公鐵兩用牽引車導向機構多體系統動力學仿真分析

摘要：建立了公鐵兩用牽引車導向機構的多體系統動力學模型；仿真分析了公鐵兩用牽引車在無牽引作業起步工況和牽引作業起步工況下導向輪的受力情況及各輪的脫軌系數，仿真結果表明，鐵路工況下公鐵兩用牽引車能夠安全行駛。通過仿真驗證了設計方案，研究結論可為公鐵兩用牽引車的進一步研發提供參考。

關鍵詞：公鐵兩用牽引車；導向機構；動力學仿真

中圖分類號：U469.5 收稿日期：2023-04-20

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.10.010

1 前言

導向機構作為公鐵兩用牽引車鐵路行走系統的重要組成部分[1]，與鐵路行駛時的運行穩定性直接相關，對導向機構動力學性能進行分析研究具有重要意義。本文應用三維實體建模軟件SolidWorks建立了公鐵兩用牽引車導向機構的三維模型，在多體系統動力學軟件ADAMS中建立導向機構的動力學模型，分析了公鐵兩用牽引車起步工況下導向機構導向輪與鋼軌之間的作用力和導向輪的脫軌系數，研究了其鐵路行駛的安全性。

2 實體模型的建立

根據設計方案，在充分考慮模型與物理樣機的契合程度的基礎上，經過適當簡化，使用SolidWorks軟件建立導向機構導向輪、60 kg/m鋼軌、車橋和車架的實體模型，如圖1和圖2所示，實體模型裝配如圖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定性和平順性的懸架裝置鎖止，使車架和導向機構處于剛性連接狀態，鐵路行駛時依靠導向輪和鋼軌之間的相互作用力實現轉向，本文主要分析公鐵兩用牽引車在鐵路行駛時的特性，因此建模時不考慮車輛懸架和轉向機構。

3 導向機構及車架動力學模型的建立

把實體模型導入ADAMS/View環境中，進行適當修改，將車架及車架上的負載簡化為質心位置上的集中質量，然后通過賦予材料、添加約束和載荷等，得到導向機構的動力學模型[3]，如圖4所示。公鐵兩用牽引車鐵路行駛時通過輪胎與鋼軌之間的相互作用提供驅動力和牽引力。在鐵路行駛工況下，整個車身即使在大曲率線路上行駛（目前我國鐵路的最小曲線半徑至少為145 m），輪胎的側傾非常小，因為導向輪對對整個車身橫向運動的限制，可認為輪胎的縱向滑移和橫向滑移是相對獨立的，在ADAMS中采用Fiala輪胎模型作為公鐵兩用牽引車輪胎的動力學模型。

4 動力學仿真及結果分析

公鐵兩用牽引車經公鐵轉換裝置實現公路和鐵路兩種行駛模式的轉化[1]，轉換為鐵路行駛模式后，導向機構的導向輪對與鋼軌準確配合，通過調節導向機構油缸的油壓，調整導向機構導向油缸的活塞桿的伸出長度，進而調整導向輪對與鋼軌之間的垂向壓力。根據設計要求，公鐵兩用牽引車鐵路牽引作業的速度不低于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變化過程，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）階躍函數對質心添加運動，模擬公鐵兩用牽引車直線起步工況的加速過程。

區分無牽引作業起步和牽引作業起步兩種工況仿真研究啟動工況下導向輪的受力和脫軌系數。無牽引行駛用于公鐵兩用牽引車自身的鐵路機動。

4.1 輪軌作用力分析

仿真歷程30 s，在仿真過程中，通過對接觸建立測量函數得到了輪軌之間的橫向力（Y向）和垂向力（Z向）。

4.1.1 無牽引作業起步工況

仿真可得無牽引作業起步工況各導向輪受力情況，結果如圖5～圖8所示。

由仿真結果可知，各導向輪的垂向力和橫向力都經歷了一個輕微震蕩階段，之后趨于穩定在一個常值，這是因為添加的輪胎模型與軌面之間、導向輪與鋼軌之間的位置關系有一個短暫的調整過程，且仿真的前21 s為加速階段，各導向輪與鋼軌之間的相互作用力在不斷調整變化。其中左前導向輪垂向力均值為18 904 N，橫向力均值為-2 903 N；右前導向輪垂向力均值為186 96 N，橫向力均值為2 899 N；左后導向輪垂向力均值為24 107 N，橫向力均值為-3 430 N；右后導向輪垂向力均值24 357 N，橫向力均值為3 429 N。前左右導向輪的橫向力和垂向力相差不大，后左右導向輪的橫向力和垂向力相差也不大，前導向輪垂向力比后導向輪垂向力小，符合公鐵兩用牽引車質量分布靠近后橋和后導向機構的特點，各導向輪所受的橫向力比較小，且無明顯變化。

