公铁两用牵引车导向装置设计及稳定性分析

公铁两用牵引车是一种既能通过公路进行机动转场,又能像铁路机车一样在铁路上进行牵引作业的特种车辆。在电力、港口、物流、煤炭、钢铁及小型货场等具备铁路专用线的单位配备公铁两用牵引车，可大幅度提高调车的灵活性，减少调车作业时间，降低货车延时使用费。

GT3900型公铁两用牵引车是在5 t级轮式装载机底盘基础上开发的，属于目前国内市场上常见的公铁两用牵引车，在进行铁路牵引作业时，由胶轮承担支撑作用,公铁两用牵引车在轨道上行驶时的牵引力来自驱动轮的橡胶轮胎与钢轨的摩擦力，导向轮的轮缘提供公铁两用牵引车在轨道上运行的导向力。因此，设计合理的导向装置并进行准确的导向力计算分析是GT3900型公铁两用牵引车设计的重要内容，是保证公铁两用牵引车铁路牵引作业安全的重要保障。

1、导向装置设计
1.1导向轮
铁路弯道示意如图1所示，公铁两用牵引车通过铁路弯道时的运动，可以看做是水平面内的圆周运动，外侧导向轮通过的距离要大于内侧导向轮通过的距离。



铁路机车车辆车轮用轮缘踏面外形对机车的曲线通过性能及直线段临界速度有着直接影响，经历了圆柱形踏面、锥形踏面与磨耗型踏面三个发展阶段，如图2所示。圆柱形踏面左右滚动圆半径相同，直线段临界速度高;锥形踏面左右滚动圆半径差大,曲线性能好;磨耗型踏面能够做到兼具良好的曲线通过性能和直线段临界速度，目前得到了广泛的使用。




在直线轨道上运行时，如图3所示，踏面斜度可以保证公铁两用牵引车的自动调中功能，如果轮对偏离其在线路上的中心位置，轮对在滚动过程中，两导向轮滚动半径之差将使轮对向恢复其中心位置的方向运动，自动纠正偏离位置。




如图4所示，公铁两用牵引车在曲线上行驶时，由于离心力的作用，轮对会偏向外轨，由于在外轨一侧上滚动的车轮与钢轨接触的部分滚动半径较大，而沿内轨滚动的车轮与钢轨接触的部分滚动半径较小，使滚动中的轮对沿外轨行走的路程长,沿内轨行走的路程短,正好和曲线段外轨长、内轨短的情况相适应，以使车轮在钢轨上尽量少滑行地顺利通过弯道，有效保证了公铁两用牵引车右转弯图4曲线行驶示意图的曲线通过性能。铁道行业标准TB/T 449—2003《机车车辆车轮轮缘踏面外形》详细规定了铁路车辆车轮用轮缘踏面外形的类型与轮廓尺寸,GT3900型公铁两用牵引车导向轮轮缘踏面外形设计按照该标准执行，为整车的铁路行驶性能打下了良好基础。



1.2导向装置结构与控制
为满足公铁两用牵引车两种不同牵引工况需求，导向装置结构主要包含两大部分：升降装置和导向压紧装置。当公铁两用牵引车在公路和铁路两种不同作业工况切换的时候，升降装置要能够实现在较短时间内完成导向轮的升降动作。导向压紧装置可以在公铁两用牵引车在铁轨上进行牵引作业时，保证导向轮始终压紧钢轨，提供足够的垂直导向力，避免出现脱轨现象。

GT3900型公铁两用牵引车以5 t级轮式装载机为原型，与铁轨行驶工况相结合，优化设计了导向装置。导向装置具体结构如图5所示，导向轮轮对轴安装在导向板上,导向板可以在滑道中上下自由移动（通过控制升降液压缸实现导向轮的提升和下降动作）。通过设计计算，选定合理的升降液压缸缸径和系统流量，以在很短的时间内完成导向轮的升降，节省公铁两用牵引车上下轨道时间，提高作业效率。



导向压紧装置利用弹簧提供预压力，当公铁两用牵引车在铁轨上运行时，导向轮踏面与铁轨处于压紧状态，这样可以保证垂直导向力始终由弹簧提供,且大于预紧力。导向装置采用液压控制,液压原理如图6所示。铁路运行工况时，公铁两用牵引车导向轮对准铁轨后,拨动多路换向阀控制手柄a、b,液压油经多路阀至前后导向轮支撑液压缸无杆腔,导向装置降落，钢轮和铁轨踏面有效接触,双向液压锁锁死升降液压缸，确保导向装置始终能够提供足够导向力。同时拨动多路换向阀控制手柄c,液压油经多路换向阀至转向锁止液压缸无杆腔，推动转向锁止板动作，前后车架刚性连接，由导向装置带动公铁两用牵引车完成转向动作。



