公鐵兩用牽引車導(dǎo)向機(jī)構(gòu)多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析

摘要：建立了公鐵兩用牽引車導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型；仿真分析了公鐵兩用牽引車在無(wú)牽引作業(yè)起步工況和牽引作業(yè)起步工況下導(dǎo)向輪的受力情況及各輪的脫軌系數(shù)，仿真結(jié)果表明，鐵路工況下公鐵兩用牽引車能夠安全行駛。通過(guò)仿真驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案，研究結(jié)論可為公鐵兩用牽引車的進(jìn)一步研發(fā)提供參考。

關(guān)鍵詞：公鐵兩用牽引車；導(dǎo)向機(jī)構(gòu)；動(dòng)力學(xué)仿真

中圖分類號(hào)：U469.5 收稿日期：2023-04-20

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.10.010

1 前言

導(dǎo)向機(jī)構(gòu)作為公鐵兩用牽引車鐵路行走系統(tǒng)的重要組成部分[1]，與鐵路行駛時(shí)的運(yùn)行穩(wěn)定性直接相關(guān)，對(duì)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行分析研究具有重要意義。本文應(yīng)用三維實(shí)體建模軟件SolidWorks建立了公鐵兩用牽引車導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的三維模型，在多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS中建立導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型，分析了公鐵兩用牽引車起步工況下導(dǎo)向機(jī)構(gòu)導(dǎo)向輪與鋼軌之間的作用力和導(dǎo)向輪的脫軌系數(shù)，研究了其鐵路行駛的安全性。

2 實(shí)體模型的建立

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，在充分考慮模型與物理樣機(jī)的契合程度的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)適當(dāng)簡(jiǎn)化，使用SolidWorks軟件建立導(dǎo)向機(jī)構(gòu)導(dǎo)向輪、60 kg/m鋼軌、車橋和車架的實(shí)體模型，如圖1和圖2所示，實(shí)體模型裝配如圖3所示[2]。在鐵路行駛工況下，將公鐵兩用牽引車用于保證公路行駛操作穩(wěn)定性和平順性的懸架裝置鎖止，使車架和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)處于剛性連接狀態(tài)，鐵路行駛時(shí)依靠導(dǎo)向輪和鋼軌之間的相互作用力實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，本文主要分析公鐵兩用牽引車在鐵路行駛時(shí)的特性，因此建模時(shí)不考慮車輛懸架和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。

3 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)及車架動(dòng)力學(xué)模型的建立

把實(shí)體模型導(dǎo)入ADAMS/View環(huán)境中，進(jìn)行適當(dāng)修改，將車架及車架上的負(fù)載簡(jiǎn)化為質(zhì)心位置上的集中質(zhì)量，然后通過(guò)賦予材料、添加約束和載荷等，得到導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型[3]，如圖4所示。公鐵兩用牽引車鐵路行駛時(shí)通過(guò)輪胎與鋼軌之間的相互作用提供驅(qū)動(dòng)力和牽引力。在鐵路行駛工況下，整個(gè)車身即使在大曲率線路上行駛（目前我國(guó)鐵路的最小曲線半徑至少為145 m），輪胎的側(cè)傾非常小，因?yàn)閷?dǎo)向輪對(duì)對(duì)整個(gè)車身橫向運(yùn)動(dòng)的限制，可認(rèn)為輪胎的縱向滑移和橫向滑移是相對(duì)獨(dú)立的，在ADAMS中采用Fiala輪胎模型作為公鐵兩用牽引車輪胎的動(dòng)力學(xué)模型。

