高速軌端部平直度控制方法的研究與運用

何文驥 董茂松 徐 森 汪永元

1.寶鋼股份武鋼有限條材廠大型分廠，武漢，4300802.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢，430063

0 引言

鐵路運輸在世界運輸業(yè)中占有重要的地位，隨著高速鐵路和城市軌道交通的迅速發(fā)展，其地位更加突出。國內外高速鐵路的研究和實踐經(jīng)驗表明:在線路方面，高速鐵路對鋼軌平直度有很高的要求，鋼軌平直度[1]是反映鋼軌縱向波浪起伏狀況的指標，是衡量鋼軌實物質量的重要指標之一。如果鋼軌平直度較大，會導致鋼軌接頭不平順，從而加劇輪軌撞擊[2]，引起線路劇烈振動，輪軌作用力成倍增大，輪軌的受力狀態(tài)惡化，嚴重危害軌道和機車車輛部件，影響列車速度的提高，甚至引起列車脫軌傾覆，危及行車安全。因此，鋼軌平直度直接影響列車的運行速度和安全以及旅客的舒適性，也是決定鋼軌使用壽命的重要參數(shù)，在鋼軌的生產(chǎn)過程和使用中必須有嚴格的標準來進行控制。

我國目前采用的鐵路鋼軌標準[3]中有高速軌端部平直度要求。鋼軌在生產(chǎn)過程中，由于萬能軋機縱向布置[4]且不可調整，鋼軌在每道次進出軋機時均會產(chǎn)生一定沖擊力[5]，使得軋制時端部平直度產(chǎn)生誤差且不斷累加，出軋機時鋼軌的走勢規(guī)律各不相同，會頻繁撞擊輥道和蓋板，加劇端部平直度的不穩(wěn)定性，使得鋼軌經(jīng)冷卻后端部存在不同方向、不同位置和不同大小的彎曲。現(xiàn)有矯直工藝無法使鋼軌端部矯后平直度得到穩(wěn)定的控制，高速軌端部平直度約70%接近標準(≤0.3 mm/1 m、≤0.4 mm/2 m)上限，約15%超出標準要求。

1 原因分析

1.1 矯直工藝不合理

鋼軌矯直機為平立復合矯直機[6]，水平矯直機見圖1，矯直輥間距為1.6 m，矯直輥直徑為1.2 m，矯直速度為1.8 m/s，目前矯直工藝參數(shù)見表1。

圖1 水平矯直機示意圖Fig.1 The diagram of horizontal straightener

軸號2號輥4號輥6號輥8號輥壓下量(mm)15.0～18.011.0～14.03.0～6.0-3.0～3.0

鋼軌的彈性極限曲率半徑[7]為

(1)

式中，E為U75V軌彈性模量，E=210 GPa；H為鋼軌斷面高度，60 kg/m高速軌軌高H=176 mm；σt為U75V軌屈服強度，σt=550 MPa。

根據(jù)式(1)求得U75V 60 kg/m高速軌彈性極限曲率半徑ρt=33.6 m。

原始彎曲與弦高關系見圖2?；￠Ll、弦高δ0、以及原始曲率半徑ρ0三者關系[8]如下：

(2)

圖2 原始彎曲與弦高Fig.2 Original bending and high string

已知矯直機節(jié)距l(xiāng)=1.6 m，彈性極限曲率ρt=33.6 m，根據(jù)式(2)可求得δ0=4.75 mm，即平矯壓下量小于4.75 mm時，鋼軌發(fā)生純彈性變形，大于4.75 mm才開始產(chǎn)生彈塑性變形[9]。

目前現(xiàn)有的矯直方案中6號輥壓下量為3.0～6.0 mm、8號輥壓下量為-3.0～3.0 mm，而壓下量小于4.75 mm時，鋼軌產(chǎn)生的是純彈性變形，所以 6號輥和8號輥壓下量偏小。

6號輥與4號輥壓下量相差過大，這使得鋼軌過6號輥后殘余曲率較大，經(jīng)8號輥矯直后殘余曲率不能完全消除，導致矯后多數(shù)鋼軌平直度接近鐵路鋼軌標準上限，甚至有部分超出鐵路鋼軌標準范圍。

2號輥壓下量偏小，矯直時無法產(chǎn)生充分的塑形變形，不能迅速減小鋼軌端部不同方向、不同位置及不同大小的原始曲率差異，使得在經(jīng)過4號、6號、8號輥矯直后出現(xiàn)質量波動。

1.2 矯前原始曲率波動范圍大

鋼軌在終軋完成后斷面溫度分布不均勻[10]，軌頭的溫度高于軌底的溫度。鋼軌的終軋狀態(tài)直接影響其矯前彎曲度，終軋后鋼軌的彎曲度和斷面溫差都對鋼軌的矯前彎曲度有較大影響。

