某公铁两用车脱轨掉道的原因分析与解决方案

张仕林 张书林

(中车株洲车辆有限公司技术开发部 湖南 株洲 412000)

1 研究背景

公铁两用车能在轨道上运行，也能在公路或站台等常规路面上运行，在公路和铁路之间转换方便，是实现多式联运的先进交通工具。

尽管公铁两用车存在较大优势，但是在使用过程中经常出现跑偏现象，跑偏量大于一定值后导向轮会出现悬空状态，当悬空量达到一定值后，胶轮驱动钢轮导向的公铁两用车有可能出现掉道现象。为此，在国内外研究公铁两用车脱轨掉道的基础上[1-5]，本文分析橡胶轮胎锥度效应的产生及导向轮接触状态对公铁两用车脱轨掉道的影响，通过修正橡胶轮胎方向盘补偿橡胶轮胎的安装误差、更换宽度更大的橡胶轮胎，从而削弱橡胶轮胎宽度产生的橡胶轮胎锥度效应；通过适当增大导向轮轮缘距、适当减少导向机构导柱与导向轮连接轴间隙，导向轮可更快提供导向力。

2 公铁两用车脱轨掉道的原因分析

2.1 橡胶轮胎锥度效应分析

橡胶轮胎锥度效应是指橡胶轮胎在滚动过程中，会产生作用在其上的锥形侧向力，使轮胎偏离直线运动轨迹的趋势或状态，对于公铁两用车而言，橡胶轮胎与轨道接触状态不理想会导致橡胶轮胎产生侧向力，使得公铁两用车有偏离轨道的危险。因此橡胶轮胎锥度效应是评价公铁两用车橡胶轮胎与轨道接触状态的重要指标。

2.1.1侧偏角间接产生橡胶轮胎锥度效应

将前后橡胶轮侧偏角情况分为4类，不考虑橡胶轮胎宽度的影响，建立二轮转向模型，从而分析橡胶轮胎侧偏角对橡胶轮胎锥度效应的影响：(1)前、后橡胶轮胎侧偏角方向相反；(2)前、后橡胶轮胎侧偏角方向相同且前橡胶轮胎侧偏角大于后橡胶轮胎侧偏角；(3)前、后橡胶轮胎侧偏角方向相同且前橡胶轮胎侧偏角小于后橡胶轮胎侧偏角；(4)前后橡胶轮胎均无侧偏角。

图1(a)为前橡胶轮胎侧偏角向左，后橡胶轮胎侧偏角向右时的分析图，其中A为前橡胶轮中心点，B为后橡胶轮中心点，O为公铁车转动瞬心，θ1为前橡胶轮胎侧偏角，θ2为后橡胶轮胎侧偏角，θ3和θ4为辅助线的角度，AB=L为橡胶轮轴距，OA=OB=R为公铁车转弯半径。根据图1(a)，θ1、θ2、θ3、θ4、R存在公式(1)～(5)的关系，则公铁两用车转弯半径R满足公式(6)，且公铁两用车的转动中心在左侧。根据公式(6)，前、后橡胶轮胎侧偏角越大，公铁两用车转弯半径越小。

图1 橡胶轮胎侧偏角与转弯半径分析图

若轨道曲率半径等于公铁两用车转弯半径且轨道曲率中心在AB的左侧，公铁两用车橡胶轮胎与轨道无锥度效应；若此时轨道曲率半径小于公铁两用车转弯半径，轨道曲率中心在AB的左侧，公铁两用车橡胶轮胎有锥度效应，且随着轨道半径的减小，橡胶轮胎锥度效应越大；若此时轨道曲率半径大于公铁两用车转弯半径，轨道曲率中心在AB的左侧，公铁两用车橡胶轮胎有锥度效应，且随着轨道半径的减小，橡胶轮胎锥度效应越小；若轨道曲率中心在AB的右侧，公铁两用车橡胶轮胎有锥度效应，且随着轨道半径的减小，橡胶轮胎锥度效应越大。

θ1=θ3

(1)

θ2=θ4

(2)

AC=OAsinθ3=Rsinθ1

(3)

BC=OBsinθ4=Rsinθ2

(4)

AC+BC=L=Rsinθ1+Rsinθ2=R(sinθ1+sinθ2)

(5)

(6)

