Энергосберегающие режимы управления движением поездов метрополитенов
Анализ энергосберегающих технологий эксплуатации подвижного состава метрополитенов. Исследование пассажиропотоков по направлению проектной линии метрополитена. Математическая модель удельного расхода электроэнергии на тягу поезда по линии метрополитена.
Рубрика | Транспорт |
Вид | дипломная работа |
Язык | русский |
Дата добавления | 07.04.2021 |
Размер файла | 1,8 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
30
7,6
12,5
53,7
4
57,8
36,8
С целью выявления технико-экономических показателей качества эксплуатации метрополитенов, влияющих на энергопотребление и оценки их влияния, автором проведен корреляционный анализ между расходом энергии на тягу поездов и другими показателями качества эксплуатации (по данным метрополитенов России и СНГ).
В табл. 2.8 представлены основные данные проектной первой линии Красноярского метрополитена [103], на основании которых можно выполнить сравнительный анализ с аналогичными метрополитенами и прогнозировать ожидаемые показатели.
Таблица 2.8. Проектные данные первой линии Красноярского метрополитена
Проектные показатели |
Кол-во |
|
Эксплуатационная длина линий в 2-путном исчислении, км |
7,39 |
|
Количество линий |
1 |
|
Количество станций |
5 |
|
Плотность метрополитена, км/кв.км города |
0,021 |
|
Количество электродепо |
1 |
|
Количество подстанций |
5 |
|
Перевозка пассажиров в среднем за сутки, тыс. чел. |
85 |
Сравнивая такие показатели, как, например, длина линии, количество станций и среднесуточный объем перевозок действующих метрополитенов России и СНГ с проектными данными Красноярского метрополитена, можно отметить, что строящийся Красноярский метрополитен близок к метрополитенам Казани, Екатеринбурга, Самары и Новосибирска. В связи с этим ниже будет проведен дополнительный корреляционный анализ показателей качества эксплуатации Новосибирского метрополитена. Однако, прогнозируемый среднесуточный объем перевозок на Красноярском метрополитене (85 тыс. чел.) выше, чем в Казани (30 тыс. чел) и Самаре (31,4 тыс. чел.), но ниже чем в метрополитенах г. Екатеринбурга (91 тыс. чел.) и Новосибирска (183 тыс. чел.).
Задачей корреляционного анализа является исследование тенденций взаимного изменения двух или более случайных величин [37]. В данной работе исследуется взаимная тенденция изменения одного из технико-экономических показателей качества эксплуатации метрополитена и энергопотребления затраченного на тягу поездов.
При одномерном корреляционном анализе степень вероятностной связи между двумя случайными величинами x и y характеризуется специальной мерой - коэффициентом корреляции:
(2.9)
Для оценки деятельности метрополитенов России и СНГ необходимо провести корреляционный анализ между различными показателями их качества эксплуатации.
Технико-экономические показатели работы метрополитенов России и СНГ, приведенные в табл. 2.6. и 2.7. записываются в электронном виде в формате Microsoft Excel единой таблицей. С помощью функции «KORRELL» вычисляются коэффициенты корреляции. Далее производится анализ показателей. Результаты анализа представлены в табл. 2.9.
Таблица 2.9. Коэффициенты корреляции основных технико-экономических показателей метрополитенов.
Показатель 1 |
Показатель 2 |
Ккор |
|
Эксплуатационная длина линий в 2-путном исчислении, км |
Минимальный интервал движения, сек. |
0,98 |
|
Количество линий |
Минимальный интервал движения, сек. |
0,99 |
|
Плотность метрополитена км/кв.км города |
Удельный вес перевозки пассажиров от общегородских, % |
0,64 |
|
Минимальный интервал движения, сек. |
Выполнение графика движения, % |
0,6 |
|
Максимальные размеры движения поездов, пар поездов в час |
Среднесуточный объем перевозок, чел. |
0,71 |
|
Эксплуатационная длина линий в 2-путном исчислении, км |
Удельный вес перевозки пассажиров от общегородских, % |
0,46 |
|
|
Перевозка пассажиров в среднем за сутки, млн.чел |
0,99 |
Анализируя полученные данные, видно, что существует зависимость между показателями, которые позволяют оценить эксплуатационную деятельность метрополитена как транспортной системы крупного города, предназначенной для скоростных массовых пассажирских перевозок.
Однако, удельный вес перевозки пассажиров от общегородских в Киевском и Харьковском метрополитенах составляет 57,8 % и 53,7% соответственно, при эксплуатационной длине линии 58,8 км и 35,6 км соответственно, когда в Московском - эксплуатационная длина составляет 278,3 км с удельным весом перевозки пассажиров 48 %.
Для прогнозирования электротяговых характеристик строящегося Красноярского метрополитена рассмотрим основные показатели метрополитенов России и СНГ и произведем корреляционный анализ этих показателей с удельным расходом энергии. Результаты анализа представлены в табл. 2.10.
Найдем коэффициенты корреляции между различными показателями и расходом энергии на тягу поездов (табл. 2.10.).
Таблица 2.10. Корреляция основных показателей качества эксплуатации с расходом энергии на тягу поездов.
Показатель 1 |
Показатель 2 |
Ккор |
|
Расход электроэнергии на тягу поездов, млн.кВт•час |
Эксплуатационная длина линий в 2-путном исчислении, км |
0,99 |
|
|
Количество линий |
0,98 |
|
|
Количество станций |
0,99 |
|
|
Плотность метрополитена |
0,89 |
|
|
Эксплуатационный парк вагонов |
0,99 |
|
|
Количество электродепо |
0,98 |
|
|
Количество подстанций |
0,98 |
|
|
Максимальные размеры движения поездов, пар поездов в час |
0,6 |
|
|
Минимальный интервал движения, сек |
0,41 |
|
|
Среднесуточный объем перевозок, млн.чел |
0,98 |
|
|
Годовой объем перевозок, млн.чел. |
0,98 |
|
|
Среднетехническая скорость, км/ч |
0,36 |
|
|
Участковая скорость, км/ч |
0,39 |
Таблица 2.11. Корреляционный анализ по удельному расходу энергии.
