四輪驅動公路鐵路兩用牽引車研制

牛春紅，張軍民

(中車四方車輛有限公司，山東 青島 266111)

0 引言

我國有廠內專線的鐵路公司、地鐵公司等，所使用的公鐵兩用牽引車大多數是以單橋驅動為主，牽引力小，工作效率低。為了提高公鐵兩用牽引車調車作業等現場工作效率，以及節約成本、降低機車貨車延時使用費，開發研制了四輪驅動公路鐵路兩用牽引車。該車的研制及使用可增加客戶的選擇性，提高產品的競爭力。

1 四輪驅動公路鐵路兩用牽引車使用條件和技術參數

1.1 使用條件

四輪驅動公路鐵路兩用牽引車使用條件如下：

環境溫度(℃)：

-20～+45；

平均相對濕度(%)：

≤95；

海拔高度(m)：

≤2 000；

適應軌距(mm)：

1 435；

最小單機曲線半徑(m)：

80。

1.2 主要技術參數

四輪驅動公路鐵路兩用牽引車主要技術參數如下：

最大牽引力(kN)：

49；

空載最大行駛速度(km/h)：

27；

爬坡度(%)：

25；

最小轉彎半徑(m)：

5.5；

前橋負荷(t)：

4.5；

后橋負荷(t)：

5.5；

燃油箱容積(L)：

200；

軸距(mm)：

1 900；

輪距(mm)：

1 505；

發動機額定功率(kW/(r·min-1)：

82/2 200；

發動機最大扭矩(N·m/(r·min-1)：

488/1 500；

車鉤高度(mm)：

880±10。

2 整車結構及各組成系統

2.1 整車結構

四輪驅動公路鐵路兩用牽引車采用全鋼焊接、 中梁式承載鋼結構；采用微機控制，系統可靠性高；采用四輪驅動系統，配置牽引拉桿，車輛穩定性高；采用鋼板彈簧懸掛，舒適性高；采用閉環液壓控制，車輛運行安全性高；公路制動采用腳踏制動器形式，氣助力四輪蹄式制動，鐵路制動采用獨立的空氣制動系統。

四輪驅動公路鐵路兩用牽引車主要由動力及輔助系統、空調系統、傳動系統、液壓系統、導向系統、制動系統、車體鋼結構、電氣系統和內裝系統組成，如圖1所示。

圖1 四輪驅動公路鐵路兩用牽引車整車結構

2.2 動力及輔助系統

動力及輔助系統主要由柴油機、進排氣系統、燃油系統、潤滑系統、冷卻系統、油門及操縱裝置等組成,為車輛工作提供動力，并保證車輛正常工作。

2.3 空調系統

該車制冷采用車頂頂置式單冷空調器，通過皮帶由柴油機帶動壓縮機完成制冷;采暖采用司機室內布置暖風機，通過柴油機循環水采暖。

2.4 傳動系統

傳動系統主要由變速箱、前后車橋、萬向軸、輪胎及懸掛裝置組成，如圖2所示。傳動系統的作用是將柴油機發出的動力傳遞給車輛以驅動車輪，使車輪能在一定的速度下行駛。

2.5 液壓系統

該車液壓系統采用板式和管式、分散與集成油路塊相結合的結構，主要由齒輪泵、液壓油箱、導向液壓系統、轉向液壓系統組成。

圖2 傳動系統組成框圖

2.6 導向系統

導向系統主要由輪軸總成、導向油缸、鋼絲繩組件等組成，是保障公鐵牽引車沿鐵路軌道行駛的系統。該系統在公路工況下，其輪軸總成中的導向鋼輪脫離軌面，導向作用失效；在鐵路工況下，其輪軸總成中的導向鋼輪在導向油缸的作用下始終保持與鐵路軌面的接觸，同時，駕駛室方向盤“鎖死”，保證公鐵牽引車沿鐵路軌道、曲線、道岔安全運行。

2.7 制動系統

制動系統按功能分為公路制動、鐵路單機制動和鐵路牽引制動。

公路工況和鐵路單機運行工況下，公鐵牽引車行車制動均采用腳踏制動器形式，氣助力四輪蹄式制動；駐車制動采用制動氣室彈簧式制動形式。

鐵路牽引工況運行時，通過操縱布置于操縱臺上的JZ-7型手制動機，實現對牽引車的制動與緩解。

2.8 車體鋼結構

車體為全鋼焊接、中梁式承載鋼結構，主要由底架、司機室、機器間罩、車鉤、扶手總成等組成。其中，底架端板及底架中梁采用工字型結構焊接，底架邊梁及輔助橫梁采用槽型焊接，司機室及機器間罩采用壓型鋼焊接。

