摘要：铁路运输可以说是现代货物运输的重要手段，对于需要长途运输的煤、石油、矿石等战略物资和食品、百货等生活必需品，铁路运输具有成本低廉、运量大、安全可靠的优势。我国铁路货运的发展前景广阔。但是，列车运营过程中产生的能耗值得关注，由此引起的环境污染问题更是不容小视。因此，为实现社会经济的可持续发展，建立“资源节约型”社会，实现铁路系统的节能减排，有必要货运电力机车节能优化操纵策略展开研究，并提出列车节能降耗措施。
关键词：货运电力机车；节能优化；策略
货运铁路是我国综合交通体系的重要组成部分，在我国经济社会发展中的地位和作用至关重要。据交通运输行业发展统计公报统计，2016年，全国铁路的货运总发送量为33.32亿吨，货运总周转量为23792.26亿吨公里，发挥了铁路骨干运输作用，提升了物流运行效率和服务质量。轨道交通在带来便捷高效的运输服务的同时，也带来了巨大的能源消耗。为推动铁路绿色发展，加大节能减排力度，就需要进一步降低铁路运输能耗水平。
1 加大货运电力机车节能优化操纵策略研究的意义
1.1 为机车乘务员提供行车依据
货运列车是一个大滞后、非线性系统，列车运行过程受天气、线路条件、机车操纵规则、辅助能耗等因素影响。可综合考虑各种因素，通过优化得出列车最优操纵策略，并且对最优策略做进一步修正，最终为司乘人员提供可行的操纵建议。
1.2 利于提高铁路技术装备水平
研究货运电力机车节能优化操纵策略，开发适用于司乘人员的车载节能操纵指导系统，有利于提高铁路技术装备水平。深入分析货运电力机车节能优化操纵策略，开发司机操纵指导系统——辅助驾驶设备，旨在为司机操纵提供实时建议，减少能源浪费，提高铁路自动化水平，最终为实现货运列车的自动驾驶奠定重要基础。
1.3 提升经济效益
研究货运列车节能优化操纵问题，不仅可以减少温室气体排放，而且会带来显著的经济效益。在实际运用中，机车乘务员操纵水平直接影响列车运行能耗。目前，机车司机凭借其驾驶经验、操规等行车，具有较大的主观性，容易引起能源的浪费。以某局跟车试验数据为例说明司机操纵对能耗影响，被试验列车不受地面信号的影响，全程绿灯。在走行距离、运行时分、牵引质量等因素相同的前提下，由于司机的驾驶习惯不同，对列车节能操纵的理解不同，导致列车运行能耗差异。根据《中国铁道年鉴2015》统计，2014年全路机车能耗为35387444千kWh，按节能5%计算，将节约1769372.2千kWh电能，若电价为700元/千kWh，则全路的电力机车每年将为国家节省约12.39亿人民币电费。
2 货运列车运行能耗评估模型建立
列车运行过程中，其能耗主要分为两部分，第一部分主要由照明系统、空调系统、通风系统、其他车载设备等产生，另一部分为列车运行能耗，主要由牵引制动系统产生。其中，列车运行能耗消耗了列车大部分电能。由于列车运行辅助能耗所占总能耗比重较小，且相同时间内能耗比较稳定，与列车司机的操纵方式无直接关系，而列车运行能耗与司机的操纵方式直接相关。对列车的运行能耗评估计算主要有三种方法：第一种是基于能耗曲线的测算方法，在提供列车牵引特性曲线和能耗特性曲线的情况下，可采用该方法，计算较为精确；第二种是基于牵引做功的方法进行能耗估算，通常在特性曲线未知或者失效的情况下采用，适用于数据缺乏条件下对数据精度要求不高的估算，该方法可以给出列车运行能耗计算的解析模型；第三种是基于经验公式的测算方法，只能对列车运行能耗进行简单的估算。虽然已知机车的牵引特性曲线，但是机车牵引力特性，即机车牵引力与牵引电机电流和牵引电机电压之间的关系未知，因此可采用基于牵引做功的方法进行能耗的估算，具体步骤为：根据某种优化策略对列车区间运行曲线进行优化，确定列车在区间的运行状态，将列车运行过程中的运行速度、位置、牵引力离散采样，根据能耗的计算公式计算列车在单位距离内消耗的能量并进行累加。