Показатель 1 |
Показатель 2 |
Ккор |
|
Удельный расход электроэнергии на тягу поездов, Вт*час/ т*км |
Эксплуатационная длина линий в 2-путном исчислении, км |
-0,3 |
|
Пробег вагонов общий, вагоно-км |
-0,3 |
||
Количество подстанций |
- 0,25 |
||
Максимальные размеры движения поездов, пар поездов в час |
-0,25 |
||
Минимальный интервал движения, сек |
0,03 |
||
Среднетехническая скорость, км/ч |
0,15 |
||
Перевозка пассажиров всего, млн.чел. |
-0,34 |
||
Удельный вес перевозки пассажиров от общегородских, % |
-0,13 |
||
Перевозка пассажиров в среднем за сутки, млн.чел |
-0,35 |
Из полученных данных видно, что все метрополитены по своим характеристикам можно условно разделить на две группы: «большие» и «малые».
Сравнивая показатели по удельному расходу энергии на тягу поездов из таблиц технико-экономических показателей качества эксплуатации метрополитенов России и СНГ можно отметить, что в "больших метрополитенах" (Московский, Петербургский, Харьковский и Киевский) удельный расход энергии на тягу поездов находится в пределах 55 Вт*ч / т*км. В «малых» удельный расход на тягу поездов находится в диапазоне от 57 до 67 Вт*ч / т*км.
Согласно «Инструкции по техническому нормированию расхода электрической энергии на тягу поездов метрополитена» [53,81,106] - расход электроэнергии на поездную работу представляет собой сумму расходов:
· работа по перемещению поезда;
· работа по возмещению потерь кинетической энергии поезда, связанной с разгоном состава после торможения и остановки;
· работа вспомогательных машин.
Расчет удельного расхода электрической энергии на тягу поезда выполняется по формуле [53]:
, Вт•ч/т•км (2.10)
где - - норма расхода электрической энергии на учитываемую единицу работы т•км при движении поезда по прямому горизонтальному пути, зависящий от средней скорости поезда. При скорости поезда - 45,2 км/ч. =25,35 Вт•ч / т•км.
- коэффициент, учитывающий изменение сопротивления состава. Данный коэффициент зависит от средней скорости движения поезда. При скорости поезда - 45,2 км/ч. =0,5
- коэффициент трудности профиля, зависящий от средней скорости движения, определяется по формуле:
=1+АЧIэ (2.11)
где А=1,04 - коэффициент, зависящий от скорости движения;
Iэ - величина эквивалентного уклона. Iэ =2,33
=1+1,04*2,33=3,42 (2.12)
- температурный коэффициент. Ввиду незначительного колебания температуры в тоннелях метрополитена в течении года =1
- число остановок, предусмотренных графиком движения поездов, отнесенных к 100 км пути. Для строящегося Красноярского метрополитена =62.
- затраты электроэнергии на восстановление кинетической энергии потерянной при торможении, отнесенный к работе, т•км, зависящий от средней скорости поезда. =0,26 Вт•ч / т•км.
- затраты электроэнергии на разгон поезда, после остановки, отнесенные к работе т•км, зависит от средней скорости поезда, =0,11 Вт•ч/т•км.
- затраты электроэнергии на вспомогательные машины, отнесенные к работе, т•км. =7,4 Вт•ч / т•км.
Анализ формулы (2.10) показывает, что на удельный расход электроэнергии на тягу поездов оказывает влияние эксплуатационная скорость и сложность профиля пути.
68,59 Вт•ч/т•км.
Таким образом, на строящемся Красноярском метрополитене с учетом трудности профиля пути, нормируемое значение удельного расхода электрической энергии на тягу поездов составит 68,59 Вт•ч / т•км.
Соответственно, при моделировании расход электроэнергии не может превышать этого значения, а после оптимизации должен стать меньше.
2.4 Показатели качества эксплуатации Новосибирского метрополитена
В предыдущем разделе было показано, что по показателям качества эксплуатации проектируемый Красноярский метрополитен наиболее схож с Новосибирским, Казанским, Самарским и Екатеринбуржским метрополитенами. По этому, имеет смысл провести дополнительный корреляционный анализ показателей качества эксплуатации, например, Новосибирского метрополитена.
С этой целью автором были собраны и систематизированы помесячные данные о работе Новосибирского метрополитена за период с 1998 года по сентябрь 2007 года (по данным статистического отдела МУП «Новосибирский метрополитен»), а именно:
1. перевозка пассажиров, тыс. чел.;
2. количество пропущенных поездов;
3. средние размеры движения, пар поездов в час;
4. пробег вагонов с пассажирами, тыс. вагоно-км.;
5. общий пробег подвижного состава, тыс. вагоно-км.;
6. объем работы подвижного состава, тыс. т*км брутто;
7. эксплуатационная скорость, км/час;
8. техническая скорость, км/ч;
9. расход электроэнергии на тягу поездов, тыс. кВтч.;
10. общий расход электроэнергии, кВтч.;
11. производительность труда.
Выше было доказано и обосновано, что приведенная совокупность показателей достаточно полно характеризует деятельность метрополитена.
Таким образом, за период с 1998 по сентябрь 2007 и за каждые 12 месяцев получаются выборки по (812)+9 = 105 пар. Согласно табличным данным [37] , такая выборка с вероятностью 0,95 (достаточная точность для инженерных расчетов) позволяет считать достоверным коэффициент корреляции со значением по модулю не менее 0,174.
