地鐵用公鐵兩用車輛鐵路走行裝置設(shè)計(jì)與研究

張寧

（中鐵寶橋集團(tuán)有限公司，陜西 寶雞721006）

0 引言

近年來隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化步伐的不斷加快，地鐵作為一種快速、環(huán)保、舒適、客運(yùn)能力大的城市交通工具，在我國取得了長(zhǎng)足發(fā)展。截至2020年初，國內(nèi)已開通地鐵總里程近6500 km，預(yù)計(jì)2020年底全國將有近60座城市開通運(yùn)營線路8000 km左右。

隨著地鐵線路的不斷增長(zhǎng)，地鐵消防救援、線路清掃維護(hù)等工作成為運(yùn)營單位必須考慮的問題。對(duì)具有公鐵兩用功能車輛的應(yīng)用需求也越來越廣。本文將對(duì)公鐵兩用功能車的鐵路走行裝置進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)出一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、改裝容易、操作方便、可靠性高的鐵路走行裝置。

1 背景技術(shù)

目前常用的公鐵兩用車輛包括兩用牽引車、救援搶險(xiǎn)車、軌道清潔車、高架檢修車等。在國外，德、日、澳等國在研發(fā)和使用公鐵兩用車上，技術(shù)不斷進(jìn)步，使用范圍包括基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和維修、隧道消防、特種運(yùn)輸裝備等領(lǐng)域。國內(nèi)以上海交通大學(xué)、西南交通大學(xué)為代表的高校和科研機(jī)構(gòu)也對(duì)公鐵兩用車的驅(qū)動(dòng)、控制、轉(zhuǎn)向架等做了系統(tǒng)的研究。

目前公鐵兩用車輛在軌道上的驅(qū)動(dòng)模式可分為兩種：一種是導(dǎo)輪模式，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但橡膠輪胎磨損嚴(yán)重，轉(zhuǎn)彎性能差；另一種是分動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，在公鐵兩用車入軌的時(shí)候，利用升降裝置將轉(zhuǎn)向架落下使輪對(duì)與軌道接觸，使用獨(dú)立的軌道走行裝置，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但是轉(zhuǎn)彎性能好，穩(wěn)定性較強(qiáng)。

2 技術(shù)要求

公鐵兩用車輛鐵路走行裝置應(yīng)滿足以下要求：

1）自主完成公鐵兩種走行模式的切換。公路行駛時(shí)，將前支撐輪、后轉(zhuǎn)向架提升并鎖定。車輛通過公路機(jī)動(dòng)到平交道口或地鐵車輛段等處，對(duì)準(zhǔn)軌道后，前、后輪軸將整個(gè)車輛抬起并支撐在軌道上，完成軌道行駛切換。

2）滿足普通重型車輛底盤改裝空間限制。由于汽車底盤下部布置有消音器、儲(chǔ)氣筒、電瓶等零部件，同時(shí)公鐵車要滿足公路和鐵路限界，對(duì)轉(zhuǎn)向架收起時(shí)的離地高度和轉(zhuǎn)向架將汽車撐起時(shí)汽車輪離地高度都有要求，在滿足汽車底盤改裝空間和轉(zhuǎn)向架升降行程的前提下，減少提升裝置和轉(zhuǎn)向架的尺寸。

3）符合鐵路行駛性能。轉(zhuǎn)向架應(yīng)實(shí)現(xiàn)公鐵車的鐵路走行功能，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、動(dòng)力學(xué)性能應(yīng)滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3 總體方案

本文所述方案采用分動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模式，以普通重型車輛底盤為對(duì)象，設(shè)計(jì)了一整套改裝方案，經(jīng)過計(jì)算分析和樣車實(shí)踐檢驗(yàn)，可自主完成公鐵兩種走行模式的切換，符合鐵路行駛性能要求，現(xiàn)將方案整體作以介紹。

3.1 整體布置

公鐵兩用車輛鐵路走行裝置主要包括前隨動(dòng)轉(zhuǎn)向架及液壓升降裝置和后驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向架及液壓升降裝置。前隨動(dòng)轉(zhuǎn)向架主要有前隨動(dòng)輪軸機(jī)構(gòu)、輪軌切換液壓缸偏擺升降機(jī)構(gòu)等；后驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向架主要有動(dòng)力轉(zhuǎn)向架、輪軌切換液壓升降系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等。

所有軌行裝置通過副車架與車輛連接，盡量減少原車輛底盤的改動(dòng)。整車結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

