一种基于动力需求的高速列车轻量化设计方法与流程

本发明涉及公共交通领域，具体是对高速列车的轻量化设计方法。
背景技术：
：近年来，我国高速铁路取得了较大发展，高速铁路运营里程增加，大量高速列车投入运营，且高速列车运行目标速度不断提高，运行能耗问题凸显，高速列车设计及运行节能问题备受关注，列车轻量化成为节能设计的主要措施之一。从功能转换关系来看，列车的质量越轻，运行能耗越低，这就要求列车较大程度的轻量化从而获得较大的节能收益。然而在轮轨系统中，列车的动力发挥需要列车质量保持在一定值以上，以期得到良好的轮周牵引力，此时则存在动力需求条件下的列车质量下限值。目前，国内外还没有一个较好的在动力需求条件下列车轻量化质量设计的方法。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种基于动力需求的高速列车轻量化设计方法，以可靠的得到保证高速列车动力性能发挥时的列车轻量化质量下限，为列车设计初期在质量控制、轻量化节能设计上提供可靠依据。为了实现上述目的，提供了一种基于动力需求的高速列车轻量化设计方法，依次包括以下操作步骤：1)根据高速列车设计动力条件和已知高速列车设计平台得到气动阻力和动力参数优化初算结果；2)根据气动阻力和动力参数优化初算结果，进行高速列车轻量化质量校核和计算；3)根据高速列车轻量化质量校核和计算结果，得到高速列车轻量化质量条件下的动力特性。进一步的是，所述气动阻力和动力参数优化初算结果包括初算所得的列车质量、整车动力及其冗余指标、恒功率特性起点速度、高速列车每车气动阻力占比。进一步的是，根据高速列车设计动力条件得到气动阻力和动力参数优化初算结果包括以下步骤：1)统计高速列车动力条件参数及高速列车动力冗余指标；所述高速列车动力条件参数包括列车质量、起动加速度、平均加速度、最高持续运行速度时的剩余加速度、最高运营速度、逆风风速、粘着条件、恒功率区起点速度；2)根据所述高速列车动力参数、高速列车动力冗余指标，通过已知的高速列车设计平台得到气动阻力优化初算结果，根据气动阻力优化初算结果获取列车运行基本阻力参数和每车气动阻力占比。进一步的是，对所述的列车轻量化质量校核和计算包括以下步骤：1)基于动力特性设计方法，得出高速列车运行牵引特性；2)计算和校核拖车粘着条件，进行拖车轻量化计算，获取拖车轻量化质量；3)根据得到的拖车轻量化质量结果，计算和校核动车粘着条件，进行动车轻量化计算，并根据动车动力输出要求得到动车轻量化质量；4)将拖车和动车轻量化质量重复进行牵引特性、粘着条件计算和校核、轻量化计算步骤，直至得到动力需求条件下的最轻列车质量，以得到列车轻量化质量计算结果。进一步的是，在计算和校核拖车粘着条件时，根据列车整车的动车、拖车排列顺序进行拖车轻量化计算。进一步的是，所述得到高速列车轻量化质量条件下的动力特性，所述动力特性包括牵引、再生制动特性。下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显。或通过本发明的实践了解到。附图说明构成本发明的一部分附图用来辅助对本发明的理解，附图中所提供的内容及其在本发明中有关的说明可用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。在附图中：图1为本发明的轻量化设计方法流程示意图；图2为拖车粘着校核示意图。具体实施方式下面结合附图对本发明进行清楚、完整的说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。在结合附图对本发明进行说明前，需要特别指出的是：本发明中在包括下述说明在内的各部分中所提供的技术方案和技术特征，在不冲突的情况下，这些技术方案和技术特征可以相互组合。此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一分部的实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。关于本发明中术语和单位。本发明的说明书和权利要求书及有关的部分中的术语“包括”以及它的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。如图1，本实施方式提供了一种基于动力需求的高速列车轻量化设计方法，依次包括以下操作步骤：1)获取高速列车设计动力条件和气动阻力优化初算结果，主要包括初算所得的各动车及拖车质量、整车动力及其冗余指标、恒功率特性起点速度、高速列车每车气动阻力占比；具体包括以下步骤：a、分析和统计高速列车动力及其冗余指标，包括编组形式、列车质量构成、起动加速度、平均加速度、最高持续运行速度时的剩余加速度、最高运营速度、逆风风速、粘着条件、恒功率区起点速度和动力冗余指标；b、根据已知高速列车设计平台和气动阻力优化结果，给出列车运行基本阻力参数和每车气动阻力占比参数。2)对所述的列车轻量化质量校核和计算；具体包括以下步骤：c、基于动力特性设计方法，计算和设计高速列车运行牵引特性；d、计算和校核拖车粘着条件，进行拖车轻量化计算，并根据列车在线路的运行关系和列车本身特性，给出拖车轻量化质量；e、根据拖车轻量化结果，计算和校核动车粘着条件，进行动车轻量化计算，并根据动车动力输出要求(每辆动车需要输出相同的动力，所以需要相同的粘着质量，保证每辆动车质量需求相同)给出动车轻量化质量；f、将拖车和动车轻量化质量重复进行牵引特性、粘着条件计算和校核、轻量化计算步骤，直至得到动力需求条件下的最轻列车质量，并给出列车轻量化质量计算结果。