地鐵用公鐵兩用車輛鐵路走行裝置設計與研究

張寧

（中鐵寶橋集團有限公司，陜西 寶雞721006）

0 引言

近年來隨著我國經濟的快速發展和城市化步伐的不斷加快，地鐵作為一種快速、環保、舒適、客運能力大的城市交通工具，在我國取得了長足發展。截至2020年初，國內已開通地鐵總里程近6500 km，預計2020年底全國將有近60座城市開通運營線路8000 km左右。

隨著地鐵線路的不斷增長，地鐵消防救援、線路清掃維護等工作成為運營單位必須考慮的問題。對具有公鐵兩用功能車輛的應用需求也越來越廣。本文將對公鐵兩用功能車的鐵路走行裝置進行研究，設計出一種結構簡單、改裝容易、操作方便、可靠性高的鐵路走行裝置。

1 背景技術

目前常用的公鐵兩用車輛包括兩用牽引車、救援搶險車、軌道清潔車、高架檢修車等。在國外，德、日、澳等國在研發和使用公鐵兩用車上，技術不斷進步，使用范圍包括基礎設施建設和維修、隧道消防、特種運輸裝備等領域。國內以上海交通大學、西南交通大學為代表的高校和科研機構也對公鐵兩用車的驅動、控制、轉向架等做了系統的研究。

目前公鐵兩用車輛在軌道上的驅動模式可分為兩種：一種是導輪模式，其結構簡單，但橡膠輪胎磨損嚴重，轉彎性能差；另一種是分動力驅動機構，在公鐵兩用車入軌的時候，利用升降裝置將轉向架落下使輪對與軌道接觸，使用獨立的軌道走行裝置，結構復雜，但是轉彎性能好，穩定性較強。

2 技術要求

公鐵兩用車輛鐵路走行裝置應滿足以下要求：

1）自主完成公鐵兩種走行模式的切換。公路行駛時，將前支撐輪、后轉向架提升并鎖定。車輛通過公路機動到平交道口或地鐵車輛段等處，對準軌道后，前、后輪軸將整個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、儲氣筒、電瓶等零部件，同時公鐵車要滿足公路和鐵路限界，對轉向架收起時的離地高度和轉向架將汽車撐起時汽車輪離地高度都有要求，在滿足汽車底盤改裝空間和轉向架升降行程的前提下，減少提升裝置和轉向架的尺寸。

3）符合鐵路行駛性能。轉向架應實現公鐵車的鐵路走行功能，其結構強度、動力學性能應滿足相應標準的要求。

3 總體方案

本文所述方案采用分動力驅動模式，以普通重型車輛底盤為對象，設計了一整套改裝方案，經過計算分析和樣車實踐檢驗，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轉向架及液壓升降裝置和后驅動轉向架及液壓升降裝置。前隨動轉向架主要有前隨動輪軸機構、輪軌切換液壓缸偏擺升降機構等；后驅動轉向架主要有動力轉向架、輪軌切換液壓升降系統、回轉機構等。

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。整車結構布置如圖1所示。

圖1 公鐵兩用車輛鐵路走行裝置結構圖

3.2 主要技術參數

公鐵兩用車輛鐵路走行裝置主要技術參數如表1所示。

4 系統設計

4.1 從動轉向架及提升裝置

4.1.1 原理設計

固定架、擺動上支架、上連桿、下連桿組成四連桿機構，運動原理如圖2所示。鐵路模式時，液壓缸D點伸出，通過上連桿BD和下連桿ED，使擺動下支架CEF處于豎直狀態。公路模式時，油缸D點回收，帶動上連桿BD繞B點逆時針旋轉，通過下連桿ED帶動下支架CEF繞C點旋轉使走行輪F 點 至 升 起 位F′（虛線部分），使下支架CE′F′處于收回狀態。

4.1.2 結構設計

前從動轉向架主要起支撐整車質量在軌道上行走的功能。由輪對、固定架、擺動上支架、擺動下支架、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，液壓油缸伸縮驅動連桿機構實現前從動轉向架的擺動升降。

表1 公鐵兩用車輛鐵路走行裝置主要技術參數

圖2 從動轉向架提升裝置原理圖

圖3 從動轉向架及提升裝置結構圖

4.2 驅動轉向架及提升回轉裝置

4.2.1 原理設計

油缸A點與翻轉支架B點與副車架鉸接組成連桿機構，運動原理如圖4所示。鐵路模式時，液壓缸C點伸出，使翻轉支架BD處于豎直狀態。公路模式時，油缸回收C點收縮至C′位置，帶動翻轉支架逆時針繞C點旋轉使走行輪D點至升起位D′（虛線部分），使翻轉支架BD′處于水平收回狀態。