图1(b)为前、后橡胶轮胎侧偏角均向左且前橡胶轮胎侧偏角大于后橡胶轮胎侧偏角时的分析图。其中A为前橡胶轮中心点，B为后橡胶轮中心点，O为此时公铁车转动瞬心，θ1为前橡胶轮胎侧偏角，θ2为后橡胶轮胎侧偏角，θ3、θ4为辅助线的角度，AB=L为橡胶轮轴距，OA=OB=R为公铁车转弯半径。根据图1(b)，θ1、θ2、θ3、θ4、R存在公式(7)～(11)的几何关系，则公铁两用车转弯半径R满足公式(12)。因此，前、后橡胶轮胎侧偏角均向左且前橡胶轮胎侧偏角大于后橡胶轮胎侧偏角时，根据公式(12)，前橡胶轮胎侧偏角与后橡胶轮胎侧偏角差值越大，公铁两用车转弯半径越小。

若轨道曲率半径等于公铁两用车转弯半径且轨道曲率中心在AB的左侧，公铁两用车橡胶轮胎与轨道无锥度效应；若此时轨道曲率半径小于公铁两用车转弯半径，轨道曲率中心在AB的左侧，公铁两用车橡胶轮胎有锥度效应，且随着轨道半径的减小，橡胶轮胎锥度效应越大；若此时轨道曲率半径大于公铁两用车转弯半径，轨道曲率中心在AB的左侧，公铁两用车橡胶轮胎有锥度效应，且随着轨道半径的减小，橡胶轮胎锥度效应越小；若轨道曲率中心在AB的右侧，公铁两用车橡胶轮胎有锥度效应，且随着轨道半径的减小，橡胶轮胎锥度效应越大。

θ1=θ3

(7)

θ2=θ4

(8)

AC=OAsinθ3=Rsinθ1

(9)

BC=OBsinθ4=Rsinθ2

(10)

AC-BC=L=Rsinθ1-Rsinθ2=R(sinθ1-sinθ2)

(11)

(12)

图1(c)为前、后橡胶轮胎侧偏角方向向左且前橡胶轮胎侧偏角小于后橡胶轮胎侧偏角时的分析图，θ1、θ2、θ3、θ4、R存在公式(13)～(17)的几何关系，则公铁两用车转弯半径R满足公式(18)。因此，前、后橡胶轮胎侧偏角均向左且前橡胶轮胎侧偏角小于后橡胶轮胎侧偏角时，公铁两用车此时转动中心在右侧，则后橡胶轮胎会向左侧产生横向偏移，前橡胶轮胎会向右侧产生横向偏移。根据公式(18)，在此种情况下，前后橡胶轮胎侧偏角差值越大，公铁两用车转弯半径越小。

θ1=θ3

(13)

θ2=θ4

(14)

AC=OAsinθ3=Rsinθ1

(15)

BC=OBsinθ4=Rsinθ2

(16)

BC-AC=L=Rsinθ2-Rsinθ1=R(sinθ2-sinθ1)

(17)

(18)

若轨道曲率半径等于公铁两用车转弯半径且轨道曲率中心在AB的右侧，公铁两用车橡胶轮胎无锥度效应；若此时轨道曲率半径小于公铁两用车转弯半径，轨道曲率中心在AB的右侧，公铁两用车橡胶轮胎有锥度效应，且随着轨道半径的减小，橡胶轮胎锥度效应越大；若此时轨道曲率半径大于公铁两用车转弯半径，轨道曲率中心在AB的左侧，公铁两用车橡胶轮胎有锥度效应，且随着轨道半径的减小，橡胶轮胎锥度效应越小；若轨道曲率中心在AB的右侧，公铁两用车橡胶轮胎有锥度效应，且随着轨道半径的减小，橡胶轮胎锥度效应越大。

当前、后橡胶轮胎都无侧偏角时：若轨道为直线，公铁两用车橡胶轮胎无锥度效应；若轨道曲率中心在右侧，公铁两用车橡胶轮胎有锥度效应，且随着轨道半径的减小，橡胶轮胎锥度效应越大；若轨道曲率中心在左侧，公铁两用车橡胶轮胎有锥度效应，且随着轨道半径的减小，橡胶轮胎锥度效应越大。

橡胶轮胎侧偏角间接影响橡胶轮胎锥度效应的机理如图2所示，当前后橡胶轮胎侧偏角形成的转弯半径与轨道曲率半径相等且方向相同时，公铁两用车不会出现橡胶轮胎锥度效应。

图2 橡胶轮胎侧偏角影响橡胶轮胎锥度效应的机理图

对于本文分析和研究的某公铁两用车的前、后橡胶轮胎侧偏角均向右且前轮侧偏0.4°后轮侧偏角0.2°，橡胶轮胎轴距1.7 m，将其带入公式(12)，得到公铁两用车转弯半径为487.5 m，因此当该公铁两用车前进10 m，其在直线轨道上最大偏移量为0.102 m，保持直线行驶的能力比较强。

