高原山区HXN5型机车钢轨廓形适应性研究*

胡 敏，谭皓尹，杨 行

(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

云南地处云贵高原，货运铁路线路大多属典型山区铁路，曲线半径小，线路纵坡大，路基、道床病害较多，管内多为客货混跑的单线铁路[1]。以广大线为例，广通到大理的单线普速铁路最小曲线半径为350 m，曲线半径小于800 m的线路占正线总长的90%以上[2]。近几年来，广大线钢轨曲线上股侧磨严重的现象已引起了工务部门的高度重视。该线路上的客货车主要由HXN5型机车牵引，在该型机车服役过程中，普遍暴露出了车轮轮缘磨耗快、磨耗不均、踏面凹陷和轴箱弹簧断裂等问题，缩短了机车车轮的镟轮周期和使用周期，同时也加剧了钢轨的磨耗[3]。通过对广大单线铁路调研发现，线路上钢轨状况复杂，不同年份上道钢轨和不同轨型钢轨交叉使用现象较为普遍，主要有2003年制造2013年上道的60再用轨，2006年制造2012年上道的60再用轨，以及2016年上道的新60N廓形轨。

本文以HXN5型机车为研究对象，依据TB/T2360—1993、GB559—1985、UIC518：2009等国内外有关标准对机车动力学性能进行评价，分析山区小曲线铁路上运营的HXN5型机车在60轨、60N轨廓形下的适应性，为山区小半径曲线铁路钢轨铺设方案提供参考。

1 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(最高运行速度为120 km/h)动力学仿真模型如图1所示[4]。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[5]。

图1 HXN5型机车动力学仿真模型

2 60轨、60N轨对机车动力学性能的影响

2.1 直线运行平稳性

选取直线轨道长度3 000 m，考虑轨道不平顺，将美国AAR5级轨道谱施加于轨道上[6]。该机车在60轨、60N轨直线轨道上以不同速度运行时各项性能指标随运行速度的变化情况如图2～图5所示。

图2 司机室横向振动加速度峰值 图3 司机室横向平稳性指标 图4 司机室垂向振动加速度峰值

从图2～图5可以看出：随着运行速度的增大，该机车直线运行各项指标均逐渐增大，表明平稳性逐渐变差；对比该机车在60轨和60N轨上的直线运行平稳性，其廓形适应性基本无差异。

图5 司机室垂向平稳性指标

2.2 曲线通过性能

曲线轨道从实测广大线中选取，计算工况如表1所示。该机车在60轨、60N轨曲线轨道上以80 km/h速度通过不同半径的线路时各项性能指标变化情况如图6～图9所示。

表1 曲线通过性能计算工况

图6 脱轨系数

图7 轮重减载率 图8 轮轴横向力 图9 磨耗功率

从图6～图9可以看出：随着曲线半径的逐渐减小，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轨和60N轨上的曲线通过性能，其在60N轨廓形下的曲线通过性能更优，适应性更好。

3 结论

本文建立了HXN5型机车动力学模型，通过研究60轨廓形和60N轨廓形对该机车动力学性能的影响，得出以下结论：

(1)随着运行速度的增大，该机车直线运行各项指标均逐渐增大，表明平稳性逐渐变差。此外，对比该机车在60轨和60N轨上的直线运行平稳性可以看出，其在60轨和60N轨的廓形适应性基本无差异。

(2)随着曲线半径的逐渐减小，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。此外，对比该机车在60轨和60N轨上的曲线通过性能，其在60N轨廓形下的曲线通过性能更优，适应性更好。

(3)综合考虑60轨、60N轨廓形对HXN5型机车动力学性能的影响，建议山区小半径曲线铁路铺设60N轨，可有效减小钢轨磨耗，提高机车的曲线通过性能。

以上结论可为山区小半径曲线铁路钢轨铺设方案提供参考。