膠輪驅(qū)動式公鐵兩用車動力學(xué)性能研究

魏傳超，傅茂海，劉雷雨，賈一平，李亞威

(西南交通大學(xué) 機械學(xué)院 機車車輛系，四川 成都 610000)

0 引言

國內(nèi)外公鐵兩用車主要有膠輪驅(qū)動與鋼輪驅(qū)動兩種模式，分析目前已成熟運用的產(chǎn)品后發(fā)現(xiàn)對于這兩種模式的選擇并沒有明確的界限。鋼輪驅(qū)動式公鐵兩用車需要配備一套獨立的動力傳動裝置，在鋼軌上運行時，鋼輪被液壓缸壓下取代膠輪驅(qū)動，類似鐵路機車，具有靈活、高速、耐磨損的特點[1]，但由于受鋼輪和軌道黏著系數(shù)的影響，牽引力受到限制。而膠輪驅(qū)動式公鐵兩用車以原有重型商用車牽引傳動系統(tǒng)為基礎(chǔ)，并加裝鋼輪導(dǎo)向裝置，雖然也存在橡膠輪胎磨損嚴重、導(dǎo)向輪與膠輪軸荷分配較復(fù)雜、運行中易出現(xiàn)脫軌事故等問題，但因具有制造與維護成本低、動力強勁等優(yōu)點，目前在眾多用途的公鐵兩用車中應(yīng)用最為廣泛[2]。本文研究的公鐵兩用焊軌車考慮到本身載重較大和節(jié)約成本等因素，故采用更加成熟可靠的膠輪驅(qū)動模式，并重點關(guān)注導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計及如何合理分配膠輪與導(dǎo)向鋼輪的軸載荷問題，以期滿足公鐵兩用車簡便、可靠的要求。

1 膠輪驅(qū)動式公鐵兩用車總體配置情況

圖1為膠輪驅(qū)動式公鐵兩用車三維示意圖，其主要技術(shù)參數(shù)如下：底盤采用一汽解放某型6×4載貨車底盤；加裝焊軌設(shè)備后自重約37.6 t；鐵路模式運行時鋼軌類型為59R2槽型軌，踏面為有軌電車踏面，軌距為1 435 mm；全車外形尺寸為11 568 mm×2 438 mm×3 832 mm(滿足GB1589—2004《道路車輛外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值》)。

2 公鐵兩用車不同運用場景的行駛狀態(tài)

公鐵兩用車在公路行駛時，輪對升降裝置將前后兩導(dǎo)向鋼輪對收起，處于懸空狀態(tài)。當轉(zhuǎn)移到鐵路上運行時，升降裝置將前轉(zhuǎn)向橋抬起，將兩導(dǎo)向鋼輪對壓至鋼軌上，并通過液壓裝置來調(diào)節(jié)車輪與鋼軌間接觸壓力，以保證車輛在鐵路上的安全行駛；車輛后雙聯(lián)驅(qū)動橡膠輪胎也恰好位于鋼軌上，車輛就利用后雙聯(lián)驅(qū)動橋膠輪與鋼軌的摩擦力提供前進的動力。公鐵兩用車在公路和鐵路兩種不同運用場景下的行駛狀態(tài)如圖2所示。

圖2 公鐵兩用車在公路和鐵路兩種不同運用場景下的行駛狀態(tài)

3 公鐵兩用車運行性能要求

公鐵兩用車公路運行時即是普通重型商用車，其性能可以通過選擇合適型號的載貨車來滿足，不作為本文探討的重點。本文重點關(guān)注公鐵兩用車在鐵路運行狀態(tài)時應(yīng)滿足的性能要求：

(1) 動力性能要求[3]。主要包括在加裝焊軌設(shè)備狀態(tài)下所需最大牽引力要求；鐵路運行時最大運行車速要求(30 km/h)；加速性能要求，即焊軌設(shè)備滿載狀態(tài)下，保證啟動平穩(wěn)性；爬坡性能要求，車輛在設(shè)備滿載狀態(tài)下要求最大爬坡可達50‰。

(2) 曲線通過性能要求。公鐵兩用車過小曲線時，鋼軌導(dǎo)向性能及其各項指標滿足要求。目前并沒有專門用于公鐵兩用工程車動力學(xué)性能考核的標準，本文參考GB/T 5599—1985《鐵道車輛動力學(xué)性能評定和試驗鑒定規(guī)范》來作為評價指標。

4 公鐵兩用車滿足運行性能的影響因素分析

為滿足上述運行性能要求，需要找出主要影響因素，以此對公鐵兩用車的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。

公鐵兩用車的動力性能主要受兩個因素的限制：發(fā)動機功率和驅(qū)動輪的路面黏著極限。一般而言，當車輛運行速度較高時，動力性能主要受發(fā)動機功率的限制，而對于鐵路運行下的公鐵兩用車而言，其運行速度較低，動力性能主要受到輪胎的路面黏著條件的限制。

