高原山區HXN5型機車鋼軌廓形適應性研究*

胡 敏，譚皓尹，楊 行

(1.昆明鐵道職業技術學院，云南 昆明 650208；2.中鐵物軌道科技服務集團有限公司，四川 成都 610000)

0 引言

云南地處云貴高原，貨運鐵路線路大多屬典型山區鐵路，曲線半徑小，線路縱坡大，路基、道床病害較多，管內多為客貨混跑的單線鐵路[1]。以廣大線為例，廣通到大理的單線普速鐵路最小曲線半徑為350 m，曲線半徑小于800 m的線路占正線總長的90%以上[2]。近幾年來，廣大線鋼軌曲線上股側磨嚴重的現象已引起了工務部門的高度重視。該線路上的客貨車主要由HXN5型機車牽引，在該型機車服役過程中，普遍暴露出了車輪輪緣磨耗快、磨耗不均、踏面凹陷和軸箱彈簧斷裂等問題，縮短了機車車輪的鏇輪周期和使用周期，同時也加劇了鋼軌的磨耗[3]。通過對廣大單線鐵路調研發現，線路上鋼軌狀況復雜，不同年份上道鋼軌和不同軌型鋼軌交叉使用現象較為普遍，主要有2003年制造2013年上道的60再用軌，2006年制造2012年上道的60再用軌，以及2016年上道的新60N廓形軌。

本文以HXN5型機車為研究對象，依據TB/T2360—1993、GB559—1985、UIC518：2009等國內外有關標準對機車動力學性能進行評價，分析山區小曲線鐵路上運營的HXN5型機車在60軌、60N軌廓形下的適應性，為山區小半徑曲線鐵路鋼軌鋪設方案提供參考。

1 動力學仿真模型

根據多剛體系統動力學理論，利用SIMPACK軟件建立的HXN5型機車(最高運行速度為120 km/h)動力學仿真模型如圖1所示[4]。模型考慮了懸掛系統非線性、輪軌接觸幾何關系非線性、蠕滑力非線性等非線性因素，將機車系統中轉向架的構架、輪對、車體、電機等部件均視作剛體，不考慮其彈性變形[5]。

圖1 HXN5型機車動力學仿真模型

2 60軌、60N軌對機車動力學性能的影響

2.1 直線運行平穩性

選取直線軌道長度3 000 m，考慮軌道不平順，將美國AAR5級軌道譜施加于軌道上[6]。該機車在60軌、60N軌直線軌道上以不同速度運行時各項性能指標隨運行速度的變化情況如圖2～圖5所示。

圖2 司機室橫向振動加速度峰值 圖3 司機室橫向平穩性指標 圖4 司機室垂向振動加速度峰值

從圖2～圖5可以看出：隨著運行速度的增大，該機車直線運行各項指標均逐漸增大，表明平穩性逐漸變差；對比該機車在60軌和60N軌上的直線運行平穩性，其廓形適應性基本無差異。

圖5 司機室垂向平穩性指標

2.2 曲線通過性能

曲線軌道從實測廣大線中選取，計算工況如表1所示。該機車在60軌、60N軌曲線軌道上以80 km/h速度通過不同半徑的線路時各項性能指標變化情況如圖6～圖9所示。

表1 曲線通過性能計算工況

圖6 脫軌系數

圖7 輪重減載率 圖8 輪軸橫向力 圖9 磨耗功率

從圖6～圖9可以看出：隨著曲線半徑的逐漸減小，該機車曲線通過各項指標均逐漸增大，表明曲線通過性能逐漸變差；對比該機車在60軌和60N軌上的曲線通過性能，其在60N軌廓形下的曲線通過性能更優，適應性更好。

3 結論

本文建立了HXN5型機車動力學模型，通過研究60軌廓形和60N軌廓形對該機車動力學性能的影響，得出以下結論：

(1)隨著運行速度的增大，該機車直線運行各項指標均逐漸增大，表明平穩性逐漸變差。此外，對比該機車在60軌和60N軌上的直線運行平穩性可以看出，其在60軌和60N軌的廓形適應性基本無差異。

(2)隨著曲線半徑的逐漸減小，該機車曲線通過各項指標均逐漸增大，表明曲線通過性能逐漸變差。此外，對比該機車在60軌和60N軌上的曲線通過性能，其在60N軌廓形下的曲線通過性能更優，適應性更好。

(3)綜合考慮60軌、60N軌廓形對HXN5型機車動力學性能的影響，建議山區小半徑曲線鐵路鋪設60N軌，可有效減小鋼軌磨耗，提高機車的曲線通過性能。

以上結論可為山區小半徑曲線鐵路鋼軌鋪設方案提供參考。