— 471. [50】Asmussen B,Stiebel D,Kitson P,et a1.Raducing the noise emission by increasing the damping of the rail:Results of a field test[J].Noise and vibration Mitigation,NNFM99,2008,229—235. [56]Thompson D J,Gautier P E.A review of research into wheel/rail rolling noise reduction[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engin- eels,Part F:Joumal ofRail and Rapid Tmnsit,2006,220(4):385—408. [51]Hansaka M,Mamada S,Sato D,et a1.Development of rail noise isolating material(RNIM)[J].NNFM,2012,1 18:97—105. [57]Ku=e U J,Diehl R J,Weibenberger W.Sound emission limits for rail- vehicles[J].Journal of sound and Vibration,2000,231(3):497—540. 【52]Brnnel J F,Dufr6noy P,Charley J.Analysis of the attenuation of railway squeal noise by preloaded rings inserted in wheels[J].J.Aeoust.Soc.Am, 22- (责任编辑李娜) -