小半径曲线钢轨磨耗对HXN5型机车曲线通过性能影响*

谭皓尹，胡 敏，郭 毅

(1.中铁物轨道科技服务集团有限公司，四川 成都 610000；2.昆明铁道职业技术学院，云南 昆明 650208)

0 引言

中国铁路昆明局集团有限公司管内广通到大理单线为典型山区小半径曲线，最小曲线半径为350 m，曲线半径小于800 m的线路占正线总长的90%以上。近年来，广大线上曲线区段的钢轨上股侧磨导致的钢轨病害问题引起了工务部门的高度重视，而该线上行驶的HXN5型机车也普遍暴露出了车轮轮缘磨耗快、磨耗不均、踏面凹陷等问题。因此，研究广大线上HXN5型机车曲线通过性能显得尤为重要。

影响HXN5机车曲线通过性能的因素主要分为以下两类：①机车或其牵引的车辆固有参数的改变，比如机车或其牵引的车辆悬挂系统参数、车轮踏面参数、编组类型、运行速度等的改变；②线路参数的改变，比如圆曲线半径及长度、缓和曲线半径及长度、竖曲线半径及长度、线路超高值、轨距加宽量、道岔型号及钢轨廓形参数等的改变[1-3]。

国内外学者对HXN5型机车曲线通过性能的研究主要集中在机车固有参数和线路曲线参数，并未系统性地研究钢轨廓形参数对其曲线通过性能的影响。

本文先对山区小半径曲线钢轨磨耗问题进行总结，再以HXN5型机车为研究对象，依据TB/T2360—1993、GB5599—1985、UIC518：2009等国内外有关标准对HXN5型机车动力学性能进行评价[4]，研究实测钢轨廓形和打磨优化廓形对HXN5型机车曲线通过性能的影响，研究结论可为山区小半径曲线铁路钢轨打磨方案的制定提供参考。

1 山区小半径曲线钢轨磨耗

山区小半径曲线钢轨病害形式主要是轨距角处出现斜裂纹以及由斜裂纹扩展出的剥离掉块，钢轨磨耗类型主要是上股侧磨[5]。广大线铺设钢轨类型有60轨和60N轨[6]，图1为实测60廓形轨与其新轨廓形对比，图2为实测60N廓形轨与其新轨廓形对比。从图1和图2中可以看出：小半径曲线两种轨型上股侧磨已经严重，曲线上股非作用边较高，轮轨接触方式为典型的两点接触，接触应力大、侧磨速率高；对于60轨不但上股存在严重侧磨，且下股轨顶已完全压平，非常不利于轮轨正常接触，轮轨接触关系极差。

图1 广大线K135+000(R350)曲线上、下股廓形(60轨)

图2 广大线K65+040(R350)曲线上、下股廓形(60N轨)

2 钢轨磨耗对HXN5型机车曲线通过性能的影响

根据多刚体系统动力学理论，利用SIMPACK软件建立的HXN5型机车动力学仿真模型如图3所示。模型考虑了悬挂系统非线性、轮轨接触几何关系非线性、蠕滑力非线性等非线性因素，将机车系统中转向架的构架、轮对、车体、电机等部件均视作刚体，不考虑其弹性变形。

图3 HXN5型机车动力学仿真模型

广大单线铺设钢轨类型有60轨和60N轨，为了使数据更具代表性，曲线线路选取每种类型钢轨4条小半径曲线；分析各曲线段实测廓形和优化廓形对HXN5型机车曲线通过性能影响时，将美国AAR5级轨道谱[7]施加于轨道上。

机车以80 km/h的速度通过60N钢轨不同曲线(曲线线路工况见表1)，各项性能指标变化情况如图4～图7所示。

表1 60N钢轨曲线工况

图4 机车通过60N钢轨时的脱轨系数 图5 机车通过60N钢轨时的轮重减载率

图6 机车通过60N钢轨时的轮轴横向力 图7 机车通过60N钢轨时的磨耗功率

机车以80 km/h的速度通过60钢轨不同曲线(曲线线路工况见表2)，各项性能指标变化情况如图8～图11所示。

图8 机车通过60钢轨时的脱轨系数 图9 机车通过60钢轨时的轮重减载率

表2 60钢轨曲线工况

从图4～图11中可以看出：实测钢轨会恶化机车曲线通过性能，对其进行打磨(即廓形优化)后，机车曲线通过性能明显改善，轮轨磨耗也能得到减少，降低了维护成本[8]，建议工务部门定期对钢轨进行打磨以确保机车车辆的安全运行。

图10 机车通过60钢轨时的轮轴横向力 图11 机车通过60钢轨时的磨耗功率

3 结论

本文通过研究高原山区小半径曲线钢轨磨耗问题和钢轨磨耗对HXN5型机车曲线通过性能的影响，得出以下结论：

(1)山区小半径曲线钢轨病害形式主要为轨距角处出现斜裂纹以及由斜裂纹扩展出的剥离掉块，钢轨磨耗类型主要为上股侧磨。

(2)钢轨磨耗会恶化机车曲线通过性能，对其进行打磨(即廓形优化)后，机车曲线通过性能明显改善，轮轨磨耗也能得到减少，进而延长车轮和钢轨的使用寿命，降低维护成本。

以上结论可为制定山区小半径曲线铁路钢轨打磨方案提供参考。