При проведении опытных проверок достоверности получаемых показателей взаимосвязи необходимо учитывать следующую особенность: если тот или иной показатель представлен в виде нарастающего итога, то значение корреляции будет завышено по сравнению с реальным [127].
Показатели работы Новосибирского метрополитена записываются в электронном виде в формате Microsoft Excel, где создается одна таблица согласно систематизированной информации по парам показателей работы метрополитенов России и СНГ.
Для реализации поставленной задачи требуется принимать за базис в расчетах реальные значения показателей. Т.к. исходные данные представлены нарастающим итогом производится пересчет показателей в реальные значения показателей. Данная операция производиться следующим образом: считается, что показатель в начале года в первом месяце дан в реальном значении, а последующие одиннадцать - в нарастающем итоге, то есть к реальному значению приплюсовывается изменение показателя в последующем месяце этого же года. Необходимо вычесть из последующего месяца предыдущий, начиная с февраля. Результатом пересчета является отражение смещения точек по показателям базиса и данных, указанных в нарастающем итоге [127].
Расчет выполнялся следующим образом: энергопотребление сравнивается поочередно с остальными показателями. Полученные данные являются конечным результатом расчета, а так же служат исходными данными для дальнейшего исследования.
Форма представления данных и результаты корреляционного анализа между потреблением энергии на тягу поездов и остальными показателями качества эксплуатации Новосибирского метрополитена представлены в таблице 2.12.
Сами данные об эксплуатационной деятельности Новосибирского метрополитена за девятилетний период, не приводятся в книге. Автор, получив данные об эксплуатационной деятельности Новосибирского метрополитена от МУП «Новосибирский метрополитен», для использования в научных целях не получал разрешения от указанного муниципального предприятия на публикацию этих данных, в связи с отсутствием таковой необходимости.
Сами по себе данные вряд ли заинтересуют читателя, который хочет увидеть здесь суть методики синтеза энергосберегающих режимов управления движением поездов метрополитена.
Анализируя полученные данные видно, что потребление энергии зависит от остальных показателей качества эксплуатации следующим образом:
1. Энергопотребление от перевозки пассажиров (Rкор = 0,334). Энергопотребление на тягу поездов не значительно увеличивается с ростом количества перевезенных пассажиров.
1. 2. Таблица 2.12. Форма представления данных и результаты корреляционного анализа
|
Перевозка пассажиров, тыс чел |
Кол-во пропущенных поездов |
Средние размеры движения, пар поездов в час |
пробег вагонов с пассажирами, тыс. ваг-км |
Общий пробег ПС, тыс. ваг-км |
Объем работы ПС, тыс.тн-км брутто |
Эксплуатационная скорость, км/час |
Техническая скорость, км/ч |
Расход э/э на тягу, тыс. кВт*ч |
Общий расход э/э, кВт*ч |
Производительность труда, пасс-км |
|
Перевозка пассажиров, тыс чел |
1,000 |
-0,158 |
-0,063 |
0,176 |
0,111 |
0,125 |
-0,008 |
-0,238 |
0,328 |
0,107 |
0,158 |
|
Кол-во пропущенных поездов |
1,000 |
0,714 |
0,524 |
0,580 |
0,725 |
0,369 |
0,569 |
0,234 |
0,178 |
0,627 |
||
Средние размеры движения, пар поездов в час |
|
|
1,000 |
0,634 |
0,643 |
0,598 |
-0,052 |
-0,003 |
0,280 |
0,020 |
-0,077 |
|
пробег вагонов с пассажирами, тыс. ваг-км |
|
|
|
1,000 |
0,975 |
0,917 |
-0,066 |
0,256 |
0,482 |
0,021 |
0,168 |
|
Общий пробег ПС, тыс. ваг-км |
|
|
|
|
1,000 |
0,950 |
-0,048 |
0,310 |
0,512 |
0,072 |
0,197 |
|
Объем работы ПС, тыс.тн-км брутто |
|
|
|
|
|
1,000 |
0,053 |
0,500 |
0,484 |
0,168 |
0,490 |
|
Эксплуатационная скорость, км/час |
|
|
|
|
|
|
1,000 |
0,134 |
0,338 |
-0,046 |
0,356 |
|
Техническая скорость, км/ч |
|
|
|
|
|
|
|
1,000 |
0,012 |
0,277 |
0,669 |
|
Расход э/э на тягу, тыс. кВт*ч |
|
|
|
|
|
|
|
|
1,000 |
0,170 |
0,144 |
|
Общий расход э/э, кВт*ч |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1,000 |
0,312 |
|
Производительность труда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1,000 |
Кажущееся на первый взгляд артефактом [127] можно объяснить тем, что данные о количестве перевезенных пассажиров являются недостаточно достоверными. Учет количества перевезенных пассажиров производился по количеству проданных жетонов. Это не может учесть количество перевезенных льготных пассажиров и пассажиров, рассчитывающихся за проезд по проездной электронной карте. Кроме того, количество пассажиров в той или иной группе (категории) постоянно меняется.
3. Энергопотребление от количества пропущенных поездов (Rкор = 0,319). В этом месте целесообразно разъяснить значение показателя. Под количеством пропущенных поездов понимается количество поездов, которые проследовали от одной конечной станции данной линии до другой [13,118]. Коэффициент корреляции между этой парой показателей показывает незначительный рост количества потребленной энергии от числа пропущенных поездов. Однако анализу подвергались данные, собранные за девятилетний период. Необходимо понимать, что за период времени с 1998 по 2007 годы в метрополитене произошло немало изменений, направленных на снижение расхода электроэнергии на тягу поездов, часть из которых дало положительные результаты. К таким изменениям можно отнести как внедрение энергосберегающих технологий, так и существенное изменение самой структуры метрополитена.
