振動時效在道岔制造中的應用

王再興

(中鐵寶橋(南京)有限公司，江蘇 南京 210046)

1 概述

鐵路道岔產品加工制造屬于傳統的機械加工制造業，經過多年的研究與探索，已擁有成熟的加工工藝，但隨著鐵路運輸速度的不斷提升，對道岔的質量也提出來更高的要求，還需進一步對工藝進行優化。

殘余應力是指在沒有對物體施加外力時，物體內部存在的為保持平衡的應力，它是固有應力或內應力的一種［1］。鋼軌件作為道岔的重要組成部分，在加工過程中會產生大量的殘余應力，這些殘余應力會在道岔使用過程中逐漸釋放，從而引起鋼軌的變形，甚至會導致裂紋和應力腐蝕，直接影響道岔的質量。因此，在道岔制造過程中將殘余應力消除成為提高道岔質量的關鍵工藝。

2 振動時效技術

為降低和消除殘余應力，通常采用時效技術，根據時效方式不同又分為自然時效(Natural Stress Relief，NSR)和振動時效(Vibration Stress Relief，VSR)等［2］。自然時效是將工件在自然條件下放置一定時間，使殘余應力逐漸釋放;該方法對保持工件的整體結構穩定性好，工藝簡單易行，但放置時間一般較長，不利于提高生產效率。振動時效是在周期性的外力作用下與工件產生共振，使工件產生適當的交變運動，進而松弛殘余應力，殘余應力消除效果是自然時效的5倍～10倍;振動時效技術設備簡單，易于實現自動化，操作時間短，生產效率高，適合在道岔的生產制造中應用。

在我國，振動時效技術的使用已經有20多年的歷史，在各行各業中得到廣泛的應用。在鑄造件、鍛壓件、焊接件、機加工件等各類零部件都已經可以通過振動時效來有效的消除殘余應力，這些零部件的殘余應力都是由傳統的機械冷、熱加工產生的［3］。道岔鋼軌件的加工制造一般包括鑄造、鍛造、機加工、熱處理等工序［4］，各工序中殘余應力的產生原因也是因為機械的冷、熱加工，因此可以用振動時效技術來消除道岔鋼軌件中的殘余應力。

3 振動時效技術參數

振動時效技術是用激振設備在工件上施加等幅交變循環激振力，構件在共振狀態下才能獲得最大的激振動應力，且動應力的大小會影響工件應力集中點處的合力方向和大小，只有合適的合力才能有效的消除殘余應力，因此需要按照不同工件的特點來擬定相應的工藝參數。

3.1 激振頻率

激振頻率是激振設備對工件施加的振動頻率。在對工件進行振動時效來消除殘余應力時，使用最合適的激振頻率能夠達到最好的效果;在共振頻率下，很小的周期振動便可產生很大的振動，系統儲存了動能，振動時效效果也最好，工件的共振頻率決定了激振頻率。

3.2 動應力

動應力是激振設備施加給工件以與其周期交變力相對應的動態附加力。動應力會在振動過程中與殘余應力互相作用，使殘余應力逐漸松弛、釋放，動應力越大，殘余應力降低量就越多。但是，動應力過大會導致本處于疲勞狀態的工件出現損傷，需要保證動應力在合適的范圍內。實際應用中，動應力相對難測量、控制，可以以振動幅值來代替動應力大小，鋼軌件的振動幅值通常選擇共振幅值的2/3。

3.3 激振時間

由于各工件的結構和重量不同，殘余應力的大小和分布不同，工件振動時效達到最佳效果的時間也有所不同，振動時間越長，雖振動效果越好，但達到一定效果后的繼續振動屬于無效勞動，不利于經濟化生產。

4 工作實例

選擇“時速250 km客專60 kg/m鋼軌18號單開道岔”的翼軌為本次工作實例。該翼軌全長19 660 mm，質量1 720 kg，60TY鋼軌原材，經機加工、淬火、頂調等工藝加工后進行振動時效處理。

1)圖1為翼軌振動時效布置示意圖。振動控制器控制激振器振動，使鋼軌產生同頻率振動，加速度傳感器將加速度以振動幅值形式反饋至振動控制器，用以確定激振力大小、判斷最終振動效果。

圖1 鋼軌振動時效示意圖

2)振動時效的實施。振動控制器可以設置自動和手動兩種模式，通過對某一類鋼軌進行長時間振動時效處理后，總結數據，可以設置自動模式減少操作時間。本實例為達到更好的時效效果采用手動模式，振動控制器只能以打印線型和數據方式導出數據。

a.為確定合適的激振頻率，應首先對鋼軌件進行振動掃錄，振動頻率為2 000 rpm～10 000 rpm，得到初始掃錄曲線，如圖2所示。根據掃錄曲線確定最佳共振點，選擇4個加速度最大點，分別為 6 693，7 888，8 181，9 632。

b.根據4個共振點，設置激振器相應轉速，加速度設置為共振加速度的2/3，分別為20，17，35，107。本鋼軌質量大，加工工藝復雜，殘余應力大，為保證振動效果和工作效率，設置每共振點激振10 min，共 40 min。

圖2 振動時效前初始掃錄曲線

圖3 振動時效后振后掃錄曲線

c.激振結束后，為判斷振動效果，需對鋼軌件重新進行振動掃錄，得到振后掃錄曲線，如圖3所示。根據掃錄曲線的對比，可以看出振后共振頻率降低，共振峰值(6 693)處有裂變現象，振后曲線帶寬比振前變窄。通過以上對比，即可判定該工件已達到時效效果［5］。

5 結語

道岔鋼軌件，通過振動時效處理后，能顯著的降低鋼軌內因機加工和熱處理產生的殘余應力，有效的提高道岔產品的質量。且振動時效技術使用難度低、設備成本低、工作效率高，便于推廣應用，可以提升企業的經濟效益與社會效益。振動時效技術在道岔制造中不僅能應用在鋼軌件上，還能應用于鑄造轍叉、焊接墊板等其他部件，將會對道岔制造技術帶來一系列提升。