2、运行稳定性分析
2.1导向力计算
GT3900型公铁两用牵引车釆用前后四轮驱动,驱动胶轮与导向轮之间不可避免的会出现角度误差，运行情况如图7所示。此时,牵引力方向与导向轮前进方向出现夹角，公铁两用牵引车与铁轨间就会有横向力幵产生：



式中:〃为公铁两用牵引车牵引力，取〃=170kN; a为驱动胶轮与导向轮之间方向误差角，受加工、装配及其他因素影响，本次设计计算时取a=3。

当公铁两用牵引车在铁轨上牵引货车通过最小半径弯道时,受力情况如图8所示,此时公铁两用牵引车受到被牵引货车拉力7\可以分解出一个横向力Ft-



式中:丁为被牵引货车拉力，即牵引货车时的运行阻力;0为公铁两用牵引车与货车之间的牵引角。

式中:m为被牵引货车质量，根据设计要求m=3 900 000kg;a"。为货车运行单位基本阻力，根据TB/T 1407—1998《列车牵引计算规程》中2.3条规定，对于滚动轴承货车（重车）,3"。取 0.98 N/kNo 式中:L为导向轮轴距,Z=5 380 mm;H为被牵引货车轮轴距，通用70 t级货车取H=9 210 nun ;凡„为铁路轨道最小通过半径，按设计要求取R窗=90 m。

通常情况下认为，公铁两用牵引车最容易脱轨的工况出现在通过铁道最小弯曲半径时，此时所需的横向导向力最大，整体受力情况如图9所示。公铁两用牵引车通过铁轨所需最小横向导向力为前后轮对中的较大值，即：



式中:F"为公铁两用牵引车通过铁轨所需最小横向导向力;為为前导向轮对所受横向导向力;甩为后导向轮对所受横向导向力。

分别对公铁两用牵引车导向轮中心点人、b进行力矩平衡计算,得到：上述式中:a为导向轮轴与驱动胶轮轴间距,a=l 040 mm;b为导向轮轴与牵引钩间距,6=1 197 mm。则所需最小横向导向力为：Fz）=max（ | 坊J , | 呪 | ）=5.2 kN

2.2稳定性分析
爬轨脱轨是最常见的脱轨故障,即横向力使车轮轮缘在横向不断逼近钢轨，导致车轮轮缘滚上轨肩发生脱轨。爬轨脱轨时，车轮轮缘与钢轨的接触受力如图10所示。



此时，车轮承受来自铁轨的压力N与摩擦力办，它们的合力F又可以分解成垂直方向上的支撑力P和水平方向上的侧向力Q,由此可以计算出：Q=Ns\n B~fycos /3 (10)P=Ncos P+f/fiin P (11)式中:0为接触面与水平面夹角，标准车轮踏面最大为60。；Q为横向导向力，即Q=Fd=5.2 kN;P为垂直导向力叭为轮缘与导轨摩擦力。脱轨系数是判定车轮轮缘在横向力作用下是否会逐渐爬上轨头而脱轨的重要指标，它是侧向力Q和垂直力P的比值：Q_ _ NsinP-/^cosj8 (〔 2 )P Ncos B+f曲n &根据GB/T 17426—1998《铁道特种车辆和轨行机械动力学性能评定及试验方法》中3.2条运行稳定性的规定，横向力作用时间应大于0.05 s,评定车辆运行安全的合格标准为：

2.3试验验证
GT3900型公铁两用牵引车在某单位铁路轨道上进行了充分的实际测试，测试现场如图11所示，其牵引工况表现优异,各项参数满足设计要求，导向装置设计及稳定性分析为公铁牵引车的安全性能评判提供了有力的理论依据。



3、结束语
基于5 t级轮式装载机底盘开发的GT3900型公铁两用牵引车，采用在装载机上应用多年的传动系统,相较于传统电动公铁两用牵引车，具有技术成熟及牵引力大的特点。同时针对胶轮驱动公铁两用车存在的脱轨问题，进行了充分的理论分析与计算，有效地提高了公铁两用牵引车的铁路工况牵引稳定性。

参考文献
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