4. Энергопотребление от средних размеров движения, пар поездов в час, (Rкор = 0,381). Слабая зависимость этих двух показателей объясняется тем, что количество пар поездов пропущенных по линии в час в среднем за месяц меняется незначительно.
5. Энергопотребление от пробега вагонов с пассажирами, тыс. вагоно-км, (Rкор = 0,482). Рост расхода энергии на тягу поездов с увеличением пробега вагонов с пассажирами очевиден.
6. Энергопотребление от общего пробега подвижного состава, тыс. вагоно-км, (Rкор=0,512). Общий пробег подвижного состава включает в себя технологические передвижения по депо, нулевые рейсы и необходимые маневры в тупиках. Следовательно, общий пробег подвижного состава превышает пробег вагонов с пассажирами - это объясняет большее значение коэффициента корреляции, чем у предыдущей пары показателей.
7. Энергопотребление от интервала движения, мин, (Rкор = - 0,6). Напомним, что данные об интервалах движения между поездами собраны за период 1998 по 2007 годы. Вначале вычислялось среднее значение интервала движения за сутки, а затем за месяц. Среднемесячные данные и были подвергнуты корреляционному анализу. Полученный коэффициент корреляции показывает, что с увеличением интервала движения энергопотребление заметно снижается.
8. Энергопотребление от эксплуатационной скорости (км/час) (Rкор = 0,484) Повышение эксплуатационной скорости связано с еще большим повышением скорости движения на перегонах. Это приводит к росту сопротивления движению и, следовательно, к повышению расхода энергии на тягу.
9. Энергопотребление от технической скорости (км/ч) (Rкор = 0,012) Изменение технической скорости слабо влияет на изменение эксплуатационной скорости. Кроме того, значительную часть расхода электроэнергии на тягу составляют режимы пуска подвижного состава. На перегонах превалируют режимы тяги, выбега и торможения, не существенно влияющие на расход энергии по сравнению с режимом пуска. Следовательно, нет ничего удивительного в том, что зависимость между рассматриваемой парой показателей очень слабая.
10. Энергопотребление от производительности труда (пасс-км) (Rкор = 0,144). Метрополитены характеризуются большей провозной способностью по сравнению с другими видами общественного транспорта. При этом большинство эксплутационных, технологических и связанных с управлением процессов в метрополитенах - автоматизированы. Производительность труда на этом виде транспорта изначально высока и ее влияние на расход энергии на тягу поездов незначителен.
Анализ полученных данных показал, что наибольшее влияние на расход энергии на тягу поездов из рассмотренных показателей оказывают:
1. Средний интервал движения между поездами;
2. Пробег вагонов с пассажирами;
3. Эксплуатационная скорость.
Эти показатели относятся к вопросам организации движения, а так же эффективной и безопасной эксплуатации транспортной системы. Кроме того, синтез научно-обоснованного энергосберегающего режима управления движением поездов напрямую связан именно с этой группой показателей.
2.5 Выводы по второй главе
1. Анализ показателей качества эксплуатации существующих метрополитенов показал, что строящийся Красноярский метрополитен можно отнести к группе метрополитенов городов Казани, Новосибирска, Екатеринбурга и Самары.
2. Спрогнозированное значение удельного расхода электрической энергии на тягу поездов для строящегося Красноярского метрополитена составит 68,59 Вт•ч/т•км. Соответственно, при моделировании расход электроэнергии не может превышать этого значения, а после оптимизации должен уменьшиться.
3. Корреляционный анализ между расходом электроэнергии на тягу поездов и остальными показателями качества эксплуатации метрополитенов показал, что расход электроэнергии в большей степени зависит от среднего интервала движения между поездами, пробега вагонов с пассажирами и эксплуатационной скорости.
Эти показатели относятся к вопросам организации движения, а так же эффективной и безопасной эксплуатации транспортной системы.
Кроме того, синтез научно-обоснованного энергосберегающего режима управления движением поездов напрямую связан именно с этой группой показателей.
4. Для синтеза энергосберегающих режимов управления движением поездов необходимо разработать математическую модель удельного электропотребления подвижным составом при тяге поезда по линии метрополитена, учитывающую влияние выявленных показателей на расход электроэнергии: среднего интервала движения между поездами, пробега вагонов с пассажирами и эксплуатационной скорости.
3. Математическая модель удельного расхода электроэнергии на тягу поезда линии метрополитена
3.1 Требования к математической модели удельного расхода электроэнергии на тягу поезда по линии метрополитена
В предыдущей главе автором было показано, что наибольшее влияние на электропотребление на тягу поездов оказывают такие показатели эксплуатационной деятельности, как средний интервал движения между поездами, пробег вагонов с пассажирами и скорость движения. Эти параметры, а так же параметры профиля и плана пути, и параметры подвижного состава должны составлять вектор входных параметров модели, выходным параметром которой является удельный расход электроэнергии на тягу при прочих заданных условиях.
Основной целью эксплуатации метрополитена, как и других видов городского электрического транспорта, является быстрая, безопасная и комфортная перевозка пассажиров с минимальной себестоимостью предоставляемой населению транспортной услуги [44,45,57-61]. Себестоимость предоставляемой услуги напрямую зависит, в том числе и, от удельного расхода электроэнергии на тягу подвижного состава.
Из за уменьшения пропускной способности улиц городов, ввиду постоянного прироста автомобильного транспорта, метрополитенам постоянно приходится подстраиваться под изменяющийся во времени пассажиропоток.
