城市轨道交通地下线路节能坡设计研究

城市轨道交通地下线路节能坡设计研究
摘要：近年来，我国的城市化进程有了很大进展，在城市中，轨道交通工程建
设越来越多。

城市轨道交通系统耗电量巨大，特别是牵引用电占到了城市轨道交
通用电量的50%以上。

以成都市轨道交通9号线一期地下线路工程为例，通过对
单面坡、V型坡、W型坡的纵断面研究，梳理出不同工况下节能坡的设计方法，
有效降低城市轨道交通车辆的牵引能耗，以期为设计速度100km/h的城市轨道交
通纵断面设计提供有益参考。

关键词：城市轨道交通；地下线路；节能坡；牵引能耗
引言
现如今，随着我国基础设施建设力量的发展壮大，轨道交通作为我国自主科
技的产业，也得到了飞速发展。

随着多条轨道交通的通车运行，如何节能和降低
运营成本等迫在眉睫，需要人们解决。

凭借着我国建成线路的运营经验，可以说
仅20km的轨道交通线路每年的耗电量就十分庞大，因此要设计并建立节能的城
市轨道交通路线是十分重要的，所以在单条轨道交通的线路设计时，应充分地分
析站间距、敷设方式、线路平曲线、坡段长度和坡度等线路条件对牵引能耗的影响，并提出相应的方法使设计出的路线更加节能。

1节能坡概念
所谓节能坡，就是指能够降低牵引制动能耗的坡道。

节能坡一般设计成凹型
纵断面以达到节能的目的。

车辆在出地铁站后通过区间下坡迅速地将重力势能转
化为动能，在尽可能少耗费牵引电能的情况下，获得列车运行所需要的加速度和
目标速度。

列车加速一定时间和距离后达到目标速度，进入区间匀速坡，以最高
速度或接近最高速度匀速运行，这样可以基本不需要耗费牵引电能；车辆进入下
一个地铁站之前通过站前上坡将车辆动能转化为势能，加速列车的制动，从而节
省列车制动所需要的电能耗费。

2节能坡应用研究
①坡度大小与节能效果的关系。

在不考虑平面线型条件的前提下，研究不同
坡度下列车加速至100km/h（设计最高运行速度）时所需要的坡段长度、运行时
间和节能效果。

结合GB50157-2013《地铁设计规范》、施工误差及后期调线调坡
的余量，坡度研究范围定为5‰～28‰。

随着坡度由5‰增大至28‰，列车加速
至最高运行速度所需要的运行时间和加速距离逐渐缩短，电能能耗不断降低，节
能效果整体呈上升趋势，坡度在20‰～28‰之间节能率差值在2%左右。

可见，
坡度的增加可以明显优化节能效果，且坡度在24‰～28‰之间节能率均超过20%，节能效果更佳。

但当坡度达到24‰及以上，且列车加速距离超过667m时，就构
成了长大陡坡，需根据线路条件和气候条件，核查车辆的编组及其牵引和制动的
动力性能，以及故障运行能力。

另外，过长的坡段长度也会导致列车因超速而采
取制动，不利于列车运营。

由此可见，随着节能坡坡度的增加，列车牵引能耗明
显降低，但不能一味地追求大坡度，应结合工程实际，合理选取节能坡的坡度，
以达到节能效果最优、工程设置最合理的目的。

②组合坡节能效果成都市轨道交通9号线一期工程三色路站—心岛站区间长度约930m，三色路站车站埋深约
16.6m，心岛站车站埋深约25.6m，两车站轨面垂直高差约7.85m。

据两站的高差
情况，原方案采用930m/-8.43‰的单面坡，运行时间为66.92s，牵引能耗
35.86kW•h。

当采用275m/-16‰和655m/-5.26‰的组合坡段时，运行时间为
65.61s。

相较单一坡度，采用陡坡加缓坡的组合形式，列车的区间运行时间更短，
牵引及制动的总消耗也更少，节能效果更优。

3线路纵断面
牵引力、基本运行阻力、曲线阻力、风阻力和坡度阻力等因素，都会对列车
有一定的阻碍作用，它们产生的各类阻力均与行驶相背，坡度阻力的方向是变化的。

行驶在上坡路段中，由于受到上坡阻力的影响，使行驶速度自然的降低；在
列车下坡时会受到预期运行方向相同的坡道阻力，会使列车运行的速度加快。

为
了了减少能量的损耗，在设计轨道交通线路纵断面时，在凸形坡段上设置车站位置，这能够使列车进站上坡所产生的动能转化为势能，使列车出站时下坡所产生
的势能转化为动能，从而使能量得到节约。

这种设计被称之为节能坡设计，为了
使节能坡的设计达到节能的效果，对节能坡的设计有一些要求，其需要对节能坡
的坡度、坡长、位置进行精确地计算以及合理地选择，另外，也应科学地设计好
缓坡连接方案，最大程度地实现有效节能的目的。

4正常情况下的行车组织
在全自动运行线路每天运营正式开始前，控制中心行车调度员通过行调工作
站下载并执行当日派班计划、当日列车运营时刻表，电调值班员负责远程控制或
自动控制正线和车辆基地的上电工作。

列车能够实现自动唤醒，自动对自身设备
进行自检。

然后列车根据派班计划按时自动运行至转换轨并接收列车运营时刻表，根据收到的正线工况服务命令进入正线运营服务。

车辆系统接收信号车载设备发
送的工况指令自动控制照明、空调等设备运行。

运营列车根据时刻表自动进站停车，自动打开车门和站台门，依据时刻表规定的停站时间自动关闭车门和站台门
后出发；列车在进站、到站、离站时自动触发车辆广播，列车到站时站台自动广播。

列车到达终点站后自动打开车门和站台门，触发车辆自动广播，提醒乘客下车。

站台综合值班员上车清客完成后按压站台端头设置的再关门按钮，列车自动
关闭车门和站台门，自动进行折返作业或结束当天运营自动进入车辆基地。

计划
进入车辆基地的列车收到停止正线服务工况，自动关闭照明、空调等设备。

列车
进入转换轨后自动清除当天车次号，按照自动或人工设置的头码进入相应的列位，根据休眠指令进入休眠状态。

列车在车辆基地内根据运营计划设置的车组号和洗
车时间自动完成洗车功能。

5 W型坡
针对列车运行时间超过120s、需要设置区间风井的长大地下区间，如果按照
常规V型坡来设计纵断面，则区间最低点的埋深将会随区间长度不断增大，列车
出站后不断加速，在达到最高运行速度后又需要采取制动措施；当爬坡时又需要
供电牵引，不利于列车动能与势能的相互转换。

因此，为了在长大地下区间达到
节能效果，可以结合地质条件、区间风井、联络通道和废水泵房等的设置，根据
节能坡原理，在纵断面设计中采用W型坡。

结束语
综上所述，鉴于节能坡的良好节能效应，在城市快速轨道交通的实际纵断面
设计中，应尽可能地采用节能坡设计。

与单一坡度相比，陡坡加缓坡的组合形式下，列车的区间运行时间更短，牵引及制动的消耗也更少，节能效果较优。

对于
设计速度100km/h的地下线路，当采用600m/24‰的节能坡时，节能效果最优。

但在纵断面设计中应结合工程实际，合理选取节能坡的长度，做到既保证区间最
低点废水泵房、中间风井的工程规模可控，又使节能效果最优、工程设置最合理。

对于长大地下区间，采用W型坡度不仅节能效果更优，而且符合列车运行规律，区间风井的设置也更加合理。

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