影響公鐵兩用車曲線通過性能的因素主要為軸距、軸重、車輛重心位置、踏面等效錐度和一系懸掛縱向與橫向剛度值等[4]。軸距、軸重、車輛重心位置以及踏面等效錐度等因素會隨著商用車底盤的選定、焊軌設(shè)備的安裝布置[5](如圖3所示)以及鋼軌型面的選擇而定，可改變空間有限。除了上述影響因素外，膠輪驅(qū)動式公鐵兩用車在通過曲線時最特殊的地方在于后驅(qū)動橋也被用于部分承載車體重量，且橡膠輪胎與車輛底盤的板簧式懸掛系統(tǒng)亦會對車輛動力學(xué)產(chǎn)生影響，參考張永輝等的研究成果[6]，其將導(dǎo)向鋼輪與鋼軌之間的導(dǎo)向力與膠輪對鋼軌的橫向蠕滑之間的影響關(guān)系稱為搖頭動態(tài)制衡關(guān)系，作為動力學(xué)模型優(yōu)化的依據(jù)。

分析以上影響因素不難發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動膠輪和導(dǎo)向鋼輪之間的軸載荷的合理分配是決定該型公鐵兩用車性能的重要因素[7]，分配二者承載車重比例時要保證驅(qū)動膠輪與鋼軌之間有足夠的壓力，從而提供足夠黏著驅(qū)動力Fx，即：

Fx=μW.

其中：μ為輪軌間摩擦因數(shù)；W為驅(qū)動輪輪重。

在保證驅(qū)動膠輪與鋼軌之間有足夠壓力的同時又要保證鋼輪與鋼軌之間具有足夠壓力，防止車輛過小曲線時發(fā)生脫軌事故。在軸載荷分配控制方式上，本車采用了液壓控制方式，通過調(diào)節(jié)液壓缸壓力來達到軸載荷匹配的要求，液壓系統(tǒng)由動力元件、控制元件、執(zhí)行元件、輔助元件和工作介質(zhì)組成。

5 公鐵兩用車運行性能仿真分析

結(jié)合以上分析，采用SIMPACK多體動力學(xué)分析軟件進行動力學(xué)仿真，重點關(guān)注公鐵兩用車在有軌電車等城市軌道線路上運行時的曲線通過性能。如前所述，該型公鐵兩用車與普通單軸轉(zhuǎn)向架車輛的最大區(qū)別在于膠輪驅(qū)動承載且對曲線通過性能有重要影響。一般情況下，對于膠輪與軌面接觸建?？梢圆捎寐?lián)合仿真的方式，即橡膠輪胎的特性由Simulink或者FT tire等其他軟件完成，再與SIMPACK進行數(shù)據(jù)交換進而完成仿真。膠輪與鋼軌間摩擦力的產(chǎn)生主要依靠表面附著和彈性遲滯作用，在低速緩行條件下，忽略橡膠輪胎的變彈或黏彈特性影響。因此，本文采用以Kalker輪軌接觸模型來逼近橡膠輪胎對鋼軌的附著性，即具體采用膠輪以圓柱形平踏面來模擬輪胎與槽型軌的接觸，并通過降低彈性模量來逼近實際接觸斑，并按實際橡膠/鋼軌間摩擦因數(shù)施加。

在不同半徑的曲線上，公鐵兩用車以不同速度通過時仿真得到的輪軌橫向力、輪軸橫向力、脫軌系數(shù)和輪重減載率等性能指標如表1所示。

表1 仿真得到的動力學(xué)性能指標

考慮到城市有軌電車線路的實際情況，以美國AAR3級譜作為軌道不平順激擾輸入，評價標準參考GB/T 5599—1985《鐵道車輛動力學(xué)性能評定和試驗鑒定規(guī)范》規(guī)定。根據(jù)GB/T 5599—1985，輪軌橫向力和輪軸橫向力判定標準分別為50.78 kN和74.45 kN，脫軌系數(shù)和輪重減載率判定合格的值分別為1.2和0.65。

由表1可以看出，該型公鐵兩用車可以通過最小曲線半徑為150 m，各項安全性指標均在GB/T 5599—1985規(guī)定的限度值以內(nèi)，具有良好的小曲線通過安全性能。

6 結(jié)語

本文對某型公鐵兩用焊軌車總體設(shè)計方案和設(shè)計思路進行詳細的闡述，重點關(guān)注了公鐵兩用車運行性能要求和動力學(xué)性能的主要影響因素，并利用SIMPACK軟件模擬該型公鐵兩用車在小曲線通過時的安全性。分析結(jié)果表明：該型公鐵兩用焊軌車在城市軌道中具有良好的曲線通過性能,在半徑為150 m以上的曲線上運行時具有較好的安全可靠性。

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