2.1.2橡胶轮胎宽度产生的橡胶轮胎锥度效应

当考虑橡胶轮胎宽度、橡胶轮胎侧偏角、轨道轨迹而不考虑导向机构与轨道之间的作用力与反作用力时，一旦橡胶轮胎存在锥度效应，公铁两用车橡胶轮胎相对轨道横向运动位移量会增大，则橡胶轮胎距轨道外侧边缘的距离会不断减小，车身在重力作用下形成倾覆力矩，橡胶轮胎将有公铁两用车橡胶轮胎相对轨道横向运动位移量进一步增大的趋势。因此当橡胶轮胎出现由侧偏角引起的锥度效应时，还会由于橡胶轮胎宽度产生锥度效应。

一旦橡胶轮胎存在锥度效应，将导致公铁两用车橡胶轮胎相对轨道横向运动位移量的进一步增大，橡胶轮胎距轨道外侧边缘的距离会进一步减小，则车身在重力作用下形成越来越大的倾覆力矩，因此橡胶轮胎产生的锥度效应越来越大，最终导致恶性循环。

如果橡胶轮胎宽度越大，则初始时刻橡胶轮胎倾覆力矩越小，橡胶轮胎锥度效应越小，公铁两用车橡胶轮胎相对轨道横向运动位移量增大速度越慢。因此橡胶轮胎宽度不合适将导致橡胶轮胎锥度效应显著增加而使公铁两用车出现脱轨掉道概率增加。

2.2 导向轮接触状态影响分析

上述的分析没有考虑橡胶轮胎锥度效应使得公铁两用车具有跑偏掉道趋势，由此引起导向机构导向轮与轨道接触状态发生改变，导致导向机构与轨道之间的横向接触力具有削弱跑偏掉道趋势。因此橡胶轮胎锥度效应的强弱，导向轮与轨道的接触状态是否合适都会影响到公铁两用车是否脱轨掉道。

当轮胎产生向右的橡胶轮胎锥度效应时，公铁两用车导向机构导向轮横向力情况如图3所示，分别分析其对横向力的影响。

图3 公铁两用车导向机构导向轮横向力情况

当仅有前导向轮右侧与轨道接触时，仅有前导向轮产生向左的横向力，将削弱橡胶轮胎宽度引起的橡胶轮胎锥度效应，同时导向轮横向力相对公铁两用车能形成逆时针的弯矩，将削弱橡胶轮胎侧偏角间接引起的橡胶轮胎锥度效应。

当前导向轮右侧、后导向轮左侧与轨道接触时，前、后导向轮横向力也能提供较小的向左的横向合力，从而削弱橡胶轮胎宽度引起的橡胶轮胎锥度效应对公铁两用车的影响，同时前、后导向轮的横向力相对公铁两用车能形成较大的逆时针弯矩，将削弱橡胶轮胎侧偏角间接引起的橡胶轮胎锥度效应。

当前导向轮右侧、后导向轮右侧与轨道接触时，前、后导向轮横向力也能提供较大的向左的横向合力，这将削弱由橡胶轮胎宽度引起的橡胶轮胎锥度效应，同时导向轮横向力相对公铁两用车能形成逆时针的弯矩，将削弱橡胶轮胎侧偏角间接引起的橡胶轮胎锥度效应。

当仅有后导向轮右侧与轨道接触时，仅有后导向轮产生向左的横向力，将削弱橡胶轮胎宽度引起的橡胶轮胎锥度效应，同时导向轮横向力相对公铁两用车能形成顺时针的弯矩，这将增大橡胶轮胎侧偏角间接引起的橡胶轮胎锥度效应。

综合以上4种情况，仅有前导向轮右侧与轨道接触；前导向轮右侧、后导向轮左侧与轨道接触；前导向轮右侧、后导向轮右侧与轨道接触都能明显减小橡胶轮胎锥度效应，而仅有后导向轮右侧与轨道接触的状态对橡胶轮胎锥度效应减小不明显，甚至可能其对削弱橡胶轮胎宽度引起的橡胶轮胎锥度效应的程度小于增大橡胶轮胎侧偏角间接引起的橡胶轮胎锥度效应，因此要尽量避免该情况的出现。