4 動(dòng)力學(xué)仿真及結(jié)果分析

公鐵兩用牽引車經(jīng)公鐵轉(zhuǎn)換裝置實(shí)現(xiàn)公路和鐵路兩種行駛模式的轉(zhuǎn)化[1]，轉(zhuǎn)換為鐵路行駛模式后，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的導(dǎo)向輪對(duì)與鋼軌準(zhǔn)確配合，通過(guò)調(diào)節(jié)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)油缸的油壓，調(diào)整導(dǎo)向機(jī)構(gòu)導(dǎo)向油缸的活塞桿的伸出長(zhǎng)度，進(jìn)而調(diào)整導(dǎo)向輪對(duì)與鋼軌之間的垂向壓力。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，公鐵兩用牽引車鐵路牽引作業(yè)的速度不低于10 km/h，鐵路行駛起步工況下，公鐵兩用牽引車的速度有一個(gè)變化過(guò)程，在ADAMS中采用STEP（time，0，0，3.0，200.0）+STEP（time，3.0，0，6.0，300.0）+STEP（time，6.0，0，9.0，500.0）+STEP（time，9.0，0，12.0，500.0）+STEP（time，12.0，0，15.0，500.0）+STEP（time，15.0，0，18.0，500.0）+STEP（time，18.0，0，21.0，500.0）階躍函數(shù)對(duì)質(zhì)心添加運(yùn)動(dòng)，模擬公鐵兩用牽引車直線起步工況的加速過(guò)程。

區(qū)分無(wú)牽引作業(yè)起步和牽引作業(yè)起步兩種工況仿真研究啟動(dòng)工況下導(dǎo)向輪的受力和脫軌系數(shù)。無(wú)牽引行駛用于公鐵兩用牽引車自身的鐵路機(jī)動(dòng)。

4.1 輪軌作用力分析

仿真歷程30 s，在仿真過(guò)程中，通過(guò)對(duì)接觸建立測(cè)量函數(shù)得到了輪軌之間的橫向力（Y向）和垂向力（Z向）。

4.1.1 無(wú)牽引作業(yè)起步工況

仿真可得無(wú)牽引作業(yè)起步工況各導(dǎo)向輪受力情況，結(jié)果如圖5～圖8所示。

由仿真結(jié)果可知，各導(dǎo)向輪的垂向力和橫向力都經(jīng)歷了一個(gè)輕微震蕩階段，之后趨于穩(wěn)定在一個(gè)常值，這是因?yàn)樘砑拥妮喬ツＰ团c軌面之間、導(dǎo)向輪與鋼軌之間的位置關(guān)系有一個(gè)短暫的調(diào)整過(guò)程，且仿真的前21 s為加速階段，各導(dǎo)向輪與鋼軌之間的相互作用力在不斷調(diào)整變化。其中左前導(dǎo)向輪垂向力均值為18 904 N，橫向力均值為-2 903 N；右前導(dǎo)向輪垂向力均值為186 96 N，橫向力均值為2 899 N；左后導(dǎo)向輪垂向力均值為24 107 N，橫向力均值為-3 430 N；右后導(dǎo)向輪垂向力均值24 357 N，橫向力均值為3 429 N。前左右導(dǎo)向輪的橫向力和垂向力相差不大，后左右導(dǎo)向輪的橫向力和垂向力相差也不大，前導(dǎo)向輪垂向力比后導(dǎo)向輪垂向力小，符合公鐵兩用牽引車質(zhì)量分布靠近后橋和后導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，各導(dǎo)向輪所受的橫向力比較小，且無(wú)明顯變化。

4.1.2 牽引作業(yè)起步工況

仿真可得牽引作業(yè)起步工況各導(dǎo)向輪垂向力（Z向）和橫向力（Y向），結(jié)果如圖9～圖12所示。

牽引作業(yè)行駛起步工況下，左前導(dǎo)向輪垂向力均值為17 279 N，橫向力均值為-2 837 N；右前導(dǎo)向輪垂向力均值為17 275 N，橫向力均值為2 834 N；左后導(dǎo)向輪垂向力均值為25 322 N，橫向力均值為-3 526 N；右后導(dǎo)向輪垂向力均值25 064 N，橫向力均值為3 520 N。牽引作業(yè)時(shí)，隨著牽引力的增加，前導(dǎo)向輪有仰起的趨勢(shì)，與無(wú)牽引作業(yè)起步工況相比，前導(dǎo)向輪的垂向力減小了8.6%，后導(dǎo)向輪的垂向力增加了3.96%，前導(dǎo)向輪的橫向力減小了2.05%，后導(dǎo)向輪的橫向力增大了2.65%。各導(dǎo)向輪垂向力和橫向力變化不大，表明了該公鐵兩用牽引車導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案合理，在鐵路上行駛時(shí)，穩(wěn)定性好。