3)输出高速列车轻量化质量条件下的动力特性。具体包括以下步骤：g、根据计算得到的轻量化质量和动力条件，给出牵引、再生制动特性；下面以某型号高速列车轻量化质量计算为例说明本实施方式：一、获取高速列车设计动力条件和气动阻力优化初算结果。根据时速350km/h高速列车技术条件和其设计平台，分析和统计高速列车动力及其冗余指标等需求参数，质量参数见表1，动力参数见表2。表1列车质量参数车辆编号12345678车辆类型mtmttmtm质量(t)60.6965.2064.4559.3060.2564.3565.2061.75表2动力指标参数动力冗余指标如下：(1)当动车组25％及以下动力失效时，在定员载荷下，可全程往返一次；可根据动车组运行的特性，降低运行性能，以避免对牵引部件造成损坏；(2)当动车组50％动力失效时，在定员载荷下，可在12％的坡道上起动，并前进到最近车站；(3)当一列满载的动车组因故障停在12％的坡道上，动车组能够对故障动车组进行救援。通过整车cfd模拟计算得到每辆车气动阻力占比参数见表3。表3各车气动阻力占比车辆编号12345678阻力占比0.181910.131640.087360.099960.098640.093880.139210.16740二、对所述的列车轻量化质量校核和计算(1)计算列车牵引特性动力特性设计方法如下：基本阻力计算：根据1式计算基本运行阻力。w0＝amg+bv+cv2，(1)式中：w0为列车运行基本阻力，n；v为列车相对空气运行速度，km/h；m为列车总质量，t；a，b，c为相关运行基本阻力系数。动力特性设计如下：牵引特性设计：高速列车牵引特性的设计步骤如下：①根据式2计算列车牵引功率。式中：pk为列车牵引功率，kw；γ为列车回转质量系数，一般取0.06；vcx为列车最高持续运行速度，km/h；△a为最高持续运行速度时的剩余加速度m/s2。②将确定后的列车牵引功率、列车运行速度代入下式3，即可获牵引特性中的恒功率曲线。式中：fd(v)为列车提供的牵引力，kn；③根据恒功率曲线和粘着牵引力曲线交点确定恒功率起点。④根据平均加速度和起动加速度要求确定牵引特性恒转矩曲线。再生制动特性设计：①参考设计所得到的牵引特性曲线，将牵引特性曲线下翻，根据给出的再生制动退出速度，设计再生制动曲线，求解再生制动力brb；由此，根据以上表1和表2中的参数计算列车牵引/再生制动特性，见表4。表4牵引/再生制动特性(2)拖车粘着校核及轻量化计算根据表4中的动力特性参数和表3中的各车气动阻力占比，计算和校核拖车粘着条件，计算和校核拖车粘着条件时，根据列车整车的动车、拖车排列顺序进行拖车轻量化计算(不同类型的列车，动车与拖车组合顺序不同，如车型：1(动车)2(拖车)3(动车)4(拖车)5(拖车)6(动车)7(拖车)8(动车)，还如1(拖车)2(动车)3(动车)4(拖车)5(拖车)6(动车)7(动车)8(拖车))。4号拖车粘着校核见图2，并进行轻量化计算。高速列车在从起点运行至终点，再从终点返回起点时，不进行调车作业，而是头车变尾车，尾车变头车。假设线路上行时从头至尾为1号车至8号车，则在线路下行时从头车至尾车变为8号车至1号车，所以对称的拖车应具有相同质量且要满足质量较大值，以保证上下行粘着需求。按照此原则，本次拖车轻量化计算结果见表5。表5拖车第一次轻量化计算车辆编号2457原车质量(t)65.2059.3060.2565.20轻量化质量(t)39.4338.6938.6939.43(3)动车粘着校核及轻量化计算因每辆动车输出的动力相同，故需要保证相同的粘着质量，本次动车轻量化质量结果见表6。表6动车第一次轻量化计算车辆编号1368原车质量(t)60.6964.4564.3561.75轻量化质量(t)61.1561.1561.1561.15(4)重复实施轻量化计算重复实施轻量化计算，直至满足新得到的动车总质量和拖车总质量与上一次得到的动车总质量和拖车总质量都相差0.001t，经过24次轻量化计算得到本实施例高速列车的轻量化质量，结果见表6。表6轻量化计算过程结果示例车辆编号12345678原车质量(t)60.6965.2064.4559.3060.2564.3565.2061.75第1次轻量化(t)61.1539.4361.1538.6938.6961.1539.4361.15第2次轻量化(t)61.1330.5761.1329.3329.3361.1330.5761.13第3次轻量化(t)61.1226.9561.1225.2525.2561.1226.9461.12………………………第23次轻量化(t)61.1123.3961.1118.5118.5161.1123.3961.11第24次轻量化(t)61.1123.4061.1118.5018.5061.1123.4061.11给出基于动力需求计算所得的高速列车轻量化质量计算结果见表7，动车轻量化2.71％，拖车轻量化66.47％，整车轻量化34.51％。表7最终轻量化计算结果三、输出高速列车轻量化质量条件下的动力特性。(1)输出轻量化质量条件下的动力特性基于动力需求轻量化计算后的列车动力特性见表8。表8轻量化计算后的动力特性当前第1页12