Быстрая, безопасная и комфортная перевозка пассажиров во многом определяется эксплуатационной скоростью. Согласно данных, приведенных в таблицах 2.6. и 2.7., эксплуатационная скорость для каждого метрополитена различная, но в среднем составляет 40 км/ч. Сама по себе эксплуатационная скорость в данной задаче не является критерием оптимизации. Однако, ее нижний предел определяется заданной провозной способностью метрополитена. Верхний предел скорости прохождения участка трассы (участковой скорости) определяется условиями безопасности прохождения поездом отдельных элементов пути. Безусловно, увеличение эксплуатационной скорости (а, следовательно, и скоростей прохождения участков) приводит к росту провозной способности, но вместе с тем и к росту электропотребления на тягу поездов.
Следовательно, разрабатываемая математическая модель должна обеспечивать определение удельного расхода электроэнергии на тягу от параметров пути, подвижного состава, изменяющегося во времени пассажиропотока и скорости движения по участкам трассы метрополитена.
Основная идея методики синтеза энергосберегающего режима управления движением поездов, с использованием математической модели удельного расхода электроэнергии на тягу поездов, заключается в следующем:
Весь путь линии метрополитена (в обоих направлениях) разбивается на участки, в пределах всей длины которых сопротивление движению не изменяется. Далее, для каждого участка с фиксированным сопротивлением движению подбирается скорость его прохождения таким образом, чтобы минимизировать удельный расход электроэнергии на тягу в рамках ограничений, накладываемых на величины скоростей.
Следовательно, для синтеза математической модели удельного расхода электроэнергии на тягу поезда по линии метрополитена необходимо:
1. Выполнить тяговые расчеты для линии метрополитена.
2. Получить аналитическую зависимость удельного расхода электроэнергии на тягу метропоезда от параметров пути, подвижного состава и скорости движения по участку.
3. Рассчитать коэффициенты математической модели (полученной аналитической зависимости) для линии метрополитена.
4. Разработать и реализовать на ЭВМ алгоритм получения энергосберегающего режима управления движением поездов по линии метрополитена.
3.2 Математическая модель движения поезда по линии метрополитена
3.2.1 Моделирование движения поезда по проектной первой линии Красноярского метрополитена
Для получения различных режимов движения метропоезда по проектной первой линии Красноярского метрополитена, которые в свою очередь будут информационной базой (одна из подсистем управления эксплуатационной деятельностью метрополитена) необходимо смоделировать движение поезда. Данная база позволит синтезировать управление движением поездов в зависимости от изменяющегося во времени пассажиропотока как в период пуска проектной первой линии строящегося Красноярского метрополитена, так и в период дальнейшей эксплуатации.
Управление движением поездов по линии метрополитена осуществляется на трех уровнях (контурах) управления [56,71,73,74]. Первый (верхний) уровень включает управление движением совокупности поездов по линии в целом. Переменными параметрами верхнего уровня являются время стоянок на станциях и время хода поезда по перегону. В качестве критериев оптимальности для таких задач используется минимум приведенных эксплуатационных затрат или минимум стоимости полного рейса [77,81].
Второй уровень управления движением поездов по линии метрополитена осуществляет управление движением каждого отдельно взятого поезда по перегону при соответствующих граничных условиях, заданным временем хода и ограничениях. Целью управления является реализация заданного времени хода по перегону. Объем электроэнергии, затрачиваемой на движение поездов, достигает 40% эксплуатационных расходов метрополитенов, поэтому вопросы энергосбережения приобретают значительную актуальность.
Основным критерием оптимальности управления для отдельного поезда является минимум удельного расхода электроэнергии на тягу [47,77]:
(3.1)
где l - длина перегона, T - время хода, F - сила тяги, Н, s - путь, t - время, v -
скорость, - коэффициент полезного действия и механической передачи тягового привода. Задача минимизации (3.1) имеет смысл лишь при фиксации заданного времени хода по перегону = (в противном случае будет ). Иным критерием оптимальности для задачи управления движением поезда по перегону является критерий минимума эксплуатационных затрат [39,53,81,106,107], относящихся к одному перегону:
(3.2)
где и - постоянные коэффициенты.
Третий уровень управления обеспечивает автоматическое снижение скорости поезда при его недопустимом сближении со впереди идущим поездом [89,107,134].
Для создания энергосберегающего режима управления движением поездов, строящегося Красноярского метрополитена, в первую очередь, необходима разработка первого и второго уровней (контуров) управления движением поездов, которую впоследствии можно внедрить в проектную документацию, либо использовать для создания эксплуатационной карты функционирования метрополитена.
Модель движения поездов по линии метрополитена будет состоять из двух основных взаимосвязанных частей: модели поезда метрополитена и модели линии. В зависимости от поставленной задачи модели отдельных систем используются с различной степенью детализации или исключаются из рассмотрения [26,38].
Для учета влияния кривых и уклонов пути на сопротивление движению поезда при определении скорости движения и времени хода поезда необходимо «спрямлять» (термин теории электрической тяги) продольный профиль и план пути, согласно Правилам тяговых расчетов (ПТР) [102]. При этом кривые в плане пути заменяются фиктивными подъемами в пределах спрямленных элементов.
Под моделью линии понимаются числовые значения параметров плана и профиля пути. Модель проектной первой линии Красноярского метрополитена создана на основании проектной документации на строительство, с учетом исполнительной документации уже построенных участков трассы.
Проектный профиль пути первой линии Красноярского метрополитена по каждому перегону с уклонами (i1, i2… in), радиусами кривых (R1, R2... Rn ) и длинами s1, s2, … sn разобьем на участки, в пределах которых сопротивление движению не изменяется, по формуле:
(3.3)
Уклон от спрямленного участка определяется по формуле:
, (3.4)
где - длина спрямленного участка.
Кривые на спрямленном участке заменяют эквивалентными подъемами, крутизна которых определяется по формуле [54,55,102]:
(3.5)
Таким образом, всю трассу строящегося Красноярского метрополитена можно представить, как ломаную линию, состоящую из 24 отрезков различной длины, в пределах которых сопротивление движению метропоезда остается неизменным. Полученные данные, представлены в табл. 3.1.
