淺談牽引計算在城市軌道交通項目設計中的作用

摘 要： 按一般的設計慣例，牽引計算工作僅僅是在線路方案穩定后所作的列車運行模擬計算，從而得出列車在各個區間內的走行時間、走行速度以及能耗。但隨著城市軌道交通項目綜合技術要求的不斷提高，如何從最經濟合理的角度確定設計規模，以最小的投入得到最大的回報，這就存在各專業之間相互制約的一系列復雜關系，而牽引計算工作在這中間所起的作用，就是從經濟運行的角度，找出最合理的技術參數，從而指導線路、車輛、信號、供電及環控專業的設計工作。

關鍵字：牽引計算、指導、線路、車輛、信號、牽引供電、環境控制、設計
1、指導線路專業對平、縱斷面的優化設計
選線就是選擇軌道交通路線，它是城市軌道交通工程設計的龍頭。選線首先是經濟
選線，或稱行車路線的選擇，然后是技術選線。經濟選線就是選擇行車路線的起訖點和經濟據點，主要是站在吸引客流量，切實解決交通擁擠狀況的角度出發的。行車路線的選擇應結合城市規劃，符合客流產生、流動和消失的規律，并要符合城市客流發展的規劃。技術選線就是按照行車路線，結合有關設計規范，平縱斷面設計要求，落實線路位置的技術工作。在城市軌道交通項目的設計中，由于城市已有道路的既有條件或管線埋設、地質結構的影響，使得線路定線工作難度頗大。牽引計算工作主要在技術選線過程中，根據列車在線路上的自由運行速度值，核算緩和曲線長度、夾直線長度的設置是否符合要求，以及曲線超高的設置是否滿足速度要求，從而確定曲線超高的加寬值是否達到限界要求。反之，線路對緩和曲線長度、夾直線長度以及曲線超高、超高的加寬值的核算結果又影響牽引計算列車運行速度的確定。
以重慶跨座式單軌交通為例。由于跨座式單軌交通線路不同于鋼輪鋼軌，它的超高直接在軌道梁上反映，且必須在線路設計中結合列車在該地段的運行速度，將線路超高、限界加寬值一次設計到位，無法在施工完成后調整超高值。重慶輕軌濱江路段CK4+200~CK4+350地段，正好位于穿越嘉陵江匝道橋橋墩柱位置，由于既有匝道橋修建時未預留夠輕軌雙線位置，迫使線路右線繞行穿行于兩匝道橋橋墩間，且有一段半徑150m的小半徑，如果列車以正常情況穿越該段，速度可達55km/h，但由于兩匝道橋橋墩間間距無法滿足55km/h速度超高的加寬要求，限制了列車在該段的運行速度，最終使得該段右線不能設置超高，列車運行速度僅達到30km/h。如下圖所示。
2、指導車輛專業對車輛技術參數的選擇

由于城市軌道交通車輛選型工作難度較大，既要考慮車輛的技術性能，又要考慮美觀舒適實用，從建設方角度還要考慮經濟合算，所以在設計中，車輛選型工作幾乎貫穿整個設計過程。
為了保證擬定車輛技術指標能滿足設計要求，我們可在擬定車輛技術條件前提下，利用牽引計算，先核算部分車輛技術指標是否達得到線路技術要求。例如，我們可以核算列車在定員或者超員狀況下，如果失去一部分動力，能在多大的坡道上起動，能以多高的速度通過線路限坡等等。我們還可以在擬定的列車牽引特性下，完成整個線路的牽引計算工作，再求算出整個列車運營范圍內所需的等效發熱電流，或稱均方根電流值（IRM），如果滿足以下關系式：

IRM≤（0.8~0.9）Im

公式中：Im——為車輛電機的額定電流值。 則表示擬定車輛電機的額定功率選定是正確的，滿足要求的。反之，不能滿足上式要求，則說明擬定車輛電機的額定功率選定是不夠的，不能滿足要求，需重新選定。
3、指導信號專業進行閉塞分區的設計
軌道交通系統的能力大小，主要是靠信號系統的制式來保證的，先進的信號系統能最大程度地降低兩列相鄰列車的追蹤距離，從而降低列車的折返時間，提高列車的追蹤能力。同時，不同等級的軌道交通系統，其乘客輸送能力差異大，線路、車輛條件有別，行車管理、運營組織方式也不同。因此，信號系統必須滿足和適應這一特殊需要。在以上條件確定的前提下，我們要進行信號閉塞分區設計。信號閉塞分區長度的確定，以及信號速度碼的確定必須在牽引計算工作的配合下完成。牽引計算不僅能直觀的反映出列車在各個點所處的速度，而且還可以反映線路要求限速的位置、范圍，從而有效地劃分出閉塞分區的長度及速度碼。閉塞分區長度的計算公式如下：
L=Lf+Lz+Ls 層式中：L——閉塞分區長度；
Lf——制動反映時間所走距離； Lz——列車從某一速度值制動為0速度所需制動距離；
Ls——安全保護距離。
其中Lz就靠牽引計算來測算。
在折返站信號閉塞分區設計時，我們也是根據不同的折返站布置形式，盡可能地用信號系統來滿足折返能力要求。這一設計過程也與牽引計算工作密不可分。
4、指導牽引供電專業對主變電站規模的確定以及各牽引降壓所數量與分布的確定
主變電所是軌道交通能源核心部位，它的容量大小直接影響整個軌道交通系統的運輸能力。為了節省能源，我們在設計中又不能將它設計成無限大，如何正確合理選定主變電所容量及牽引降壓所數量與分布，必需依靠列車牽引模擬計算，即牽引計算。只有在牽引計算工作完成之后，根據列車在不同的位置上所處的工況，確定在該位置時間矢量的耗電量大小，從而累計出列車在整個運營線路上的耗電量大小，為牽引供電專業提供設計依據。
5、指導環控專業對地下車站和地下區間的環控通風設計
列車在地下區間運行時，由于列車運動帶動區間空氣運動，造成活塞風，如何利用活塞風，保持地下空間的溫度，是環控專業需要解決的問題，這個問題的解決，也必須在列車牽引計算工作完成后，才能有針對性地確定列車在不同的速度下通過地下區間造成活塞風的大小以及產生熱量的大小，從而選定隧道風機和排熱風機設置位置及風機功率大小。根據列車通過地下區間的頻率以及每列車所散發的熱量，來確定如何調劑地下區間的溫度。
6、結論
當然，線路、車輛、信號、供電及環控專業的設計工作的制約因素還很多，牽引計算工作所起的指導和制約作用只是其中之一，但是正確、合理、經濟地作好牽引計算工作對優化平、縱斷面設計，經濟合理地選擇車輛類型、正確完成信號閉塞分區設計、選擇經濟合理的牽引供電系統容量以及正確合理地完成地下區間和車站的環控通風設計均具有指導作用。