圖1 公鐵兩用車輛鐵路走行裝置結(jié)構(gòu)圖

3.2 主要技術(shù)參數(shù)

公鐵兩用車輛鐵路走行裝置主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 從動(dòng)轉(zhuǎn)向架及提升裝置

4.1.1 原理設(shè)計(jì)

固定架、擺動(dòng)上支架、上連桿、下連桿組成四連桿機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)原理如圖2所示。鐵路模式時(shí)，液壓缸D點(diǎn)伸出，通過上連桿BD和下連桿ED，使擺動(dòng)下支架CEF處于豎直狀態(tài)。公路模式時(shí)，油缸D點(diǎn)回收，帶動(dòng)上連桿BD繞B點(diǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，通過下連桿ED帶動(dòng)下支架CEF繞C點(diǎn)旋轉(zhuǎn)使走行輪F 點(diǎn) 至 升 起 位F′（虛線部分），使下支架CE′F′處于收回狀態(tài)。

4.1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

前從動(dòng)轉(zhuǎn)向架主要起支撐整車質(zhì)量在軌道上行走的功能。由輪對(duì)、固定架、擺動(dòng)上支架、擺動(dòng)下支架、液壓油缸等組成,如圖3所示。固定架通過螺栓與車輛車架和副車架連接，擺動(dòng)上支架、油缸、連桿等部件通過銷軸與固定架連接，液壓油缸伸縮驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)前從動(dòng)轉(zhuǎn)向架的擺動(dòng)升降。

表1 公鐵兩用車輛鐵路走行裝置主要技術(shù)參數(shù)

圖2 從動(dòng)轉(zhuǎn)向架提升裝置原理圖

圖3 從動(dòng)轉(zhuǎn)向架及提升裝置結(jié)構(gòu)圖

4.2 驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向架及提升回轉(zhuǎn)裝置

4.2.1 原理設(shè)計(jì)

油缸A點(diǎn)與翻轉(zhuǎn)支架B點(diǎn)與副車架鉸接組成連桿機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)原理如圖4所示。鐵路模式時(shí)，液壓缸C點(diǎn)伸出，使翻轉(zhuǎn)支架BD處于豎直狀態(tài)。公路模式時(shí)，油缸回收C點(diǎn)收縮至C′位置，帶動(dòng)翻轉(zhuǎn)支架逆時(shí)針繞C點(diǎn)旋轉(zhuǎn)使走行輪D點(diǎn)至升起位D′（虛線部分），使翻轉(zhuǎn)支架BD′處于水平收回狀態(tài)。

圖4 驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向架伸縮裝置原理圖

4.2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向架由構(gòu)架、輪對(duì)、液壓走行馬達(dá)組成，回轉(zhuǎn)伸縮裝置由回轉(zhuǎn)支撐、翻轉(zhuǎn)支架、液壓回轉(zhuǎn)馬達(dá)、連接座、液壓油缸組成,如圖5所示。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架是由板材焊接的箱型結(jié)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向架有兩組輪對(duì)，輪對(duì)采用常規(guī)貨用車輛軸箱結(jié)構(gòu)，軸箱通過減震彈簧和連接銷與轉(zhuǎn)向架構(gòu)架連接。轉(zhuǎn)向架和連接座之間采用回轉(zhuǎn)支撐，回轉(zhuǎn)馬達(dá)通過齒輪驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)支撐實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架回轉(zhuǎn)，便于整車從不同角度入軌。整個(gè)轉(zhuǎn)向架的起落，通過油缸伸縮驅(qū)動(dòng)翻轉(zhuǎn)支架翻轉(zhuǎn)，帶動(dòng)后轉(zhuǎn)向架升降，實(shí)現(xiàn)汽車輪胎與鐵路輪對(duì)的相互切換。

4.3 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)基本分為3部分：1）閉式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；2）液壓油散熱系統(tǒng)；3）開式驅(qū)動(dòng)部分。