Таблица 3.1. Участки профиля проектной первой линии Красноярского метрополитена
Участок |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
Тупик -Высотная |
Уклоны, ‰ |
3 |
-3 |
- |
- |
- |
- |
- |
|
|
Расстояния, м |
302 |
125 |
- |
- |
- |
- |
- |
|
Высотная -Копылова |
Уклоны, ‰ |
-3,6 |
-7,667 |
-10 |
-5,233 |
-5 |
|||
|
Расстояния, м |
190 |
147,4 |
562,6 |
308 |
1187 |
|||
Копылова - Вокзальная |
Уклоны, ‰ |
-5 |
-36 |
-35,32 |
-34,83 |
-18,83 |
-20 |
-3 |
|
|
Расстояния, м |
155 |
397,5 |
747,5 |
200 |
575 |
110 |
185 |
|
Вокзальная - Пл.Революции |
Уклоны, ‰ |
-3 |
-2,3 |
-2,13 |
-2,3 |
-3 |
- |
- |
|
|
Расстояния, м |
400 |
200 |
100 |
100 |
485 |
- |
- |
|
Пл.Революции - Пр.Мира. |
Уклоны, ‰ |
-3 |
5,14 |
5 |
35 |
- |
|||
|
Расстояния, м |
275 |
290 |
270 |
308 |
- |
|||
пр. Мира- тупик |
Уклоны, ‰ |
3 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
|
|
Расстояния, м |
685,6 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
|
тупик- пр. Мира |
Уклоны, ‰ |
-3 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
|
|
Расстояния, м |
685,6 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
|
пр. Мира - пл. Революции |
Уклоны, ‰ |
-34,3 |
-5 |
-4,86 |
3 |
- |
|||
|
Расстояния, м |
308 |
270 |
290 |
275 |
- |
|||
Пл.Революции - Вокзальная |
Уклоны, ‰ |
3 |
3,7 |
3,53 |
3,7 |
3 |
- |
- |
|
|
Расстояния, м |
485 |
100 |
100 |
200 |
400 |
- |
- |
|
Вокзальная - Копылова |
Уклоны, ‰ |
3 |
20 |
21,17 |
37,17 |
36 |
36,47 |
5 |
|
|
Расстояния, м |
185 |
110 |
575 |
200 |
747,5 |
397,5 |
155 |
|
Копылова -Высотная |
Уклоны, ‰ |
5 |
5,233 |
10 |
12,33 |
5,32 |
|||
|
Расстояния, м |
1187 |
308 |
562,6 |
147,4 |
190 |
|||
Высотная -тупик |
Уклоны, ‰ |
3 |
-3 |
||||||
|
Расстояния, м |
125 |
302 |
Длина , м, любого из спрямленных элементов с уклоном , для более точных расчетов, согласно Правилам тяговых расчетов (ПТР), должна удовлетворять эмпирическому неравенству:
, (3.6)
где - абсолютная разность уклона проверяемого элемента и фиктивного уклона спрямленного участка профиля.
Проверка показала, что проведенное разбиение проектной первой линии Красноярского метрополитена на 24 участка (48 участков в прямом и обратном направлении) оказалось вполне допустимым согласно ПТР.
Математическая модель движения поезда по перегону [26,38,54,55,91,92] представляет собой систему дифференциальных уравнений первого порядка:
(3.7)
Для решения системы дифференциальных уравнений движения поезда необходимо знать численные значения силы тяги, силы торможения и силы сопротивления движению поезда.
Для удобства выполнения тяговых расчетов сопротивление движению, как и другие действующие силы, выражают в удельных единицах и вводят в расчет средневзвешенное основное удельное сопротивление движению поезда, Н/кН, значение которого зависит от типа подвижного состава [38,54,55, 91,92].
Основное удельное сопротивление движению метропоезда в режиме тяги определяется по формуле, Н/кН:
(3.8)
Основное удельное сопротивление движению метропоезда в режиме выбега рассчитывается по формуле, Н/кН:
(3.9)
Где А, B, C, D - постоянные коэффициенты;
V - скорость, км/ч;
n - количество вагонов;
m - масса вагона, т;
g - ускорение свободного падения, 9,81 м/с2.
График зависимости основного удельного сопротивления движению 4-х вагонного метропоезда в тоннеле от скорости представлен на рис. 3.1.
Из графика видно, что при выбеге сопротивление движению больше, чем при тяге. Это связано с тем, что в режиме выбега энергия вращения колесных пар передается на тяговые двигатели с повышающим коэффициентом редукции. Т.е. редукторы тяговых передач «превращаются» в мультипликаторы.
Рис. 3.1. Зависимость основного удельного сопротивлению движения от скорости (верхняя кривая - выбег, нижняя - тяга)
Сила тяги двигателей определяется на основании тяговых характеристик вагона F(I) и уравнения электрической машины постоянного тока с последовательным возбуждением [26]:
, (3.10)
где:
се - постоянный коэффициент (постоянная электрической машины), ;
Ф(I) - магнитный поток возбуждения, Тл;
V - скорость вращения якоря, рад/с;
I - ток якоря двигателя, А;
R - сопротивление цепи якоря двигателя, Ом;
U - напряжение на зажимах двигателя, В.
В качестве исходных данных, в этом случае, используются скоростные характеристики двигателей Vj(I) (j - номер ступени ослабления поля , j=l,...,Nj, где Nj - число ступеней ослабления поля), представляемые в табличной форме как массивы и (i -номер точки характеристики, ; - число точек на каждой скоростной характеристике). Характеристики магнитного поля, на основании уравнения электрической машины (3.9), рассчитываются по формуле [26]
(3.11)
где:
- номинальное напряжение на одном двигателе, В;
- сопротивление цепи якоря для j-ой ступени ослабления поля, Ом;
- сопротивление обмотки якоря двигателя, Ом;
- сопротивление дополнительных полюсов, Ом;
коэффициент ослабления поля на j-ой ступени ослабления;
- сопротивление главных полюсов, Ом.