4.1.2 牽引作業起步工況

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

牽引作業行駛起步工況下，左前導向輪垂向力均值為17 279 N，橫向力均值為-2 837 N；右前導向輪垂向力均值為17 275 N，橫向力均值為2 834 N；左后導向輪垂向力均值為25 322 N，橫向力均值為-3 526 N；右后導向輪垂向力均值25 064 N，橫向力均值為3 520 N。牽引作業時，隨著牽引力的增加，前導向輪有仰起的趨勢，與無牽引作業起步工況相比，前導向輪的垂向力減小了8.6%，后導向輪的垂向力增加了3.96%，前導向輪的橫向力減小了2.05%，后導向輪的橫向力增大了2.65%。各導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向機構設計方案合理，在鐵路上行駛時，穩定性好。

4.2 脫軌系數分析

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

4.2.1 無牽引作業起步工況

無牽引作業起步工況各導向輪的脫軌系數如圖13～圖16所示。

從圖中可以看出，四個導向輪脫軌系數經過加速階段（21 s）后趨于穩定，左前導向輪脫軌系數絕對值最大值為-1.159 8，平均值為-0.149 8；右前導向輪脫軌系數絕對值最大值為1.148 4，平均值為0.143 1；左后導向輪脫軌系數絕對值最大值為-1.127 9，平均值為-0.133；左前導向輪脫軌系數絕對值最大值為1.126 6，平均值為0.134 3。導向輪與鋼軌的接觸有一個短暫的調整過程，在開始的2 s內各導向輪的脫軌系數出現了一個峰值，但小于GB/T 17426-1998《鐵道特種車輛和軌行機械動力學性能評定及試驗方法》中第一限度橫向力和垂向力的比值≤1.2的要求，加速階段結束后各導向輪的脫軌系數穩定于一個常值，遠遠小于GB/T 17426-1998脫軌系數第二限度橫向力和垂向力的比值≤1.0的要求。

4.2.2 牽引作業起步工況

牽引作業起步工況下各導向輪的脫軌系數如圖17～圖20所示。

牽引作業起步工況下，四個導向輪脫軌系數在加速階段后趨于穩定于一個常值，左前導向輪脫軌系數絕對值最大值為-1.163 1，平均值為-0.137；右前導向輪脫軌系數絕對值最大值為1.165，平均值為0.135 2；左后導向輪脫軌系數絕對值最大值為-0.275，平均值為-0.137 9；右后導向輪脫軌系數絕對值最大值為0.327 3，平均值為0.137 4；剛起動時，前導向輪脫軌系數比后導向輪大，脫軌系數最大值為1.165。

與無牽引作業起步工況相比，各導向輪的脫軌系數都增加了，說明牽引作業工況下，公鐵兩用牽引車導向輪的受力情況較無牽引工況下受力情況惡劣，實際使用中公鐵兩用牽引車自身鐵路機動速度要比牽引作業行駛速度高很多。牽引作業工況下各導向輪的脫軌系數符合GB/T 17426-1998《鐵道特種車輛和軌行機械動力學性能評定及試驗方法》的安全性限值。仿真結果表明，設計方案中公鐵兩用牽引車在鐵路牽引作業工況下能安全可靠行駛。

5 結語

本文建立了公鐵兩用牽引車導向機構的多體系統動力學模型，分析了公鐵兩用牽引車在無牽引作業起步工況和牽引作業起步工況下的導向輪受到的垂向力和橫向力，各導向輪受力變化情況符合實際情況，并得到了各導向輪在兩種工況下的脫軌系數，且最大脫軌系數小于GB/T 17426-1998《鐵道特種車輛和軌行機械動力學性能評定及試驗方法》規定脫軌系數的安全限值，兩種工況下公鐵兩用牽引車均能夠安全穩定行駛，驗證了方案設計的正確性。

參考文獻：

[1]李紅勛，賈楠，孟千惠.某公鐵轉換裝置的模態仿真研究[J].專用汽車，2015（5）：94-97.

[2]陳超祥，葉修梓.SolidWorks高級教程簡編[M].北京：機械工業出版社，2010.

[3]李增剛.ADAMS入門詳解與實例[M].北京：國防工業出版社，2007.

[4]嚴雋耄.車輛工程[M].2版.北京：中國鐵道出版社，2003.

[5]GB/T 17426-1998 鐵道特種車輛和軌行機械動力學性能評定及試驗方法[S].

作者簡介：

李紅勛，男，1981年生，高級工程師，研究方向為特種車輛設計仿真與試驗。