閉式驅(qū)動(dòng)部分包括柱塞泵、徑向柱塞馬達(dá)、沖洗閥和液控閥組等，柱塞泵排量采用電比例控制，通過控制發(fā)動(dòng)機(jī)的油門和變量泵的排量，改變車輛的運(yùn)行方向、速度和牽引力的大小，適應(yīng)各種工況。通過減小柱塞泵排量可實(shí)現(xiàn)車輛制動(dòng)，同時(shí)走行馬達(dá)上配有盤式儲(chǔ)能制動(dòng)器，用于緊急制動(dòng)和駐車制動(dòng)。驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向架前后驅(qū)動(dòng)軸上兩組馬達(dá)之間通過流量分配閥分配流量，避免一個(gè)輪對(duì)打滑時(shí)整車無法運(yùn)行。馬達(dá)設(shè)置自由輪功能時(shí)，所有馬達(dá)解除制動(dòng)后可以被動(dòng)拖行。

液壓油散熱部分采用自動(dòng)控制，在液壓油散熱器上設(shè)置溫控開關(guān)，流經(jīng)散熱器的液壓油溫達(dá)到設(shè)置溫度后溫控開關(guān)工作接通相應(yīng)的電磁閥，驅(qū)動(dòng)散熱器風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)流經(jīng)散熱器的液壓油進(jìn)行強(qiáng)制散熱。

圖5 驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向架及回轉(zhuǎn)伸縮裝置結(jié)構(gòu)圖

開式油缸驅(qū)動(dòng)部分由與柱塞泵串聯(lián)的齒輪泵驅(qū)動(dòng)，額定壓力為25 MPa，通過電磁閥控制前轉(zhuǎn)向架伸縮油缸、后轉(zhuǎn)向架伸縮油缸、后轉(zhuǎn)向架回轉(zhuǎn)馬達(dá)的動(dòng)作。

5 力學(xué)性能分析

5.1 主要結(jié)構(gòu)件受力計(jì)算

轉(zhuǎn)向架等主要結(jié)構(gòu)件采用Q345B鋼焊接而成，在鐵路運(yùn)行時(shí)傳遞、承載著車輛的垂向、橫向及縱向載荷，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度至關(guān)重要，因此需校核主要構(gòu)架在極限工況下的強(qiáng)度。

經(jīng)分析，車輛在彎道緊急制動(dòng)時(shí)整個(gè)結(jié)構(gòu)受力最大，受力計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 主要結(jié)構(gòu)件應(yīng)力圖

按照TB/T 1335-1996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及鑒定規(guī)范》要求，Q345B鋼材料許用應(yīng)力為216 MPa。前固定架與下擺動(dòng)支架最大應(yīng)力分別為138.03 MPa和30.1 MPa，后轉(zhuǎn)向架構(gòu)架最大應(yīng)力為175.45 MPa，滿足強(qiáng)度要求。

5.2 動(dòng)力學(xué)計(jì)算

運(yùn)行穩(wěn)定性主要是對(duì)車輛通過直線及圓曲線工況時(shí)的脫軌系數(shù)、輪重減載率和輪軸橫向力進(jìn)行校核，以確保運(yùn)行安全。

利用多體動(dòng)力學(xué)軟件建立仿真模型并對(duì)動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)合動(dòng)力學(xué)相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析。

根據(jù)公鐵兩用車設(shè)計(jì)要求，車輛在鐵路模式下的最高運(yùn)行速度,在空載、滿載質(zhì)量工況下。依據(jù)GB 5599—2019《鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》，按照R250 m小半徑曲線路況進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表2所示。

表2 軌行狀態(tài)多體動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果

根據(jù)GB 5599—2019《鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》，機(jī)車在40 km/h的最高試驗(yàn)速度下，脫軌系數(shù)許用值≤0.9，輪重減載率第二限度許用值≤0.65，輪軸橫向力許用值H≤15+P0/3=37.5，其中P0為凈軸重。根據(jù)表2所示的動(dòng)力學(xué)性能分析結(jié)果，公鐵兩用走行裝置的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。該裝置實(shí)物照片如圖7所示。

圖7 公鐵兩用鐵路走行裝置應(yīng)用

6 結(jié)語

通過對(duì)公鐵兩用車輛鐵路走行裝置的研究，提出了一種基于普通車輛底盤改裝的公鐵兩用走行裝置。目前該裝置已應(yīng)用于國內(nèi)某型公鐵兩用消防車，經(jīng)線路測(cè)試，所有性能均滿足設(shè)計(jì)需求。隨著國內(nèi)地鐵、輕軌等軌道線路的增加，可利用該鐵路走行裝置實(shí)現(xiàn)各類公路工程車公鐵兩用改裝，減少鐵路專用公車車輛開發(fā)的難度，對(duì)公鐵兩用車輛的研發(fā)及功能拓展具有一定的借鑒和參考意義。