公鐵兩用牽引車是一種既能通過公路進(jìn)行機(jī)動轉(zhuǎn)場,又能像鐵路機(jī)車一樣在鐵路上進(jìn)行牽引作業(yè)的特種車輛。在電力、港口、物流、煤炭、鋼鐵及小型貨場等具備鐵路專用線的單位配備公鐵兩用牽引車，可大幅度提高調(diào)車的靈活性，減少調(diào)車作業(yè)時間，降低貨車延時使用費。

GT3900型公鐵兩用牽引車是在5 t級輪式裝載機(jī)底盤基礎(chǔ)上開發(fā)的，屬于目前國內(nèi)市場上常見的公鐵兩用牽引車，在進(jìn)行鐵路牽引作業(yè)時，由膠輪承擔(dān)支撐作用,公鐵兩用牽引車在軌道上行駛時的牽引力來自驅(qū)動輪的橡膠輪胎與鋼軌的摩擦力，導(dǎo)向輪的輪緣提供公鐵兩用牽引車在軌道上運行的導(dǎo)向力。因此，設(shè)計合理的導(dǎo)向裝置并進(jìn)行準(zhǔn)確的導(dǎo)向力計算分析是GT3900型公鐵兩用牽引車設(shè)計的重要內(nèi)容，是保證公鐵兩用牽引車鐵路牽引作業(yè)安全的重要保障。

1、導(dǎo)向裝置設(shè)計
1.1導(dǎo)向輪
鐵路彎道示意如圖1所示，公鐵兩用牽引車通過鐵路彎道時的運動，可以看做是水平面內(nèi)的圓周運動，外側(cè)導(dǎo)向輪通過的距離要大于內(nèi)側(cè)導(dǎo)向輪通過的距離。



鐵路機(jī)車車輛車輪用輪緣踏面外形對機(jī)車的曲線通過性能及直線段臨界速度有著直接影響，經(jīng)歷了圓柱形踏面、錐形踏面與磨耗型踏面三個發(fā)展階段，如圖2所示。圓柱形踏面左右滾動圓半徑相同，直線段臨界速度高;錐形踏面左右滾動圓半徑差大,曲線性能好;磨耗型踏面能夠做到兼具良好的曲線通過性能和直線段臨界速度，目前得到了廣泛的使用。




在直線軌道上運行時，如圖3所示，踏面斜度可以保證公鐵兩用牽引車的自動調(diào)中功能，如果輪對偏離其在線路上的中心位置，輪對在滾動過程中，兩導(dǎo)向輪滾動半徑之差將使輪對向恢復(fù)其中心位置的方向運動，自動糾正偏離位置。




如圖4所示，公鐵兩用牽引車在曲線上行駛時，由于離心力的作用，輪對會偏向外軌，由于在外軌一側(cè)上滾動的車輪與鋼軌接觸的部分滾動半徑較大，而沿內(nèi)軌滾動的車輪與鋼軌接觸的部分滾動半徑較小，使?jié)L動中的輪對沿外軌行走的路程長,沿內(nèi)軌行走的路程短,正好和曲線段外軌長、內(nèi)軌短的情況相適應(yīng)，以使車輪在鋼軌上盡量少滑行地順利通過彎道，有效保證了公鐵兩用牽引車右轉(zhuǎn)彎圖4曲線行駛示意圖的曲線通過性能。鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 449—2003《機(jī)車車輛車輪輪緣踏面外形》詳細(xì)規(guī)定了鐵路車輛車輪用輪緣踏面外形的類型與輪廓尺寸,GT3900型公鐵兩用牽引車導(dǎo)向輪輪緣踏面外形設(shè)計按照該標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，為整車的鐵路行駛性能打下了良好基礎(chǔ)。