經(jīng)過反向預彎冷卻后,鋼軌矯前彎曲度大小和方向是不定的，不同方向、不同數(shù)值的原始曲率，經(jīng)過同一曲率的彈塑性彎曲后，其殘余曲率有趨向一致的特性。在實際生產(chǎn)中，為提高矯直效率，鋼軌矯直通常采用大變形+小變形矯直方案，即2號輥和4號輥給予大壓下量以迅速減小鋼軌原始曲率差異，然后6號輥和8號輥給予小變形以保證矯后的平直度。原始曲率波動范圍越大，需要給予的變形量也越大，因此，在矯直壓力確定的情況下，矯前鋼軌原始曲率波動范圍越小，矯后平直度越穩(wěn)定。圖3所示為小變形矯直方案，原始曲率在±C0范圍內波動的軋件在經(jīng)過矯直后，到6號輥處曲率逐漸趨于一致變成單值曲率。圖4所示為大變形矯直方案，在2號輥處給于很大的壓下量，軋件的曲率變化范圍由2C0縮小至ΔC2，到4號輥處時變成單值曲率，再經(jīng)過5號、6號、7號輥進行矯直。從圖3和圖4中可以明顯看出，小變形矯直方案殘余曲率明顯收斂得慢。

圖3 小變形矯直方案Fig.3 Small deformation straightening scheme

圖4 大變形矯直方案Fig.4 Big deformation straightening scheme

2 控制措施

2.1 合理分配矯直壓力

2.1.1試驗方案設計

矯直壓力的分配合理與否直接決定矯后平直度穩(wěn)定性，根據(jù)矯直理論，鋼軌端部彎曲度大且不規(guī)則，2號、4號輥宜采用大變形方案進行矯直，以迅速消除原始曲率差異；6號、8號輥宜采用小變形方案，主要消除經(jīng)2號、4號輥變形后的殘余曲率。按照上述思路，給2號、4號、6號、8號輥分別施加兩種壓力，進行正交試驗，利用鋼軌在線端部平直度檢測設備，統(tǒng)計鋼軌兩端平直度平均值及合格率。試驗方案見表2。表中，A、B、C、D為正交試驗的4個因子，分別表示2號輥、4號輥、6號輥和8號輥的壓力；標準序表示以標準順序完成試驗中運行的順序； 運行序表示以隨機順序完成試驗中運行的順序。

表2不同矯直工藝壓下量規(guī)程表

Tab.2Thescheduleofdifferentstraighteningprocess

標準序運行序ABCD壓下量(mm)2號輥4號輥6號輥8號輥11-1-1-1-11812638211112114854311-1-1211463241-1-1121126555-1-11118128566-111-1181483771-11-121128338-11-11181465

2.1.2試驗結果

每套矯直壓力統(tǒng)計樣本量為200根鋼軌，統(tǒng)計內容包括頭尾兩端平直度合格率和平均值，統(tǒng)計結果見表3。

表3 試驗結果

2.1.3方案選擇

上述8套試驗方案中，以平直度為依據(jù)選擇最終方案，由表3可以看出，方案7效果最佳，頭尾兩端平直度合格率都達到90%以上，且平直度均值達到0.21 mm/2 m和0.23 mm/2 m，因此，2號、4號、6號、8號矯直輥的最優(yōu)壓下量分布分別為21 mm、12 mm、8 mm、3 mm。

2.2 控制矯前原始曲率波動

在矯直壓力確定的情況下，為確定矯前原始曲率和矯后平直度的關系，減小矯前原始曲率對矯后平直度質量穩(wěn)定性的影響，現(xiàn)場隨機收集50組矯前矯后數(shù)據(jù)，2個一組，取每組的平均值進行擬合，得到矯前矯后平直度曲線，結果見圖5。

圖5 曲率變化圖Fig.5 The diagram of curvature transformation

圖5中擬合曲線線性相關系數(shù)R-Sq=80.5%，可以認為矯前和矯后平直度線性相關，因此矯前平直度的波動會直接影響矯后平直度的穩(wěn)定性。高速軌端部矯后平直度上彎標準為0～0.4 mm/2 m，那么根據(jù)擬合公式C=0.628+9.83C′，可以計算出矯前平直度控制范圍為0.628～4.56 mm/2 m。通過優(yōu)化預彎曲線，控制鋼軌冷卻后的平直度在上述標準范圍內，便能確保矯后鋼軌平直度在很小的范圍內波動。

2.3 結果分析

通過正交試驗結果分析，可以得出2號、4號、6號、8號水平矯直輥的最優(yōu)壓下量值分別為21 mm、12 mm、8 mm、3 mm，矯后尺寸、對稱度、腹腔大小均在正常變化范圍內，由于本套矯直方案增大了矯直變形量，其殘余應力將增大，故需對矯后殘余應力進行測量，測量結果表明殘余應力小于標準的250 MPa[11]，滿足生產(chǎn)要求。

3 結論

在鋼軌軋制和運輸過程中會形成端部復雜的彎曲曲率，采用大變形+小變形矯直思路，設計正交試驗，獲得了水平矯直機最優(yōu)壓下量分布，在矯直壓力確定的情況下，分析矯前矯后平直度數(shù)據(jù)，得出矯前原始曲率控制在越小的范圍波動，矯后端部平直度越穩(wěn)定的結論。