公铁两用牵引车导向机构多体系统动力学仿真分析

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
［6］金传琦新能源混合动力汽车能量管理策略研究［J］交通节能与环
保，2022，18（2）：27-30
术仍处于探索研发阶段，未来我国仍需加大混合动力技
作者简介：
术的研发力度，以便更进一步地推进新能源汽车的稳定
赵坤东，男，1987 年生，讲师，研究方向为教学。
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引车轮胎的动力学模型。
值 24 357 N，横向力均值为 3 429 N。前左右导向轮的
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。
412 牵引作业起步工况
a. 导向轮
b.60 kg/m 钢轨
图 1 导向轮及 60 kg/m 钢轨的实体模型
120，0，150，5000）+STEP（time，150，0，180，5000）+
STEP（time，180，0，210，5000）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。
导向机构作为公铁两用牵引车铁路行走系统的重
［1］
要组成部分 ，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
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
机构处于刚性连接状态，铁路行驶时依靠导向轮和钢轨
用 力 和 导 向 轮 的 脱 轨 系 数 ，研 究 了 其 铁 路 行 驶 的 安
之间的相互作用力实现转向，本文主要分析公铁两模时不考虑车辆悬架
阶段，较多主机厂利用燃烧室、可变截面增压、进配气优
发展。
化、低压 EGR、米勒循环以及高压缩比等技术，有效提升
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
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2023 年第 10 期
总第 317 期
［3］刘倩汽车新能源与节能技术应用研究［J］时代汽车，2022（15）：
5 结语
在汽车行业的不断发展中，传统汽车负面影响因素
不断增多，而新能源汽车在研发力度上不断加大，已成
为汽车行业未来发展的主要方向。相比于传统汽车，新
能源汽车能够更加高效地利用能源，不会对环境产生严
重污染。混合动力技术在新能源汽车中占有主要位置，
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。
车，2015（5）：94-97
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 结语
本文建立了公铁两用牵引车导向机构的多体系统
横 向 力 均 值 为 2 899 N ；左 后 导 向 轮 垂 向 力 均 值 为
的限制，可认为轮胎的纵向滑移和横向滑移是相对独立
24 107 N，横向力均值为-3 430 N；右后导向轮垂向力均
的，在 ADAMS 中采用 Fiala 轮胎模型作为公铁两用牵
横向力和垂向力相差不大，后左右导向轮的横向力和垂
轮脱轨系数绝对值最大值为-0275，平均值为-0137 9；
右后导向轮脱轨系数绝对值最大值为 0327 3，平均值为
0137 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 1165。
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
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：1019999/jcnki1004-0226202310010
1 前言
2 实体模型的建立
图 4 导向机构动力学仿真模型
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
［1］
两种行驶模式的转化 ，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
脱轨系数绝对值最大值为-1127 9，平均值为-0133；左
图 7 无牵引作业起步左后导向轮垂向力和横向力
前导 向 轮 脱 轨 系 数 绝 对 值 最 大 值 为 1126 6 ，平 均 值
为 0134 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
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
图 20 右后导向轮的脱轨系数
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。
改，将车架及车架上的负载简化为质心位置上的集中质
是因为添加的轮胎模型与轨面之间、导向轮与钢轨之间
量，然后通过赋予材料、添加约束和载荷等，得到导向机
的位置关系有一个短暂的调整过程，且仿真的前 21 s 为
构的动力学模型 ，如图 4 所示。公铁两用牵引车铁路
［3］
行驶时通过轮胎与钢轨之间的相互作用提供驱动力和
42 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］。
图 11 无牵引作业起步左后导向轮垂向力和横向力
图 5 无牵引作业起步左前导向轮垂向力和横向力
图 12 无牵引作业起步右后导向轮垂向力和横向力分析
421 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
上装研究
10 km/h，铁路行驶起步工况下，公铁两用牵引车的速度
和转向机构。
有一个变化过程，
在 ADAMS 中采用 STEP（time，
0，
0，
30，
2000）+STEP（time，30，0，60，3000）+STEP（time，60，0，
90，5000）+STEP（time，90，0，120，5000）+STEP（time，
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≤12 的要求，加速阶段结束后各导向轮的脱轨
图 8 无牵引作业起步右后导向轮垂向力和横向力
图 9 无牵引作业起步左前导向轮垂向力和横向力
· 34 ·
系数稳定于一个常值，远远小于 GB/T 17426-1998 脱轨
无牵引作业起步工况相比，前导向轮的垂向力减小了
86%，后导向轮的垂向力增加了 396%，前导向轮的横
向力减小了 205%，后导向轮的横向力增大了 265%。
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。
图 10 无牵引作业起步右前导向轮垂向力和横向力
［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
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
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，
（Z 向）。
411 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，
图 3 导向机构装配图
3 导向机构及车架动力学模型的建立
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
把实体模型导入 ADAMS/View 环境中，进行适当修
历了一个轻微震荡阶段，之后趋于稳定在一个常值，这
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
ADAMS 中建立导向机构的动力学模型，分析了公铁两
驶操作稳定性和平顺性的悬架装置锁止，使车架和导向
用牵引车起步工况下导向机构导向轮与钢轨之间的作
可节约传统燃料消耗，续航能力较强。当前混合动力技
115-117
［4］杨维刚，杨志超，张学锋新能源混合动力汽车动力电池容量计算
及 SOC 控制［J］汽车电器，2022（5）：16-18
［5］张景轩，程子健基于混合动力技术的新能源汽车应用及发展趋势
［J］南方农机，2022，53（10）：152-155
参考文献：
了发动机热效率，提升了约 43%，同时使得最优效率工
作区域更加宽广。并且，发动机简化硬件设计后，整套
系统成本得到了明显降低。
［1］宰文洁新能源汽车混合动力系统探讨［J］内燃机工程，2022，43
（5）：114
［2］杨大举混合动力汽车的控制策略研究［J］专用汽车，2022（9）：3436
2023 年第 10 期
总第 317 期
公铁两用牵引车导向机构多体系统动力学仿真分析
李红勋 1
李梦晗 1
谭柏春 2
1. 陆军军事交通学院，天津，300161
2. 陆军勤务学院，重庆，400030
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
422 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。
图 19 左后导向轮的脱轨系数
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-1163 1，平均值为-0137；右前导向轮脱轨
系数绝对值最大值为 1165，平均值为 0135 2；左后导向
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。
a. 车桥
b. 车架
图 2 车桥和车架的实体模型
41 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
参考文献：
驶速度高很多。牵引作业工况下各导向轮的脱轨系数
［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
学性能评定及试验方法》的安全性限值。仿真结果表
［2］陈超祥，叶修梓SolidWorks 高级教程简编［M］北京：机械工业出版
符合 GB/T 17426-1998《铁道特种车辆和轨行机械动力
系数第二限度横向力和垂向力的比值≤10 的要求。
图 13 左前导向轮的脱轨系数
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上装研究
图 14 右前导向轮的脱轨系数
图 17 左前导向轮的脱轨系数
图 15 左后导向轮的脱轨系数
图 18 右前导向轮的脱轨系数
图 16 右后导向轮的脱轨系数
图 6 无牵引作业起步右前导向轮垂向力和横向力
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-1159 8，平均值为-0149 8；右前导向轮脱轨系数
绝对值最大值为 1148 4，平均值为 0143 1；左后导向轮