高原山區(qū)HXN5型機車曲線通過性能研究*

胡 敏，郭 毅，譚皓尹

(1.昆明鐵道職業(yè)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

中國鐵路昆明局集團有限公司管內普速鐵路多為客貨混跑單線，曲線半徑小，路基、道床病害較多[1]。以廣通到大理單線為例，曲線半徑小于800 m的線路占正線總長的90%以上，最小曲線半徑為350 m。廣大線上的客貨車主要由HXN5型機車牽引，該型機車在服役過程中普遍暴露出了車輪輪緣磨耗快、磨耗不均、踏面凹陷等問題，縮短了機車車輪的鏇輪周期和運行周期。同時，廣大線上曲線區(qū)段的鋼軌上股側磨現(xiàn)象也引起了工務部門的高度重視[2]。因此，HXN5型機車的曲線通過性能不僅影響機車的運行安全性和司機乘坐舒適性，還影響到機務部門對機車、工務部門對鋼軌的檢修維護成本。

本文以HXN5型機車為研究對象，依據(jù)TB/T2360—1993、GB5599—1985、UIC518：2009等國內外有關標準對HXN5型機車動力學性能進行評價[3]，分析山區(qū)小曲線鐵路上服役的HXN5型機車和鋼軌磨耗問題，研究60鋼軌原型廓形、實測磨耗廓形及優(yōu)化廓形對機車曲線通過性能的影響，為鋼軌打磨方案設計提供參考。

1 鋼軌廓形打磨必要性分析

運行速度的提高、運量和軸重的增加以及列車編組方式的改變會加劇輪軌間的相互作用力，使得列車動力學性能變差、鋼軌病害的發(fā)展速率加快，從而縮短了鋼軌的使用壽命。為改善線路質量，需定期對鐵路鋼軌進行養(yǎng)護，鋼軌打磨是線路養(yǎng)護的重要手段[4]。圖1為廣大線K72+810(R350)實測側磨嚴重60鋼軌與HXN5型機車JM3原型踏面輪軌配合關系，圖2為60原型鋼軌與JM3原型踏面輪軌配合關系。從圖1中可以看出：該鋼軌側磨已經(jīng)非常嚴重，軌頂非作用邊較高，輪軌接觸方式為典型的兩點接觸，輪軌接觸關系極差，會導致輪軌接觸應力和磨耗速率增大。

圖1 實測60鋼軌與JM3踏面輪軌配合關系 圖2 60原型鋼軌與JM3踏面輪軌配合關系 圖3 HXN5型機車動力學仿真模型

廣大線小半徑曲線病害的形成及鋼軌側磨過快的情況均與輪軌接觸關系差有直接關系，因此對于該類曲線必須從修整鋼軌廓形、改善輪軌關系的角度出發(fā)，從根本上減緩輪軌磨耗速率，抑制或降低病害的發(fā)展速率，從而提高鋼軌使用壽命[5-6]。

2 動力學仿真模型

根據(jù)多剛體系統(tǒng)動力學理論，利用SIMPACK軟件建立的HXN5型機車動力學模型如圖3所示。模型考慮了懸掛系統(tǒng)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(tǒng)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。

利用極限環(huán)判定法計算該HXN5型機車模型非線性臨界速度，各速度下的1位輪對橫移量隨運行距離的變化如圖4所示。從圖4可以看出，該機車模型蛇行失穩(wěn)臨界速度為211 km/h，滿足該機車以最高運行速度(120 km/h)運行的要求。

圖4 不同速度下1位輪對橫移量隨運行距離的變化 圖5 不同速度下的脫軌系數(shù) 圖6 不同速度下的輪重減載率

3 機車曲線通過性能研究

選取廣大線K72+810(R350)曲線作為仿真軌道，即曲線通過半徑為350 m，圓曲線長度為347 m，緩和曲線長度為70 m，外軌超高為100 mm。考慮軌道不平順，將美國AAR5級軌道譜施加于軌道上[7]。HXN5型機車在60原型鋼軌、實測鋼軌及打磨(優(yōu)化)后軌道上以不同速度通過時，各項性能指標隨運行速度的變化情況如圖5～圖8所示。

從圖5～圖8可以看出：隨著運行速度的逐漸增大，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原型鋼軌、實測鋼軌及打磨后軌道上的曲線通過性能可以看出，實測鋼軌會惡化機車曲線通過性能，對側磨鋼軌打磨(即廓形優(yōu)化)后，機車曲線通過性能明顯改善。

4 鋼軌打磨效果

利用SIMPACK軟件優(yōu)化實測鋼軌廓形，從而制定鋼軌打磨方案。對廣大線鋼軌廓形于2017年8月底開始打磨，于2018年1月底結束，打磨范圍為楚雄車間到祥云車間半徑小于800 m的曲線，總計打磨里程59.16 km。圖9為廣大線K72+810(R350)曲線打磨前、后鋼軌磨耗速率變化情況，可以看出，打磨后上股側磨速率0.03 mm/(3.36 Mt)、上股垂磨速率0.045 mm/(3.36 Mt)和下股垂磨速率0.036 mm/(3.36 Mt)相比于打磨前上股側磨速率0.071 mm/(3.36 Mt)、上股垂磨速率0.092 mm/(3.36 Mt)和下股垂磨速率0.085 mm/(3.36 Mt)分別降低了57.75%、51.09%和57.65%，通過廓形打磨，上、下股磨耗速率明顯降低，鋼軌壽命得到延長。經(jīng)工務部門反饋，打磨后12個月，曲線上股軌距角處斜裂紋才逐漸萌生，鋼軌狀態(tài)得到明顯改善。

5 結論

本文建立了HXN5型機車動力學模型，通過研究60鋼軌原型廓形、實測磨耗廓形及優(yōu)化廓形對機車曲線通過性能的影響，得出以下結論：

(1)輪軌磨耗不可避免，但須加以抑制。為改善線路質量，需定期對鋼軌進行打磨。

(2)隨著運行速度的提高，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。

(3)可以利用動力學分析軟件優(yōu)化鋼軌廓形，制定鋼軌打磨方案。鋼軌打磨后，機車曲線通過性能得到有效改善，疲勞裂紋擴展得到有效控制，鋼軌磨耗速率大幅降低，有效延長了鋼軌的使用壽命。

以上結論可為制定山區(qū)小半徑曲線鐵路鋼軌打磨方案提供參考。