4.2 脫軌系數(shù)分析

脫軌系數(shù)定義為作用在公鐵兩用牽引車導(dǎo)向輪上的橫向力（Y向）和垂向力（Z向）的比值[4-5]。

4.2.1 無(wú)牽引作業(yè)起步工況

無(wú)牽引作業(yè)起步工況各導(dǎo)向輪的脫軌系數(shù)如圖13～圖16所示。

從圖中可以看出，四個(gè)導(dǎo)向輪脫軌系數(shù)經(jīng)過(guò)加速階段（21 s）后趨于穩(wěn)定，左前導(dǎo)向輪脫軌系數(shù)絕對(duì)值最大值為-1.159 8，平均值為-0.149 8；右前導(dǎo)向輪脫軌系數(shù)絕對(duì)值最大值為1.148 4，平均值為0.143 1；左后導(dǎo)向輪脫軌系數(shù)絕對(duì)值最大值為-1.127 9，平均值為-0.133；左前導(dǎo)向輪脫軌系數(shù)絕對(duì)值最大值為1.126 6，平均值為0.134 3。導(dǎo)向輪與鋼軌的接觸有一個(gè)短暫的調(diào)整過(guò)程，在開(kāi)始的2 s內(nèi)各導(dǎo)向輪的脫軌系數(shù)出現(xiàn)了一個(gè)峰值，但小于GB/T 17426-1998《鐵道特種車輛和軌行機(jī)械動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定及試驗(yàn)方法》中第一限度橫向力和垂向力的比值≤1.2的要求，加速階段結(jié)束后各導(dǎo)向輪的脫軌系數(shù)穩(wěn)定于一個(gè)常值，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于GB/T 17426-1998脫軌系數(shù)第二限度橫向力和垂向力的比值≤1.0的要求。

4.2.2 牽引作業(yè)起步工況

牽引作業(yè)起步工況下各導(dǎo)向輪的脫軌系數(shù)如圖17～圖20所示。

牽引作業(yè)起步工況下，四個(gè)導(dǎo)向輪脫軌系數(shù)在加速階段后趨于穩(wěn)定于一個(gè)常值，左前導(dǎo)向輪脫軌系數(shù)絕對(duì)值最大值為-1.163 1，平均值為-0.137；右前導(dǎo)向輪脫軌系數(shù)絕對(duì)值最大值為1.165，平均值為0.135 2；左后導(dǎo)向輪脫軌系數(shù)絕對(duì)值最大值為-0.275，平均值為-0.137 9；右后導(dǎo)向輪脫軌系數(shù)絕對(duì)值最大值為0.327 3，平均值為0.137 4；剛起動(dòng)時(shí)，前導(dǎo)向輪脫軌系數(shù)比后導(dǎo)向輪大，脫軌系數(shù)最大值為1.165。

與無(wú)牽引作業(yè)起步工況相比，各導(dǎo)向輪的脫軌系數(shù)都增加了，說(shuō)明牽引作業(yè)工況下，公鐵兩用牽引車導(dǎo)向輪的受力情況較無(wú)牽引工況下受力情況惡劣，實(shí)際使用中公鐵兩用牽引車自身鐵路機(jī)動(dòng)速度要比牽引作業(yè)行駛速度高很多。牽引作業(yè)工況下各導(dǎo)向輪的脫軌系數(shù)符合GB/T 17426-1998《鐵道特種車輛和軌行機(jī)械動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定及試驗(yàn)方法》的安全性限值。仿真結(jié)果表明，設(shè)計(jì)方案中公鐵兩用牽引車在鐵路牽引作業(yè)工況下能安全可靠行駛。

5 結(jié)語(yǔ)

本文建立了公鐵兩用牽引車導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，分析了公鐵兩用牽引車在無(wú)牽引作業(yè)起步工況和牽引作業(yè)起步工況下的導(dǎo)向輪受到的垂向力和橫向力，各導(dǎo)向輪受力變化情況符合實(shí)際情況，并得到了各導(dǎo)向輪在兩種工況下的脫軌系數(shù)，且最大脫軌系數(shù)小于GB/T 17426-1998《鐵道特種車輛和軌行機(jī)械動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定及試驗(yàn)方法》規(guī)定脫軌系數(shù)的安全限值，兩種工況下公鐵兩用牽引車均能夠安全穩(wěn)定行駛，驗(yàn)證了方案設(shè)計(jì)的正確性。

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作者簡(jiǎn)介：

李紅勛，男，1981年生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樘胤N車輛設(shè)計(jì)仿真與試驗(yàn)。