胶轮驱动式公铁两用车动力学性能研究

魏传超，傅茂海，刘雷雨，贾一平，李亚威

(西南交通大学 机械学院 机车车辆系，四川 成都 610000)

0 引言

国内外公铁两用车主要有胶轮驱动与钢轮驱动两种模式，分析目前已成熟运用的产品后发现对于这两种模式的选择并没有明确的界限。钢轮驱动式公铁两用车需要配备一套独立的动力传动装置，在钢轨上运行时，钢轮被液压缸压下取代胶轮驱动，类似铁路机车，具有灵活、高速、耐磨损的特点[1]，但由于受钢轮和轨道黏着系数的影响，牵引力受到限制。而胶轮驱动式公铁两用车以原有重型商用车牵引传动系统为基础，并加装钢轮导向装置，虽然也存在橡胶轮胎磨损严重、导向轮与胶轮轴荷分配较复杂、运行中易出现脱轨事故等问题，但因具有制造与维护成本低、动力强劲等优点，目前在众多用途的公铁两用车中应用最为广泛[2]。本文研究的公铁两用焊轨车考虑到本身载重较大和节约成本等因素，故采用更加成熟可靠的胶轮驱动模式，并重点关注导向装置结构设计及如何合理分配胶轮与导向钢轮的轴载荷问题，以期满足公铁两用车简便、可靠的要求。

1 胶轮驱动式公铁两用车总体配置情况

图1为胶轮驱动式公铁两用车三维示意图，其主要技术参数如下：底盘采用一汽解放某型6×4载货车底盘；加装焊轨设备后自重约37.6 t；铁路模式运行时钢轨类型为59R2槽型轨，踏面为有轨电车踏面，轨距为1 435 mm；全车外形尺寸为11 568 mm×2 438 mm×3 832 mm(满足GB1589—2004《道路车辆外廓尺寸、轴荷及质量限值》)。

2 公铁两用车不同运用场景的行驶状态

公铁两用车在公路行驶时，轮对升降装置将前后两导向钢轮对收起，处于悬空状态。当转移到铁路上运行时，升降装置将前转向桥抬起，将两导向钢轮对压至钢轨上，并通过液压装置来调节车轮与钢轨间接触压力，以保证车辆在铁路上的安全行驶；车辆后双联驱动橡胶轮胎也恰好位于钢轨上，车辆就利用后双联驱动桥胶轮与钢轨的摩擦力提供前进的动力。公铁两用车在公路和铁路两种不同运用场景下的行驶状态如图2所示。

图2 公铁两用车在公路和铁路两种不同运用场景下的行驶状态

3 公铁两用车运行性能要求

公铁两用车公路运行时即是普通重型商用车，其性能可以通过选择合适型号的载货车来满足，不作为本文探讨的重点。本文重点关注公铁两用车在铁路运行状态时应满足的性能要求：

(1) 动力性能要求[3]。主要包括在加装焊轨设备状态下所需最大牵引力要求；铁路运行时最大运行车速要求(30 km/h)；加速性能要求，即焊轨设备满载状态下，保证启动平稳性；爬坡性能要求，车辆在设备满载状态下要求最大爬坡可达50‰。

(2) 曲线通过性能要求。公铁两用车过小曲线时，钢轨导向性能及其各项指标满足要求。目前并没有专门用于公铁两用工程车动力学性能考核的标准，本文参考GB/T 5599—1985《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》来作为评价指标。

4 公铁两用车满足运行性能的影响因素分析

为满足上述运行性能要求，需要找出主要影响因素，以此对公铁两用车的结构设计提供依据。

公铁两用车的动力性能主要受两个因素的限制：发动机功率和驱动轮的路面黏着极限。一般而言，当车辆运行速度较高时，动力性能主要受发动机功率的限制，而对于铁路运行下的公铁两用车而言，其运行速度较低，动力性能主要受到轮胎的路面黏着条件的限制。

影响公铁两用车曲线通过性能的因素主要为轴距、轴重、车辆重心位置、踏面等效锥度和一系悬挂纵向与横向刚度值等[4]。轴距、轴重、车辆重心位置以及踏面等效锥度等因素会随着商用车底盘的选定、焊轨设备的安装布置[5](如图3所示)以及钢轨型面的选择而定，可改变空间有限。除了上述影响因素外，胶轮驱动式公铁两用车在通过曲线时最特殊的地方在于后驱动桥也被用于部分承载车体重量，且橡胶轮胎与车辆底盘的板簧式悬挂系统亦会对车辆动力学产生影响，参考张永辉等的研究成果[6]，其将导向钢轮与钢轨之间的导向力与胶轮对钢轨的横向蠕滑之间的影响关系称为摇头动态制衡关系，作为动力学模型优化的依据。

