高原山区HXN5型机车曲线通过性能研究*

胡 敏，郭 毅，谭皓尹

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

0 引言

中国铁路昆明局集团有限公司管内普速铁路多为客货混跑单线，曲线半径小，路基、道床病害较多[1]。以广通到大理单线为例，曲线半径小于800 m的线路占正线总长的90%以上，最小曲线半径为350 m。广大线上的客货车主要由HXN5型机车牵引，该型机车在服役过程中普遍暴露出了车轮轮缘磨耗快、磨耗不均、踏面凹陷等问题，缩短了机车车轮的镟轮周期和运行周期。同时，广大线上曲线区段的钢轨上股侧磨现象也引起了工务部门的高度重视[2]。因此，HXN5型机车的曲线通过性能不仅影响机车的运行安全性和司机乘坐舒适性，还影响到机务部门对机车、工务部门对钢轨的检修维护成本。

本文以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[3]，分析山区小曲线铁路上服役的HXN5型机车和钢轨磨耗问题，研究60钢轨原型廓形、实测磨耗廓形及优化廓形对机车曲线通过性能的影响，为钢轨打磨方案设计提供参考。

1 钢轨廓形打磨必要性分析

运行速度的提高、运量和轴重的增加以及列车编组方式的改变会加剧轮轨间的相互作用力，使得列车动力学性能变差、钢轨病害的发展速率加快，从而缩短了钢轨的使用寿命。为改善线路质量，需定期对铁路钢轨进行养护，钢轨打磨是线路养护的重要手段[4]。图1为广大线K72+810(R350)实测侧磨严重60钢轨与HXN5型机车JM3原型踏面轮轨配合关系，图2为60原型钢轨与JM3原型踏面轮轨配合关系。从图1中可以看出：该钢轨侧磨已经非常严重，轨顶非作用边较高，轮轨接触方式为典型的两点接触，轮轨接触关系极差，会导致轮轨接触应力和磨耗速率增大。

图1 实测60钢轨与JM3踏面轮轨配合关系 图2 60原型钢轨与JM3踏面轮轨配合关系 图3 HXN5型机车动力学仿真模型

广大线小半径曲线病害的形成及钢轨侧磨过快的情况均与轮轨接触关系差有直接关系，因此对于该类曲线必须从修整钢轨廓形、改善轮轨关系的角度出发，从根本上减缓轮轨磨耗速率，抑制或降低病害的发展速率，从而提高钢轨使用寿命[5-6]。

2 动力学仿真模型

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。

利用极限环判定法计算该HXN5型机车模型非线性临界速度，各速度下的1位轮对横移量随运行距离的变化如图4所示。从图4可以看出，该机车模型蛇行失稳临界速度为211 km/h，满足该机车以最高运行速度(120 km/h)运行的要求。

图4 不同速度下1位轮对横移量随运行距离的变化 图5 不同速度下的脱轨系数 图6 不同速度下的轮重减载率

3 机车曲线通过性能研究

选取广大线K72+810(R350)曲线作为仿真轨道，即曲线通过半径为350 m，圆曲线长度为347 m，缓和曲线长度为70 m，外轨超高为100 mm。考虑轨道不平顺，将美国AAR5级轨道谱施加于轨道上[7]。HXN5型机车在60原型钢轨、实测钢轨及打磨(优化)后轨道上以不同速度通过时，各项性能指标随运行速度的变化情况如图5～图8所示。

从图5～图8可以看出：随着运行速度的逐渐增大，该机车曲线通过各项指标均逐渐增大，表明曲线通过性能逐渐变差；对比该机车在60原型钢轨、实测钢轨及打磨后轨道上的曲线通过性能可以看出，实测钢轨会恶化机车曲线通过性能，对侧磨钢轨打磨(即廓形优化)后，机车曲线通过性能明显改善。

4 钢轨打磨效果

利用SIMPACK软件优化实测钢轨廓形，从而制定钢轨打磨方案。对广大线钢轨廓形于2017年8月底开始打磨，于2018年1月底结束，打磨范围为楚雄车间到祥云车间半径小于800 m的曲线，总计打磨里程59.16 km。图9为广大线K72+810(R350)曲线打磨前、后钢轨磨耗速率变化情况，可以看出，打磨后上股侧磨速率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)相比于打磨前上股侧磨速率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)分别降低了57.75%、51.09%和57.65%，通过廓形打磨，上、下股磨耗速率明显降低，钢轨寿命得到延长。经工务部门反馈，打磨后12个月，曲线上股轨距角处斜裂纹才逐渐萌生，钢轨状态得到明显改善。

5 结论

本文建立了HXN5型机车动力学模型，通过研究60钢轨原型廓形、实测磨耗廓形及优化廓形对机车曲线通过性能的影响，得出以下结论：

(1)轮轨磨耗不可避免，但须加以抑制。为改善线路质量，需定期对钢轨进行打磨。

(2)随着运行速度的提高，机车曲线通过各项指标均逐渐增大，表明曲线通过性能逐渐变差。

(3)可以利用动力学分析软件优化钢轨廓形，制定钢轨打磨方案。钢轨打磨后，机车曲线通过性能得到有效改善，疲劳裂纹扩展得到有效控制，钢轨磨耗速率大幅降低，有效延长了钢轨的使用寿命。

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。