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摘要：在当今，随着城市化进程不断加大，城市轨道交通在中大型城市中已越来越重要，它相对于其它城市公共交通工具而言，具有安全舒适、快速环保、运能大和能源消耗少的特点。按照同等运能比较，轨道交通的能耗只相当于小汽车的九分之一，公交车的二分之一。因此，轨道交通本身就具有重要的节能减排意义。
城市轨道交通相对于其它城市交通工具的另一个特点是以耗电能为主，而不是燃油。石油作为国家核心能源，是工业经济的命脉，当今世界几乎所有国家都把石油安全置于能源战略的核心位置，石油安全直接关系到国家能源安全，关系到经济社会的可持续发展。因此在特大城市、大城市中，以城市轨道交通为骨干来提高公共交通的出行比例，符合国家宏观经济层面的能源政策，有利于建设资源节约型、环境友好型社会。
关键词：轨道交通 车辆 节能优化
一、对城市轨道交通节能的需求
在城市轨道交通日趋重要和线路发展越来越广的情况下，城市轨道交通的运行节能优化就体现的尤为重要。它不仅响应国家低碳环保的可持续发展战略，更为大大减少列车运营成本，提高列车使用效率做出重要贡献。
城市轨道交通近年来在中国迅猛的发展，自北京开通第一条地铁线路以来，上海，南京，广州，深圳，重庆，杭州等城市都相继开通了地铁，更多城市也在规划建设轨道交通线路。这不仅因为轨道交通有运能大，时间准，快捷便利的特点，更因为轨道交通相对公交汽车等传统交通方式低能耗的优势。在轨道交通运营过程中主要消耗电能，基本不消耗其它形式的能源。这样就能有效的减少温室气体的排放，节约石油等珍贵能源。
目前节能技术的研究已成为国内外学者研究的热点问题，同时城市轨道交通车辆的运行具有区间距离短、起动和制动频繁等特点，而制动所产生的能量有很大一部分消耗在车载的制动电阻上，由此产生的热量散发到地铁隧道内或空气中，使隧道内温度逐年升高，这给列车的运行带来诸多的不安全隐患，因此使得研究城市轨道交通车辆的节能运行成为当前研究的一个热点。
由于城市轨道交通的特点是区间距离短、列车运行密度高，这样列车在全线运行过程中必将有频繁的起动、制动过程。根据经验，车辆再生制动产生的反馈能量一般为牵引能量的40%甚至更多。而这些再生能量除了一定比例（一般为20%～80%，根据列车运行密度和区间距离的不同而异）被其他相邻列车吸收利用外，剩余部分将主要被列车的吸收电阻以发热的方式消耗掉或被线路上的吸收装置吸收。
据考察，北京地铁750V直流供电电压在机车进站制动时可能升到1000V以上，这是由于列车再生制动能量在直流电网上不能被相邻列车完全吸收造成的。当列车发车密度较低时，再生能量被其他车辆吸收的比例将大大降低。资料表明，当列车发车间隔大于10min时，再生制动能量被吸收的比例几乎为零，此时绝大部分制动能量将被车辆吸收电阻吸收，变成热能并向四周发散。由于列车的制动主要发生在运行过程中，如果再生能量由车辆制动电阻吸收，必将带来隧道和站台内的温升问题，同时也增加了站内环控系统的负担，造成定量的能源浪费并使地铁的建设费用和运行费用增加。在我国的部分地铁线路（如北京地铁）上，已经出现温升问题相当严重的状况。因此，城市轨道交通车辆的节能运行方案的研究并成功运用，将会降低隧道洞体和车站内温度并改善洞内空气质量。同时，合理配置再生能量回收装置还能降低能耗，这对于当前国际国内能源短缺的现状具有重大意义。
二、牵引和制动对列车耗能的影响
城市轨道交通列车的运行是在一个复杂多变的环境下由多个因素共同作用的结果。这些因素既有静态的也有动态的。在环境因素中，主要包括以下因素：
1、线路条件：线路是列车运行的基础，它既涉及到坡道、曲线、桥梁、隧道、道口等土木方面的问题，也有轨道电路、分项绝缘器等电器方面的问题。
2、列车条件：列车是系统研究的主要对象之一，但列车的内容本身又是多变的因素之一。它涉及到机车类型（影响到牵引及制动能力）、车辆类型及数量（影响列车质量、长度和制动性能）等。
3、信号条件：当存在多列车时，信号影响着列车的运行，列车运行特性又是确定信号机位置的重要因素。
4、供电参数：它包括牵引供电方式、供变电所的位置及主要参数，重点针对电力牵引环境。
5、牵引策略：列车运行有许多计算前提条件，注重运输成本的经济性节能运行，注重时间速度的运行，以及其他因素等。
列车在运行过程中受到许多力的作用，主要包括：列车牵引力、列车的基本阻力、附加阻力、起动阻力、制动力、重力、车钩作用力和其它横向作用力。其中，影响列车运行的主要作用力有列车的牵引力、运行阻力和制动力。
列车的牵引力分析
机车产生的牵引力是与列车的运行方向相同并由驾驶员根据需要控制的外力。列车牵引力是由机车动力装置发出的内力经传动装置传递，在轮周上形成切线方向力，再经过轮轴的黏着而产生的、由钢轨反作用于轮周上的外力。（1）黏着牵引力的计算：
黏着牵引力是由于轮轨间黏着作用产生的机车牵引力，列车黏着牵引力的理论计算公式是：
列车制动力的影响
列车的制动力是由制动装置产生的、与列车运行方向相反的、是列车减速制动的，可以有司机控制的外力。
在制动操作上，根据列车制动作用可分为两种：常用制动和紧急制动。常用制动是在正常情况下为列车调速或进站停车所实施的制动，其动作较为缓和，制动力大小可以调节通常只有列车制动能力的20%~80%，大多数情况下为50%左右。紧急制动时在紧急情况下为了使列车尽快停下而实施的制动，动作比较迅猛，而且是用上了全部的制动力。
三、车辆运行节能策略
城市轨道交通列车运行过程中一般采用最节能最快速的运行策略，所以考虑到节约能耗需遵循以下几个原则：
1、列车起动时以所允许的最大加速度起动。
2、列车制动时采用所允许的最大制动力制动。
3、尽量避免使用空气制动，除非是停车制动。
4、中间过程则采用牵引和惰行相结合的运行策略。
四、总结
随着世界范围科学技术的迅猛发展，城市轨道交通高新技术的开发应用呈现出日新月异的面貌。轨道车辆具有运量大、速度快、安全、准点、保护环境、节约能源和用地等特点，世界各国普遍认识到：解决城市交通问题的根本出路在于优先发展以轨道交通为骨干的城市公共交通系统。我国也在这种大形势下积极发展城市轨道交通，各地的轨道交通工程建设都已陆续开展起来，随着国内众多城市地铁线路的开通运行，相信对轨道交通牵引节能的研究会越来越得到重视。
参考文献：
[1]李科亮.机车节能运行控制系统的研究[D].西南交通大学，2008.
论文作者:褚洪菲
论文发表刊物:《基层建设》2017年第36期
论文发表时间:2018/4/3
标签：列车论文; 轨道交通论文; 城市论文; 牵引力论文; 节能论文; 车辆论文; 能量论文; 《基层建设》2017年第36期论文;