分析以上影响因素不难发现，驱动胶轮和导向钢轮之间的轴载荷的合理分配是决定该型公铁两用车性能的重要因素[7]，分配二者承载车重比例时要保证驱动胶轮与钢轨之间有足够的压力，从而提供足够黏着驱动力Fx，即：

Fx=μW.

其中：μ为轮轨间摩擦因数；W为驱动轮轮重。

在保证驱动胶轮与钢轨之间有足够压力的同时又要保证钢轮与钢轨之间具有足够压力，防止车辆过小曲线时发生脱轨事故。在轴载荷分配控制方式上，本车采用了液压控制方式，通过调节液压缸压力来达到轴载荷匹配的要求，液压系统由动力元件、控制元件、执行元件、辅助元件和工作介质组成。

5 公铁两用车运行性能仿真分析

结合以上分析，采用SIMPACK多体动力学分析软件进行动力学仿真，重点关注公铁两用车在有轨电车等城市轨道线路上运行时的曲线通过性能。如前所述，该型公铁两用车与普通单轴转向架车辆的最大区别在于胶轮驱动承载且对曲线通过性能有重要影响。一般情况下，对于胶轮与轨面接触建模可以采用联合仿真的方式，即橡胶轮胎的特性由Simulink或者FT tire等其他软件完成，再与SIMPACK进行数据交换进而完成仿真。胶轮与钢轨间摩擦力的产生主要依靠表面附着和弹性迟滞作用，在低速缓行条件下，忽略橡胶轮胎的变弹或黏弹特性影响。因此，本文采用以Kalker轮轨接触模型来逼近橡胶轮胎对钢轨的附着性，即具体采用胶轮以圆柱形平踏面来模拟轮胎与槽型轨的接触，并通过降低弹性模量来逼近实际接触斑，并按实际橡胶/钢轨间摩擦因数施加。

在不同半径的曲线上，公铁两用车以不同速度通过时仿真得到的轮轨横向力、轮轴横向力、脱轨系数和轮重减载率等性能指标如表1所示。

表1 仿真得到的动力学性能指标

考虑到城市有轨电车线路的实际情况，以美国AAR3级谱作为轨道不平顺激扰输入，评价标准参考GB/T 5599—1985《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》规定。根据GB/T 5599—1985，轮轨横向力和轮轴横向力判定标准分别为50.78 kN和74.45 kN，脱轨系数和轮重减载率判定合格的值分别为1.2和0.65。

由表1可以看出，该型公铁两用车可以通过最小曲线半径为150 m，各项安全性指标均在GB/T 5599—1985规定的限度值以内，具有良好的小曲线通过安全性能。

6 结语

本文对某型公铁两用焊轨车总体设计方案和设计思路进行详细的阐述，重点关注了公铁两用车运行性能要求和动力学性能的主要影响因素，并利用SIMPACK软件模拟该型公铁两用车在小曲线通过时的安全性。分析结果表明：该型公铁两用焊轨车在城市轨道中具有良好的曲线通过性能,在半径为150 m以上的曲线上运行时具有较好的安全可靠性。

参考文献：

[1] 王光明,郑松林,栾世杰.分动式公铁两用车导向装置结构设计及导向力分析[J].机械,2006(9):12-14.

[2] 张茂松,李芾,杨阳.公铁两用车的发展与运用前景[J].国外铁道车辆,2017(1):1-6，17.

[3] 代明兵.重型商用车动力传动系统参数优化设计及软件开发[D].重庆：重庆大学,2010：15-16.

[4] 王福天.车辆系统动力学[M].北京：中国铁道出版社,2009.

[5] 段红兵,杨林勇,肖绪明,等.自行式闪光接触焊轨车的开发和应用[J].机车车辆工艺,2011(2):9-10.

[6] 张永辉,杨晶,刘永,等.GTQ2000重型公铁两用牵引车及其轨道仿真技术支持[J].大连交通大学学报,2016(5):46-50.

[7] 裴磊.纯电动公铁两用牵引车整车控制系统研制[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2010：41-42.