公铁两用车走行部提升装置设计

公铁两用车走行部提升装置设计

粘世昌 ,樊庆仰 ,赵磊 ,赵峰强 

青岛中车四方轨道车辆有限公司  山东省青岛市  266000

摘要：公铁两用车是一种既能在公路行驶又可在轨道运行的专用特种车辆，而实现其两种运行状态切换的机构被称之为提升装置。本文介绍了提升装置的结构组成，并通过建立力学模型，对提升装置在轨道运行工况和公铁转换临界工况下的受力状态展开分析计算，得出提升装置中各连杆、牵引拉杆、提升油缸的受力大小，为后续提升装置的有限元强度校核、提升油缸选型、连杆结构优化等奠定了基础。

关键词：公铁两用车、提升装置、力学模型、受力分析

1 引言

公铁两用车之所以既能在公路上行驶又可在轨道上运行，是因为它拥有两套独立的走行系统。当车辆在公路上行驶时，其铁路走行部被收起，公路走行部运转，运行状态和普通公路车辆一样；当车辆需要上轨道运行时，其铁路走行部下降进入轨道，并将车体撑起，公路走行部的轮胎被抬离地面，运行状态转而和轨道车辆一样。在这当中，实现公铁两用车两种运行状态切换的机构，被称之为提升装置。下面以某型公铁两用快速运输车为例，阐述其提升装置的设计。

2 结构组成

提升连杆机构（1）由两个上连杆、两个下连杆及一个横连杆组成，主要承载上部车体重量，属于提升装置中的主要承力元件；提升油缸（2）是车辆实现公路铁路两种运行状态切换的动力来源，属于提升装置中的动力元件；牵引拉杆（3）连接走行部构架（7）与车体副车架（8），主要承担车辆运行时的纵向牵引力；闭锁机构（4）则是在车辆切换成公路运行模式后，通过闭锁气缸弹出锁销，穿入走行部构架上的吊耳，锁住铁路走行部的运动。

3 力学分析

3.1 轨道运行工况

3.1.1 将提升装置之下的铁路走行部看作一个整体，对其进行受力分析，如图1所示。其中，连杆1、连杆2、牵引拉杆6均为二力杆，力的方向沿杆长方向，其对铁路走行部的支撑力分别为F1、F2和F6。

图1对铁路走行部整体受力分析（轨道运行）         图2 对铁路走行部整体受力分析（公铁转换）  

由提升装置之下的铁路走行部整体在水平方向和竖直方向受力平衡，可得到：

F1x+ F2x-F6x=0                               （1）

F1y+ F2y+F6y=FN                               （2）

其中，F1y=F1x·tan78.1°，F2y=F2x·tan78.1°，F6y=F6x·tan24.3°；FN为铁路走行部所受轨面支撑力，此处按轴重计，单侧取一半，即FN=15t/2×g=73.6kN。

另外，由提升装置之下的铁路走行部整体在竖直方向力矩平衡，可得到：

F1y·L1- F2y·L2=0                            （3）

其中，L1=L2=345mm。

3.1.2 对连杆1进行受力分析。其中，连杆1、连杆3、连杆5均为二力杆，力的方向沿杆长方向，铁路走行部对连杆1的支撑反力为F1，连杆3、连杆5对连杆1的力分别为F3和F5。由于在此状态下，连杆机构已过机械死点形成自锁，故油缸对连杆1的推力可看作为0。

   由连杆1在水平方向和竖直方向受力平衡，可得到：

F1x-F3x-F5=0                               （4）

F1y-F3y=0                                   （5）

其中，F1y=F1x·tan78.1°，F3y=F3x·tan85.4°。

3.1.3 对连杆2进行受力分析。其中，连杆2、连杆5均为二力杆，力的方向沿杆长方向，铁路走行部对连杆2的支撑反力为F2，连杆5对连杆2的力为F5。由于在此自锁状态下，连杆4的转动被限位块限制，故连杆4不是二力杆，故其对连杆2的力F4方向不能确定。

由连杆2在水平方向和竖直方向受力平衡，可得到：

F2x-F4x+ F5=0                              （6）

F2y-F4y=0                                  （7）

其中， F2y=F2x·tan78.1°。

3.2 公铁转换临界工况

3.2.1 将提升装置之下的铁路走行部看作一个整体，对其进行受力分析，如图2所示。其中，连杆1、连杆2、牵引拉杆6均为二力杆，力的方向沿杆长方向，其对铁路走行部的支撑力分别为F1、F2和F6。

由提升装置之下的铁路走行部整体在水平方向和竖直方向受力平衡，可得到：

F1x+ F2x-F6x=0                              （8）

F1y+ F2y-F6y=FN                             （9）

其中，F1y=F1x·tan55.9°，F2y=F2x·tan55.9°，F6y=F6x·tan18.3°；F

N为铁路走行部所受轨面支撑力，此处按轴重计，单侧取一半，即FN=15t/2×g=73.6kN。

另外，由提升装置之下的铁路走行部整体在竖直方向力矩平衡，可得到：

F1y·L1- F2y·L2=0                         （10）

其中，L1=L2=345mm。

3.2.2 对连杆1进行受力分析。其中，连杆1、连杆3、连杆5均为二力杆，力的方向沿杆长方向，铁路走行部对连杆1的支撑反力为F1，连杆3、连杆5对连杆1的力分别为F3和F5。在此状态下，油缸也可以简化看作是二力杆，其对连杆1的推力为F7。

由连杆1在水平方向和竖直方向受力平衡，可得到：

F1x+F3x+F5-F7x=0                          （11）

F1y-F3y-F7y =0                            （12）

其中，F1y=F1x·tan55.9°，F3y=F3x·tan51.8°，F7y=F7x·tan22.6°。

3.2.3 对连杆2进行受力分析。其中，连杆2、连杆4、连杆5均为二力杆，力的方向沿杆长方向，铁路走行部对连杆2的支撑反力为F2，连杆4、连杆5对连杆2的力分别为F4、F5。（在此状态下，连杆4已脱离限位块的限制，故连杆4可以简化为二力杆。）

由连杆2在水平方向和竖直方向受力平衡，可得到：

F2x+F4x- F5=0                             （13）

F2y-F4y=0                                （14）

其中， F2y=F2x·tan55.9°，F4y=F4x·tan51.8°。

3.3 公路运行工况

当车辆处于公路运行工况下时，公路走行部胶轮着地承载车体重量，此时铁路走行部被收起，提升装置只承担铁路走行部的自重。与前两种工况相比，此工况下的提升装置受力较小且差距较大，故不再展开详细计算。

4 结束语

公铁两用车走行部提升装置是实现其两种运行状态切换的关键机构，本文介绍了提升装置的结构组成，并通过建立力学模型，对提升装置在轨道运行工况和公铁转换临界工况下的受力状态展开分析计算，得出了提升装置中各连杆、牵引拉杆、提升油缸在此两种工况下的受力大小，为后续提升装置的有限元强度校核、提升油缸选型、连杆结构优化等奠定了基础。

5 参考文献

[1]宋国文, 邢鸿麟. 公铁两用车在我国铁路上应用的可行性研究[J]. 铁道车辆, 2000,38(10):6-10.

[2]于琳琳. 公铁两用车转向架方案设计及其动力学性能研究[D]. 北京交通大学, 2016.

[3]张茂松. 公铁两用车轨道运行动力学性能研究[D]. 西南交通大学, 2017.

[4]李梁京, 陈常江, 孙珉堂, 赵峰强. 公铁两用运输车非动力走行部的研制[J]. 铁道机车车辆, 2017,37(6):115-118.