2.9 電氣系統

電氣系統按牽引工況分為底盤電氣系統和鐵路作業電氣系統。底盤電氣系統主要由供電系統、儀表顯示系統、照明燈和行駛信號燈系統、輔助裝置系統、控制系統組成。鐵路作業電氣系統主要由鐵路作業相關部件總成及控制單元組成，完成鐵路作業相關動作。

電氣系統按工作模式分為公路模式、公鐵轉換模式、鐵路模式。公路模式完成車輛啟動，為牽引、制動、輔助設備提供電力，控制車輛公路行駛和制動；公鐵轉換模式完成轉向鎖定、前后導向鋼輪升降動作；鐵路模式完成前后導向油缸的自動補壓，保證導向鋼輪與軌面始終接觸，提高車輛鐵路行駛的安全性。

2.10 內裝系統

內裝系統主要包括司機室頂板、地板、墻板、多向調節座椅、擋風玻璃、側門等。其中頂板、地板、墻板采用滿足TB/T3138-2006《機車車輛阻燃材料技術條件》和TB/T2728-1996《內燃機車防寒技術條件》要求的防寒材料；車窗玻璃選用滿足GB9656-2003《汽車安全玻璃》要求的鋼化玻璃。

3 車體鋼結構靜強度和導向框架靜強度疲勞強度分析

3.1 車體鋼結構靜強度分析

根據GB/T11551-2013《乘用車正面碰撞的乘務員保護》標準，并依據TB/T 1335-1996《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范》對車體鋼結構進行拉壓工況校核，由于車體鋼結構前后為非對稱結構，因此需分為前端連掛與后端連掛兩種情況，計算工況分為以下4種：

(1) 工況一：板簧安裝座施加垂向、橫向約束，車體后端車鉤安裝面施加縱向約束，車體前端施加壓縮力。

(2) 工況二：板簧安裝座施加垂向、橫向約束，車體前端車鉤安裝面施加縱向約束，車體后端施加壓縮力。

(3) 工況三：銷連接板簧安裝座施加全約束，另一板簧安裝座施加垂向、橫向約束，車體前端施加拉伸力。

(4) 工況四：銷連接板簧安裝座施加全約束，另一板簧安裝座施加垂向、橫向約束，車體后端施加拉伸力。

車體鋼結構各工況下的應力云圖如圖3所示。

圖3各工況下車體鋼結構von-misses云圖

由圖3可知：該車體鋼結構在工況一下最大應力為129 MPa，工況二最大應力為102.8 MPa，均小于車體Q235B材料壓縮工況許用應力212 MPa；工況三最大應力為32.3 MPa，工況四最大應力為25.7 MPa，均小于車體Q235B材料拉伸工況許用應力161 MPa；安全系數較大，符合標準要求。

3.2 導向框架靜強度及疲勞強度分析

依據標準EN13749:2005《鐵路應用-轉向架構架的結構要求》對導向框架靜強度及疲勞強度進行分析。靜強度計算分為兩種工況：

(1) 工況一：垂向超常載荷單獨作用工況。

(2) 工況二:垂向和橫向超常載荷工況。

導向框架兩種工況下的應力云圖如圖4所示。導向框架的焊縫和母材區域的疲勞極限評定結果如圖5所示。

由圖4可知：導向框架在兩種工況下的最大Mises應力為165.3 MPa，小于Q345C材料的許用應力300 MPa，強度有較大余量，滿足靜強度要求。

由圖5可知：正常運營載荷工況下，導向框架的焊縫和母材危險區域的各疲勞應力狀態點均位于修正的Goodman疲勞極限線圖包絡線內，滿足疲勞強度要求。

4 四輪驅動公路鐵路兩用牽引車牽引特性

根據四輪驅動公鐵牽引車黏著牽引力、速度、阻力值分析計算，繪制該車平直軌道牽引特性，如圖6所示。

圖4導向框架兩種工況的應力云圖

圖5 焊縫和母材區域的疲勞評定結果

由圖6可知：四輪驅動公路鐵路兩用牽引車在平直道牽引500 t負載時的最大運行速度可達24 km/h，滿足該牽引車在平直道上牽引500 t負載時最大運行速度15 km/h的要求。

5 結語

四輪驅動公路鐵路兩用牽引車的研制，為用戶提供了多項選擇，提高了用戶工作效率，降低了成本，為后續公鐵牽引車的研發建立了堅實的基礎，為進一步開拓公鐵車市場提供了有力的技術支持。

圖6 四輪驅動公路鐵路兩用牽引車牽引特性曲線