通过多次试验，随着橡胶轮胎锥度效应的增加，公铁两用车导向机构导向轮与轨道接触状态由仅有前导向轮右侧与轨道接触逐渐过渡到前导向轮右侧、后导向轮左侧与轨道接触再进一步过渡到前导向轮右侧、后导向轮右侧与轨道接触，最后变为仅有后导向轮右侧与轨道接触。因此当公铁两用车出现锥度效应后，导向轮要尽量快提供导向力，削弱橡胶轮胎锥度效应。

图4为某公铁两用车原理示意图，导向机构导柱与导向轮连接轴之间存在间隙且导向机构磨耗板附着在导柱上，导柱直接与车身相连。因此，导向机构导柱与导向轮连接轴间隙越小，导向轮轮缘距越大，导向机构越难左右横移，因而导向轮轮缘距越大，导向机构导柱与导向轮连接轴间隙越小，橡胶轮胎最大侧偏角越小，导向轮轮缘与轨道最大距离越小，导向轮越容易与轨道接触从而产生横向力，削弱橡胶轮胎锥度效应。

图4 某公铁两用车原理示意图

3 某公铁两用车脱轨掉道解决方案

综合上述的分析，公铁两用车脱轨掉道的原因为导向轮与轨道接触状态形成的效应不足以消除橡胶轮胎侧偏角及橡胶轮胎宽度产生的橡胶轮胎锥度效应。因此为解决某公铁两用车脱轨掉道，需要削弱某公铁两用车橡胶轮胎锥度效应，增强导向轮与轨道接触状态对橡胶轮胎锥度效应的削弱能力。

3.1 修正橡胶轮胎侧偏角

当公铁两用车前、后橡胶轮胎侧偏角形成的理论转弯半径与轨道轨迹半径相等且方向相同时橡胶轮胎锥度效应最小。橡胶轮胎安装误差及橡胶轮胎方向盘没打正都会导致橡胶轮胎出现侧偏角、实际情况轨道轨迹为直线段的比例最大而左侧弯道和右侧弯道出现的比例一样大，因此公铁两用车前、后橡胶轮胎侧偏角均需要修正到0。

由于实际情况下橡胶轮胎安装误差很难精确测量，修正时也会产生修正误差，因此采用修正橡胶轮胎方向盘补偿橡胶轮胎安装误差的方式消除橡胶轮胎侧偏角的方法，修正橡胶轮胎侧偏角：采用公路测试的方法来判断某公铁两用车在橡胶轮胎方向盘位置不同，行驶在较平整公路下的横向运动情况。为排除其他因素影响，选择外界无风或微风状态作为试验环境状态。为避免公路行驶时方向盘来回摆动，将公铁两用车的行驶模式设置为铁路模式。公铁两用车每前进一段距离就记录橡胶轮胎的横向运动距离，全程共计30 m。每次测试后微调方向盘角度，直至发现橡胶轮胎横移距离小于20 mm。

3.2 更换宽度更大的橡胶轮胎

原始橡胶轮胎距轨道外侧边缘的距离在理想状态下只有30 mm左右，某公铁两用车经常出现掉道。当将原始宽度为176 mm的橡胶轮胎，更换为234 mm的新橡胶轮胎后，原始橡胶轮胎距轨道外侧边缘的距离显著增大。

3.3 优化导向机构

导向轮轮缘距太大或导向机构导柱与导向轮轮缘连接轴之间间隙太小将导致公铁两用车上道困难，导向轮轮缘距太小或导向机构导柱与导向轮轮缘连接轴之间间隙太大将导致导向轮不易与轨道接触从而产生横向力，削弱橡胶轮胎锥度效应。

考虑到实际运行线路中最小的轨距为1 430 mm左右，将导向轮轮缘距由原始的1 390 mm加大到1 410 mm。采用单因素分析法分析了导向机构导柱与导向轮连接轴间隙为2 mm、4 mm、6 mm、8 mm时某公铁两用车的运行情况，发现导向机构磨耗板间隙为2 mm时效果最好。

4 总结

本文分析出导向轮与轨道接触状态形成的效应不足以消除橡胶轮胎锥度效应是公铁两用车脱轨掉道的原因。因此，通过修正橡胶轮胎方向盘补偿橡胶轮胎安装误差的方式消除橡胶轮胎侧偏角，从而削弱橡胶轮胎锥度效应；通过更换宽度更大的橡胶轮胎削弱橡胶轮胎锥度效应；通过适当增大导向轮轮缘距、导向机构导柱与导向轮连接轴间隙，适当减少导向机构磨耗板间隙，使得导向轮更快提供导向力。通过多次测试，最终解决了某公铁两用车脱轨掉道的问题，从而使某公铁两用车能正常牵引10辆C70进行作业。