Полученные по формуле (3.11) характеристики магнитного потока представляются затем в виде кусочно-линейной функции
для (3.12)
где - коэффициенты кусочно-линейной аппроксимации.
(3.13)
(3.14)
График зависимости силы тяги вагона серии 81-717.5, от тока якоря представлен на рис. 3.2.
Рис. 3.2. Зависимость силы тяги вагона серии 81-717.5 от тока якоря.
Сила торможения В представляет собой сумму сил электрического и пневматического (электропневматического) торможения:
(3.15)
Сила электрического торможения определяется на основании тормозной характеристики двигателя В(I) и уравнения электрической машины постоянного тока с независимым возбуждением в генераторном режиме
(3.16)
График зависимости силы торможения вагона серии 81-717.5, от тока якоря представлен на рис. 3.3.
Рис. 3.3. Зависимость силы торможения от тока якоря вагона серии 81-717.5.
3.2.2 Режимы движения поезда по проектной первой линии Красноярского метрополитена
Расчеты кривых движения поезда основаны на аналитическом или численном интегрировании [38,55,69], с применением конечных приращений. Так как аналитическое интегрирование достаточно сложно, то широкое распространение получил метод конечных приращений. Он включает в себя графоаналитические и графические способы, отличающиеся друг от друга приемами определения ?t и ?s. При графоаналитических способах для каждого интервала ?v вычисляют ?t и ?s, и по ним вычерчивают кривые движения.
При расчете кривых движения использованы общепринятые допущения, а именно: номинальное напряжение в контактной сети считается постоянным на всем протяжении линии, кроме того, на участках выбега (движения без тока) для упрощения сопротивление движению остается постоянным, так как:
1. при прохождении этих участков электрическая энергия из сети не потребляется и не возвращается в сеть;
2. при уклонах, характерных для проектной первой линии Красноярского метрополитена, скорость в режиме выбега меняется не значительно, наибольшее расхождение составляет 5 км/ч. При таком изменении скорости движения основное сопротивление движению изменяется не более чем на 3%.
Каждая станция метрополитена представляет собой горизонтальный участок пути, длина которого составляет 100 - 120 м. Поэтому разгон поезда осуществляется на горизонтальных участках пути, для которых справедливы следующие выражения определения ?t и ?s [38,141]:
t= (3.17)
s= (3.18)
В равенстве (3.17), удельная равнодействующая сила в режиме тяги [38,141]
fДС = fо - wi = f - wср - wi (3.19)
Перегон ст. «Высотная» - ст. «ул. Копылова». Длина перегона от ст. «Высотная» до ст. «ул. Копылова» составляет 2380 м. Эквивалентный по расходу энергии уклон составляет ‰.
Параметры разгона подвижного состава на перегоне ст. «Высотная» - ст. «ул. Копылова» представлены в табл. 3.2.
Таблица 3.2.
№ |
v |
Dv |
vср |
?wср |
fдср |
Dt |
St |
Ds |
Ss |
|
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
|
1 |
5 |
5 |
2,5 |
4,986 |
52,78 |
2,949 |
2,949 |
2,116 |
2,116 |
|
2 |
10 |
5 |
7,5 |
4,97 |
53,25 |
2,923 |
5,872 |
6,292 |
8,408 |
|
3 |
15 |
5 |
12,5 |
4,93 |
53,72 |
2,897 |
8,769 |
10,39 |
18,8 |
|
4 |
20 |
5 |
17,5 |
4,88 |
54,2 |
2,87 |
11,6 |
14,4 |
33,2 |
|
5 |
25 |
5 |
22,5 |
4,807 |
54,66 |
2,848 |
14,49 |
18,39 |
51,62 |
|
6 |
30 |
5 |
27,5 |
4,72 |
55,13 |
2,823 |
17,31 |
22,28 |
73,9 |
|
7 |
35 |
5 |
32,5 |
4,61 |
55,6 |
2,799 |
20,11 |
26,11 |
100 |
|
8 |
40 |
5 |
37,5 |
4,49 |
56,07 |
2,776 |
22,89 |
29,88 |
129,9 |
|
9 |
45 |
5 |
42,5 |
4,34 |
56,54 |
2,753 |
25,64 |
33,58 |
163,5 |
|
10 |
50 |
5 |
47,5 |
4,18 |
57,01 |
2,73 |
28,37 |
37,22 |
200,7 |
|
11 |
55 |
5 |
52,5 |
4 |
57,48 |
2,708 |
31,08 |
40,8 |
241,5 |
|
12 |
60 |
5 |
57,5 |
3,807 |
57,95 |
2,686 |
33,77 |
44,32 |
285,8 |
|
13 |
65 |
5 |
62,5 |
3,592 |
58,42 |
2,664 |
36,43 |
47,79 |
333,6 |
|
14 |
70 |
5 |
67,5 |
3,36 |
58,89 |
2,643 |
39,07 |
51,2 |
384,8 |
|
15 |
75 |
5 |
72,5 |
3,11 |
59,36 |
2,622 |
41,69 |
54,56 |
439,4 |
|
16 |
80 |
5 |
77,5 |
2,84 |
59,83 |
2,602 |
44,3 |
57,86 |
497,2 |
|
17 |
85 |
5 |
82,5 |
2,556 |
60,3 |
2,581 |
46,88 |
61,12 |
558,3 |
|
18 |
90 |
5 |
87,5 |
2,253 |
60,77 |
2,561 ... |
Подобные документы
Определение основного сопротивления движению поезда при различных видах тяги. Расчет средней скорости движения и времени хода поезда по участку. Определение расхода топлива тепловозом на тягу поездов и электроэнергии электровозом постоянного тока.