1.2導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)與控制
為滿足公鐵兩用牽引車兩種不同牽引工況需求，導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)主要包含兩大部分：升降裝置和導(dǎo)向壓緊裝置。當(dāng)公鐵兩用牽引車在公路和鐵路兩種不同作業(yè)工況切換的時候，升降裝置要能夠?qū)崿F(xiàn)在較短時間內(nèi)完成導(dǎo)向輪的升降動作。導(dǎo)向壓緊裝置可以在公鐵兩用牽引車在鐵軌上進(jìn)行牽引作業(yè)時，保證導(dǎo)向輪始終壓緊鋼軌，提供足夠的垂直導(dǎo)向力，避免出現(xiàn)脫軌現(xiàn)象。

GT3900型公鐵兩用牽引車以5 t級輪式裝載機(jī)為原型，與鐵軌行駛工況相結(jié)合，優(yōu)化設(shè)計了導(dǎo)向裝置。導(dǎo)向裝置具體結(jié)構(gòu)如圖5所示，導(dǎo)向輪輪對軸安裝在導(dǎo)向板上,導(dǎo)向板可以在滑道中上下自由移動（通過控制升降液壓缸實現(xiàn)導(dǎo)向輪的提升和下降動作）。通過設(shè)計計算，選定合理的升降液壓缸缸徑和系統(tǒng)流量，以在很短的時間內(nèi)完成導(dǎo)向輪的升降，節(jié)省公鐵兩用牽引車上下軌道時間，提高作業(yè)效率。



導(dǎo)向壓緊裝置利用彈簧提供預(yù)壓力，當(dāng)公鐵兩用牽引車在鐵軌上運行時，導(dǎo)向輪踏面與鐵軌處于壓緊狀態(tài)，這樣可以保證垂直導(dǎo)向力始終由彈簧提供,且大于預(yù)緊力。導(dǎo)向裝置采用液壓控制,液壓原理如圖6所示。鐵路運行工況時，公鐵兩用牽引車導(dǎo)向輪對準(zhǔn)鐵軌后,撥動多路換向閥控制手柄a、b,液壓油經(jīng)多路閥至前后導(dǎo)向輪支撐液壓缸無桿腔,導(dǎo)向裝置降落，鋼輪和鐵軌踏面有效接觸,雙向液壓鎖鎖死升降液壓缸，確保導(dǎo)向裝置始終能夠提供足夠?qū)蛄ΑＭ瑫r撥動多路換向閥控制手柄c,液壓油經(jīng)多路換向閥至轉(zhuǎn)向鎖止液壓缸無桿腔，推動轉(zhuǎn)向鎖止板動作，前后車架剛性連接，由導(dǎo)向裝置帶動公鐵兩用牽引車完成轉(zhuǎn)向動作。



2、運行穩(wěn)定性分析
2.1導(dǎo)向力計算
GT3900型公鐵兩用牽引車釆用前后四輪驅(qū)動,驅(qū)動膠輪與導(dǎo)向輪之間不可避免的會出現(xiàn)角度誤差，運行情況如圖7所示。此時,牽引力方向與導(dǎo)向輪前進(jìn)方向出現(xiàn)夾角，公鐵兩用牽引車與鐵軌間就會有橫向力幵產(chǎn)生：



式中:〃為公鐵兩用牽引車牽引力，取〃=170kN; a為驅(qū)動膠輪與導(dǎo)向輪之間方向誤差角，受加工、裝配及其他因素影響，本次設(shè)計計算時取a=3。

當(dāng)公鐵兩用牽引車在鐵軌上牽引貨車通過最小半徑彎道時,受力情況如圖8所示,此時公鐵兩用牽引車受到被牽引貨車?yán)?\可以分解出一個橫向力Ft-



式中:丁為被牽引貨車?yán)Γ礌恳涇嚂r的運行阻力;0為公鐵兩用牽引車與貨車之間的牽引角。

式中:m為被牽引貨車質(zhì)量，根據(jù)設(shè)計要求m=3 900 000kg;a"。為貨車運行單位基本阻力，根據(jù)TB/T 1407—1998《列車牽引計算規(guī)程》中2.3條規(guī)定，對于滾動軸承貨車（重車）,3"。取 0.98 N/kNo 式中:L為導(dǎo)向輪軸距,Z=5 380 mm;H為被牽引貨車輪軸距，通用70 t級貨車取H=9 210 nun ;凡„為鐵路軌道最小通過半徑，按設(shè)計要求取R窗=90 m。

