公铁两用牵引车导向机构多体系统动力学仿真分析

摘要：建立了公铁两用牵引车导向机构的多体系统动力学模型；仿真分析了公铁两用牵引车在无牵引作业起步工况和牵引作业起步工况下导向轮的受力情况及各轮的脱轨系数，仿真结果表明，铁路工况下公铁两用牵引车能够安全行驶。通过仿真验证了设计方案，研究结论可为公铁两用牵引车的进一步研发提供参考。

关键词：公铁两用牵引车；导向机构；动力学仿真

中图分类号：U469.5 收稿日期：2023-04-20

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.10.010

1 前言

导向机构作为公铁两用牵引车铁路行走系统的重要组成部分[1]，与铁路行驶时的运行稳定性直接相关，对导向机构动力学性能进行分析研究具有重要意义。本文应用三维实体建模软件SolidWorks建立了公铁两用牵引车导向机构的三维模型，在多体系统动力学软件ADAMS中建立导向机构的动力学模型，分析了公铁两用牵引车起步工况下导向机构导向轮与钢轨之间的作用力和导向轮的脱轨系数，研究了其铁路行驶的安全性。

2 实体模型的建立

根据设计方案，在充分考虑模型与物理样机的契合程度的基础上，经过适当简化，使用SolidWorks软件建立导向机构导向轮、60 kg/m钢轨、车桥和车架的实体模型，如图1和图2所示，实体模型装配如图3所示[2]。在铁路行驶工况下，将公铁两用牵引车用于保证公路行驶操作稳定性和平顺性的悬架装置锁止，使车架和导向机构处于刚性连接状态，铁路行驶时依靠导向轮和钢轨之间的相互作用力实现转向，本文主要分析公铁两用牵引车在铁路行驶时的特性，因此建模时不考虑车辆悬架和转向机构。

3 导向机构及车架动力学模型的建立

把实体模型导入ADAMS/View环境中，进行适当修改，将车架及车架上的负载简化为质心位置上的集中质量，然后通过赋予材料、添加约束和载荷等，得到导向机构的动力学模型[3]，如图4所示。公铁两用牵引车铁路行驶时通过轮胎与钢轨之间的相互作用提供驱动力和牵引力。在铁路行驶工况下，整个车身即使在大曲率线路上行驶（目前我国铁路的最小曲线半径至少为145 m），轮胎的侧倾非常小，因为导向轮对对整个车身横向运动的限制，可认为轮胎的纵向滑移和横向滑移是相对独立的，在ADAMS中采用Fiala轮胎模型作为公铁两用牵引车轮胎的动力学模型。

4 动力学仿真及结果分析

公铁两用牵引车经公铁转换装置实现公路和铁路两种行驶模式的转化[1]，转换为铁路行驶模式后，导向机构的导向轮对与钢轨准确配合，通过调节导向机构油缸的油压，调整导向机构导向油缸的活塞杆的伸出长度，进而调整导向轮对与钢轨之间的垂向压力。根据设计要求，公铁两用牵引车铁路牵引作业的速度不低于10 km/h，铁路行驶起步工况下，公铁两用牵引车的速度有一个变化过程，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）阶跃函数对质心添加运动，模拟公铁两用牵引车直线起步工况的加速过程。

区分无牵引作业起步和牵引作业起步两种工况仿真研究启动工况下导向轮的受力和脱轨系数。无牵引行驶用于公铁两用牵引车自身的铁路机动。

4.1 轮轨作用力分析

仿真历程30 s，在仿真过程中，通过对接触建立测量函数得到了轮轨之间的横向力（Y向）和垂向力（Z向）。

4.1.1 无牵引作业起步工况

仿真可得无牵引作业起步工况各导向轮受力情况，结果如图5～图8所示。

由仿真结果可知，各导向轮的垂向力和横向力都经历了一个轻微震荡阶段，之后趋于稳定在一个常值，这是因为添加的轮胎模型与轨面之间、导向轮与钢轨之间的位置关系有一个短暂的调整过程，且仿真的前21 s为加速阶段，各导向轮与钢轨之间的相互作用力在不断调整变化。其中左前导向轮垂向力均值为18 904 N，横向力均值为-2 903 N；右前导向轮垂向力均值为186 96 N，横向力均值为2 899 N；左后导向轮垂向力均值为24 107 N，横向力均值为-3 430 N；右后导向轮垂向力均值24 357 N，横向力均值为3 429 N。前左右导向轮的横向力和垂向力相差不大，后左右导向轮的横向力和垂向力相差也不大，前导向轮垂向力比后导向轮垂向力小，符合公铁两用牵引车质量分布靠近后桥和后导向机构的特点，各导向轮所受的横向力比较小，且无明显变化。