курсовая работа [631,7 K], добавлен 20.12.2015Первая двухвагонная секция, состоявшая из моторного и прицепного электровагонов. Пробный рейс первой секции. Некоторые характеристики вагонов типа Б. Увеличение протяженности линий Московского метрополитена. Пополнение парка подвижного состава.
презентация [2,5 M], добавлен 12.05.2015Определение длины тормозного пути и времени торможения поезда при экстренном торможении способом ПТР. Расчет основного удельного сопротивления состава в режиме выбега и поезда. Определение осевой нагрузки для каждой группы вагонов, длины состава.
курсовая работа [3,0 M], добавлен 24.10.2015Этапы строительства метро, выбор места расположения и инженерные изыскания. Типовые проекты станций Московского метрополитена, внутреннее оформление. Сокольническая и Калининско-Солнцевская линии. Технология струйной цементации грунтов, или jet grouting.
реферат [1,6 M], добавлен 25.10.2015Функциональная схема централизованной системы автоведения поездов метрополитена. Блок-схема модели для исследования качества управления регулятора времени хода САВПМ на перегонах с двумя включениями тяговых двигателей. Траектории движения поезда.
курсовая работа [2,9 M], добавлен 22.01.2016Тяговый расчет для грузового поезда с электровозом переменного тока, при спрямлении профиля пути. Определение массы поезда, скорости, времени хода по перегону, потребляемого тока. Расчет общего и удельного расхода электрической энергии на тягу поезда.
курсовая работа [862,1 K], добавлен 09.11.2010Проверка возможности спрямления элементов профиля участка пути. Определение и проверка массы состава. Расчёт основного удельного сопротивления движению поезда на выбеге, расход электроэнергии на его преодоление. Построение кривых движения поезда.
курсовая работа [71,8 K], добавлен 07.09.2012Разработка проектов метро для столицы Российской империи. Начало строительства ленинградского метрополитена в 1947 г., его последующее развитие. Технические характеристики современного метро. Расчет затрат на перевозку груза из Санкт-Петербурга в Таллинн.
курсовая работа [2,2 M], добавлен 06.08.2013Анализ системы городских автобусных перевозок пассажиров. Система показателей и измерителей работы подвижного состава. Статистический анализ изменения пассажиропотоков. Разработка мероприятий по оптимизации структуры пассажирского подвижного состава.
дипломная работа [537,8 K], добавлен 26.12.2011Рассмотрение основных особенностей вычисления замедления и времени торможения. Анализ способов оценки эффективности пневматической тормозной системы вагонов метрополитена. Этапы расчета колодочного тормоза. Общая характеристика тормоза Вестингауза.
контрольная работа [211,2 K], добавлен 16.12.2013Анализ преимуществ высокоскоростного железнодорожного транспорта. Мировые лидеры эксплуатации высокоскоростных поездов. Описание коммерческой железнодорожной линии на магнитном подвесе в Китае. Железнодорожные магистрали высокоскоростного движения в РФ.
статья [223,0 K], добавлен 30.03.2015Требования, согласно правилам технической эксплуатации метрополитенов, к стрелочным электроприводам. Стрелочный с внутренним замыканием невзрезной электропривод типа СП-6 и СП-6М. Конструкция, кинематическая схема и электрические характеристики.
реферат [33,0 K], добавлен 04.04.2009Расчет объемных показателей использования подвижного состава. Экономическая оценка улучшения использования подвижного состава и увеличения массы поезда брутто. Расчет качественных показателей использования локомотивного парка и грузовых вагонов.
курсовая работа [132,6 K], добавлен 03.06.2009Описание местности, представленной топографической картой района проектирования железнодорожной линии. Проектирование трассы и продольных профилей. Расчет размещения труб и мостов, строительство водопропускных сооружений. Экономический расчёт проекта.
дипломная работа [3,1 M], добавлен 22.11.2017План формирования пассажирских поездов по каждому направлению. Определение времени в пути и потребного количества составов. Расчет цен на билеты фирменного поезда № 77/78 "Экспресс". Протяжённость маршрута следования. Общая выручка с проданных билетов.
курсовая работа [2,7 M], добавлен 23.02.2015Характеристика груза (кирпича). Выбор и характеристика подвижного состава, погрузочно-разгрузочных механизмов. Расчёт маршрутов движения при перевозке груза. Организация оперативного диспетчерского руководства работой подвижного состава на линии.
курсовая работа [127,8 K], добавлен 30.03.2014Нормативная база системы управления технической готовностью подвижного состава. Нормативы предприятия на эксплуатацию, техническое обслуживание и ремонт автомобилей. Расчетно-аналитический метод определения временных линейных норм расхода топлива.
реферат [1007,2 K], добавлен 26.01.2014Подвижные составы автомобильного транспорта: автомобили, автомобильные поезда, прицепы и полуприцепы. Маркировка и техническая характеристика. Безопасность подвижного состава, устройство автомобиля. Фургоны, рефрижераторы, самопогрузчики и контейнеровозы.
реферат [131,4 K], добавлен 11.02.2009Оценка правильности выбора серии локомотива, расчетного и проверяемого подъемов. Определение времени хода поезда способом равномерных скоростей. Спрямление профиля пути. Расчет расходов энергоресурсов на тягу поездов. Обоснование серии локомотива.
курсовая работа [40,8 K], добавлен 13.06.2013Расчёт массы, веса и длины поезда при заданной загрузке вагонов. Эквивалентный уклон с учетом сопротивления от кривых. Сопротивление движению на кривом участке пути. Основное удельное сопротивление движению электровоза. Расчет мощности электровоза.
курсовая работа [576,5 K], добавлен 16.12.2012