通常情況下認(rèn)為，公鐵兩用牽引車最容易脫軌的工況出現(xiàn)在通過鐵道最小彎曲半徑時，此時所需的橫向?qū)蛄ψ畲螅w受力情況如圖9所示。公鐵兩用牽引車通過鐵軌所需最小橫向?qū)蛄榍昂筝唽χ械妮^大值，即：



式中:F"為公鐵兩用牽引車通過鐵軌所需最小橫向?qū)蛄?為為前導(dǎo)向輪對所受橫向?qū)蛄?甩為后導(dǎo)向輪對所受橫向?qū)蛄Α?br />
分別對公鐵兩用牽引車導(dǎo)向輪中心點人、b進(jìn)行力矩平衡計算,得到：上述式中:a為導(dǎo)向輪軸與驅(qū)動膠輪軸間距,a=l 040 mm;b為導(dǎo)向輪軸與牽引鉤間距,6=1 197 mm。則所需最小橫向?qū)蛄椋篎z）=max（ | 坊J , | 呪 | ）=5.2 kN

2.2穩(wěn)定性分析
爬軌脫軌是最常見的脫軌故障,即橫向力使車輪輪緣在橫向不斷逼近鋼軌，導(dǎo)致車輪輪緣滾上軌肩發(fā)生脫軌。爬軌脫軌時，車輪輪緣與鋼軌的接觸受力如圖10所示。



此時，車輪承受來自鐵軌的壓力N與摩擦力辦，它們的合力F又可以分解成垂直方向上的支撐力P和水平方向上的側(cè)向力Q,由此可以計算出：Q=Ns\n B~fycos /3 (10)P=Ncos P+f/fiin P (11)式中:0為接觸面與水平面夾角，標(biāo)準(zhǔn)車輪踏面最大為60。；Q為橫向?qū)蛄Γ碤=Fd=5.2 kN;P為垂直導(dǎo)向力叭為輪緣與導(dǎo)軌摩擦力。脫軌系數(shù)是判定車輪輪緣在橫向力作用下是否會逐漸爬上軌頭而脫軌的重要指標(biāo)，它是側(cè)向力Q和垂直力P的比值：Q_ _ NsinP-/^cosj8 (〔 2 )P Ncos B+f曲n &根據(jù)GB/T 17426—1998《鐵道特種車輛和軌行機(jī)械動力學(xué)性能評定及試驗方法》中3.2條運行穩(wěn)定性的規(guī)定，橫向力作用時間應(yīng)大于0.05 s,評定車輛運行安全的合格標(biāo)準(zhǔn)為：

2.3試驗驗證
GT3900型公鐵兩用牽引車在某單位鐵路軌道上進(jìn)行了充分的實際測試，測試現(xiàn)場如圖11所示，其牽引工況表現(xiàn)優(yōu)異,各項參數(shù)滿足設(shè)計要求，導(dǎo)向裝置設(shè)計及穩(wěn)定性分析為公鐵牽引車的安全性能評判提供了有力的理論依據(jù)。



3、結(jié)束語
基于5 t級輪式裝載機(jī)底盤開發(fā)的GT3900型公鐵兩用牽引車，采用在裝載機(jī)上應(yīng)用多年的傳動系統(tǒng),相較于傳統(tǒng)電動公鐵兩用牽引車，具有技術(shù)成熟及牽引力大的特點。同時針對膠輪驅(qū)動公鐵兩用車存在的脫軌問題，進(jìn)行了充分的理論分析與計算，有效地提高了公鐵兩用牽引車的鐵路工況牽引穩(wěn)定性。

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