在长线路仿真中，通常不考虑列车再生制动产生的能量。则列车从起点x=0到终点x=X的单位牵引能耗可以用积分表示为：
3 货运电力机车节能优化操纵策略研究
3.1 起动牵引阶段平稳操纵策略
在实际运行中，受到列车牵引能力的限制，无限大加速度是不存在的，同时考虑到列车运行的安全平稳性，只有保持列车运行的安全平稳性，才能实现节能优化操纵，司机通常采取次优的操纵策略。列车起动过程的平稳性和安全性主要取决于列车起动加速度大小及其变化率大小，机车手柄切换速度越快，列车的纵向冲动越剧烈，从而影响列车的平稳性和安全性。根据司机驾驶经验，对于牵引能力充足的列车，在起动时应先施加较小的牵引力，使列车车钩拉紧，消除车钩间隙，以抑制列车纵向冲动，然后待全列车起动后，再缓慢提高牵引手柄级位，逐步加载机车牵引力，使列车平稳起动，最后全力加速至巡航速度。
3.2 恒速运行控制
在实际运行过程中，根据机车控制方式的不同，相应的平稳操纵策略不同。当列车为连续控制时，则应选择合适的牵引级位，保证列车匀速运行；当列车为离散控制时，则应选择合适的牵引级位，使列车按照牵引、惰行、再牵引、再惰行的操纵策略运行，尽量使列车牵引力接近列车运行阻力，避免牵引与惰行工况的频繁切换，同时在工况切换时，应考虑操纵的平稳性，控制列车牵引力变化率不宜过大。此外，列车在大上坡运行时，会受到坡道的影响，可采用最大牵引力牵引也不能保持巡航速度运行，根据列车节能操纵工况切换规则，应提前以全力牵引工况牵引，并通过大上坡，直至列车速度恢复至巡航速度后，再将工况切换到巡航工况。在实际运行过程中，除了要考虑节能因素以外，还需要考虑操纵的安全性和平稳性，当列车在大上坡上运行时，如果操作不当，轻则造成列车冲动，严重会导致车钩断裂，所以应控制好列车牵引力的变化率，避免牵引力的突然上升和突然下降。
3.3 大坡道情况下列车最优工况切换策略
要实现大坡道情况下列车最优工况切换策略，在进入大下坡道前，列车提前惰行或及时降低手柄级位，可以有效避免列车在长大下坡道的调速制动，实现列车节能运行。然而，在实际运用中，列车运行于长大下坡区间（大下坡道距离足够长），且必须使用调速制动控制车速时，以达到节能的目的。
3.4 其他注意事项
为了达到节能降耗的目的，相关人员应加强车轮创新与研发的力度，应用性能较强的车轮，延长车轮使用寿命。比如，相比于早期锥型踏面的车轮而言，通过车轮踏面的创新设计形成的磨耗型车轮踏面，其磨损速度得到有效降低，实现了车轮与钢轨接触应力的降低。与此同时，基于北京、济南等铁路部门所应用的机车车辆车轮实际情况以及列车运营条件，针对运行于小半径曲线段的车辆车轮踏面进行创新设计，得出 JM 磨耗型车轮踏面。实践证明，经过改革后的车轮踏面，其使用寿命大大延长。对于以往的车轮而言，车轮轮缘摩擦磨损降低了30%～70%，因此，铁路局应根据铁路线路实际情况，以创新精神为指导，注重车轮创新设计，研制出适合自身需求的车轮踏面，可有效降低车轮摩擦磨损，实现节能降耗目标。
结束语：
轨道交通绿色、安全的优势日益凸显，特别是对于电力机车，其具有自动化程度高、噪声低、运量大、污染小、安全性高等优点。但是能源和环保问题越来越受到社会的广泛关注，在铁路货运中，列车的运行能耗与司机操纵水平密切相关。列车运行过程十分复杂，受多种因素的制约及影响，为了实现节能优化操纵，就要降低机车的牵引能耗，这也是实现是机车节能的重要举措。
参考文献：
[1]赵鑫，高志远，王烈.铁路机车运行能耗影响因素仿真研究[J].铁道运输与经济，2018，40（10）：71-75.
[2]刘远宏.铁路电力机车节能优化操纵研究[J].铁道运输与经济，2017，40（04）：95-99+106.
论文作者:李明
论文发表刊物:《基层建设》2018年第35期
论文发表时间:2019/3/25
标签：列车论文; 节能论文; 车轮论文; 电力机车论文; 牵引力论文; 机车论文; 货运论文; 《基层建设》2018年第35期论文;