圖4 驅動轉向架伸縮裝置原理圖

4.2.2 結構設計

驅動轉向架由構架、輪對、液壓走行馬達組成，回轉伸縮裝置由回轉支撐、翻轉支架、液壓回轉馬達、連接座、液壓油缸組成,如圖5所示。轉向架構架是由板材焊接的箱型結構。驅動轉向架有兩組輪對，輪對采用常規貨用車輛軸箱結構，軸箱通過減震彈簧和連接銷與轉向架構架連接。轉向架和連接座之間采用回轉支撐，回轉馬達通過齒輪驅動回轉支撐實現轉向架回轉，便于整車從不同角度入軌。整個轉向架的起落，通過油缸伸縮驅動翻轉支架翻轉，帶動后轉向架升降，實現汽車輪胎與鐵路輪對的相互切換。

4.3 液壓系統

液壓系統基本分為3部分：1）閉式驅動系統；2）液壓油散熱系統；3）開式驅動部分。

閉式驅動部分包括柱塞泵、徑向柱塞馬達、沖洗閥和液控閥組等，柱塞泵排量采用電比例控制，通過控制發動機的油門和變量泵的排量，改變車輛的運行方向、速度和牽引力的大小，適應各種工況。通過減小柱塞泵排量可實現車輛制動，同時走行馬達上配有盤式儲能制動器，用于緊急制動和駐車制動。驅動轉向架前后驅動軸上兩組馬達之間通過流量分配閥分配流量，避免一個輪對打滑時整車無法運行。馬達設置自由輪功能時，所有馬達解除制動后可以被動拖行。

液壓油散熱部分采用自動控制，在液壓油散熱器上設置溫控開關，流經散熱器的液壓油溫達到設置溫度后溫控開關工作接通相應的電磁閥，驅動散熱器風扇運轉，對流經散熱器的液壓油進行強制散熱。

圖5 驅動轉向架及回轉伸縮裝置結構圖

開式油缸驅動部分由與柱塞泵串聯的齒輪泵驅動，額定壓力為25 MPa，通過電磁閥控制前轉向架伸縮油缸、后轉向架伸縮油缸、后轉向架回轉馬達的動作。

5 力學性能分析

5.1 主要結構件受力計算

轉向架等主要結構件采用Q345B鋼焊接而成，在鐵路運行時傳遞、承載著車輛的垂向、橫向及縱向載荷，結構的強度至關重要，因此需校核主要構架在極限工況下的強度。

經分析，車輛在彎道緊急制動時整個結構受力最大，受力計算結果如圖6所示。

圖6 主要結構件應力圖

按照TB/T 1335-1996《鐵道車輛強度設計及鑒定規范》要求，Q345B鋼材料許用應力為216 MPa。前固定架與下擺動支架最大應力分別為138.03 MPa和30.1 MPa，后轉向架構架最大應力為175.45 MPa，滿足強度要求。

5.2 動力學計算

運行穩定性主要是對車輛通過直線及圓曲線工況時的脫軌系數、輪重減載率和輪軸橫向力進行校核，以確保運行安全。

利用多體動力學軟件建立仿真模型并對動力學仿真結果進行分析，結合動力學相關評價指標對仿真實驗結果進行評價和分析。

根據公鐵兩用車設計要求，車輛在鐵路模式下的最高運行速度,在空載、滿載質量工況下。依據GB 5599—2019《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范》，按照R250 m小半徑曲線路況進行仿真分析，結果表2所示。

表2 軌行狀態多體動力學分析結果

根據GB 5599—2019《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范》，機車在40 km/h的最高試驗速度下，脫軌系數許用值≤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。根據表2所示的動力學性能分析結果，公鐵兩用走行裝置的動力學穩定性指標均滿足規范要求。該裝置實物照片如圖7所示。

圖7 公鐵兩用鐵路走行裝置應用

6 結語

通過對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。目前該裝置已應用于國內某型公鐵兩用消防車，經線路測試，所有性能均滿足設計需求。隨著國內地鐵、輕軌等軌道線路的增加，可利用該鐵路走行裝置實現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的難度，對公鐵兩用車輛的研發及功能拓展具有一定的借鑒和參考意義。