4.1.2 牵引作业起步工况

仿真可得牵引作业起步工况各导向轮垂向力（Z向）和横向力（Y向），结果如图9～图12所示。

牵引作业行驶起步工况下，左前导向轮垂向力均值为17 279 N，横向力均值为-2 837 N；右前导向轮垂向力均值为17 275 N，横向力均值为2 834 N；左后导向轮垂向力均值为25 322 N，横向力均值为-3 526 N；右后导向轮垂向力均值25 064 N，横向力均值为3 520 N。牵引作业时，随着牵引力的增加，前导向轮有仰起的趋势，与无牵引作业起步工况相比，前导向轮的垂向力减小了8.6%，后导向轮的垂向力增加了3.96%，前导向轮的横向力减小了2.05%，后导向轮的横向力增大了2.65%。各导向轮垂向力和横向力变化不大，表明了该公铁两用牵引车导向机构设计方案合理，在铁路上行驶时，稳定性好。

4.2 脱轨系数分析

脱轨系数定义为作用在公铁两用牵引车导向轮上的横向力（Y向）和垂向力（Z向）的比值[4-5]。

4.2.1 无牵引作业起步工况

无牵引作业起步工况各导向轮的脱轨系数如图13～图16所示。

从图中可以看出，四个导向轮脱轨系数经过加速阶段（21 s）后趋于稳定，左前导向轮脱轨系数绝对值最大值为-1.159 8，平均值为-0.149 8；右前导向轮脱轨系数绝对值最大值为1.148 4，平均值为0.143 1；左后导向轮脱轨系数绝对值最大值为-1.127 9，平均值为-0.133；左前导向轮脱轨系数绝对值最大值为1.126 6，平均值为0.134 3。导向轮与钢轨的接触有一个短暂的调整过程，在开始的2 s内各导向轮的脱轨系数出现了一个峰值，但小于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》中第一限度横向力和垂向力的比值≤1.2的要求，加速阶段结束后各导向轮的脱轨系数稳定于一个常值，远远小于GB/T 17426-1998脱轨系数第二限度横向力和垂向力的比值≤1.0的要求。

4.2.2 牵引作业起步工况

牵引作业起步工况下各导向轮的脱轨系数如图17～图20所示。

牵引作业起步工况下，四个导向轮脱轨系数在加速阶段后趋于稳定于一个常值，左前导向轮脱轨系数绝对值最大值为-1.163 1，平均值为-0.137；右前导向轮脱轨系数绝对值最大值为1.165，平均值为0.135 2；左后导向轮脱轨系数绝对值最大值为-0.275，平均值为-0.137 9；右后导向轮脱轨系数绝对值最大值为0.327 3，平均值为0.137 4；刚起动时，前导向轮脱轨系数比后导向轮大，脱轨系数最大值为1.165。

与无牵引作业起步工况相比，各导向轮的脱轨系数都增加了，说明牵引作业工况下，公铁两用牵引车导向轮的受力情况较无牵引工况下受力情况恶劣，实际使用中公铁两用牵引车自身铁路机动速度要比牵引作业行驶速度高很多。牵引作业工况下各导向轮的脱轨系数符合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》的安全性限值。仿真结果表明，设计方案中公铁两用牵引车在铁路牵引作业工况下能安全可靠行驶。

5 结语

本文建立了公铁两用牵引车导向机构的多体系统动力学模型，分析了公铁两用牵引车在无牵引作业起步工况和牵引作业起步工况下的导向轮受到的垂向力和横向力，各导向轮受力变化情况符合实际情况，并得到了各导向轮在两种工况下的脱轨系数，且最大脱轨系数小于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》规定脱轨系数的安全限值，两种工况下公铁两用牵引车均能够安全稳定行驶，验证了方案设计的正确性。

参考文献：

[1]李红勋，贾楠，孟千惠.某公铁转换装置的模态仿真研究[J].专用汽车，2015（5）：94-97.

[2]陈超祥，叶修梓.SolidWorks高级教程简编[M].北京：机械工业出版社，2010.

[3]李增刚.ADAMS入门详解与实例[M].北京：国防工业出版社，2007.

[4]严隽耄.车辆工程[M].2版.北京：中国铁道出版社，2003.

[5]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[S].

作者简介：

李红勋，男，1981年生，高级工程师，研究方向为特种车辆设计仿真与试验。