[实用新型]以重力为加速和制动主要施力源的列车系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及列车技术领域，尤其涉及一种以重力为加速和制动主要施力源的列车系统。

背景技术

列车行驶时，如果向前推力等于运行阻力，列车匀速前进；如果向前推力大于运行阻力，列车加速前进，在此将推动列车加速前进的这一部分力称为列车加速推力。

所述列车运行阻力包括列车运行的基本阻力(如轴承阻力、滚动阻力、滑动阻力、冲击和振动阻力、空气阻力等)和运行的附加阻力(如在曲线线路、隧道等运行时附加的阻力)。研究指出，当列车匀速运行速度70km/h时，单位基本阻力为5.1N/kN。另据报道，按照地铁列车运行阻力公式理论计算，列车速度在70km/h时，单位运行阻力为4～5kg／t，与实际测量结果吻合。即在通常没有受到其他额外阻力的情况下，用于平衡列车运行阻力的推力约为其重量的千分之五。

所述列车加速推力，设为F，由牛顿第二定律可知：F=ma，m为列车质量，a为列车加速度。也以地铁为例，地铁加速行驶时加速度约1.0m/s²。所述列车加速推力约为其重量的十分之一，通常列车加速推力远远大于用于平衡列车运行阻力的推力。节省列车加速推力是列车节能的关键之一。

从1814年英国人乔治.斯蒂芬森创造被称为“半统靴”的蒸汽机车至今近两百年来，或者从1863年世界上首条地下铁路“伦敦大都会铁路”开通至今近一百五十年来，列车发动机（如蒸汽机、内燃机、电动机、以至直线电机等）始终是列车加速推力的主要施力源，从能量的角度分析就是列车加速以热能、化学能、电能转化为动能为主。

人类从马车时代就知道，下坡路有利于车辆加速。这个常识，长期以来在地铁轨道铺设中也有所体现，称为加速坡（或节能坡），即某些车站位置略高，列车离站时经由一短段下坡路再驶入普通路程，可节省一部分列车发动机用于加速的能量。比如一种较有权威的加速坡设计：列车经由出站端一段坡度为-22‰26‰、长250m的加速坡道，达到目标速度80km/h，可降低列车发动机牵引电能消耗约20%～25%。它代表了加速坡技术的典范，也几乎达到了加速坡节能效率的上限。限制加速坡节能效率进一步提高的原因与一些现有技术问题有关，现分述如下：

1、加速坡坡度小。上例中重力在坡度-22‰26‰方向的分力所能产生的加速度约0.210.25m/s²，而所述列车经过250m加速坡加速到目标速度80km/h所需的加速度约0.99m/s²，加速坡只能产生所需加速度中很小一部分进而只能降低其中很小一部分能耗如20%～25%。

2、传统地铁列车车厢地板是固定的（与车厢底盘和/或四壁固定）。因此其车厢地板在列车运行途中始终与轨道走向平行，轨道坡度大了可导致乘客俯、仰，乘车不舒适、不平稳。传统技术对线路坡度大小就有严格限制。比如根据国家《地铁设计规范》（2003版），正线的最大坡度不宜大于30‰。

3、加速坡坡道短。现有技术中加速坡长度一般为200～300ｍ，重力沿加速坡方向的分力对列车作用路程短，做功少；坡度小，坡道短，线路高程的变化小，整个加速坡可转化为动能的重力势能就很有限。

4、现有技术设计规范中列车发动机是列车加速推力的主要施力源。现有技术中列车加速仍以消耗大量其他形式的能量转化为动能为主，由重力势能转化为动能只占其中很小一部分，加速坡只起配角作用。现有技术设计规范中列车发动机作为列车加速推力的主要施力源也使加速坡坡道长度受到限制，如以某种现行列车在加速坡坡度均为-30‰相同条件下计算机模拟实验证明，400m长的加速坡反而比300m长的加速坡少节能5%～8%。现有技术中加速坡坡道一般不超过200～300ｍ。

研究报告指出，“地铁列车运行时能耗值最大的区段为出站加速坡区段，该区段也是能耗计算时重点模拟对比的环节。”——加速坡区段是能耗值最大的区段，一方面证明加速坡本身节能有限，同时也揭示传统列车发动机作为列车加速主要施力源在列车加速行驶时消耗着大量能量，这一点应作为研究列车节能课题的关键切入点之一。