重軌矯直殘余應力有限元模擬研究

梁 婕， 袁希金， 張亞軍， 李永成

（1.中鐵物總技術有限公司， 北京 100036；2.河鋼股份有限公司邯鄲分公司生產制造部，河北 邯鄲 056015；3.河鋼股份有限公司邯鄲分公司線棒材廠， 河北 邯鄲 056015；4.河鋼股份有限公司邯鄲分公司邯寶冷軋廠， 河北 邯鄲 056015）

高速鐵路的建設在帶動我國區域經濟建設的同時也促進了高速鐵路鋼軌技術的發展[1，2]。重軌作為軌道結構中最重要的組成部件，啟著承受載荷、引導車輪順利行進的重要作用，而重軌優良的物理性能與它斷面幾何尺寸、平直度、殘余應力、生產工藝等有著密切的聯系[3]。

重軌內部殘余應力是重軌交貨的一個重要質量指標，殘余應力的大小及其在重軌內部的分布對安全行車有著極其重要的影響[4-7]，鐵標TB/T 2344—2012 及EN 鋼軌標準（2006）均要求高速鋼軌軌底的縱向最大殘余拉應力應不大于250 MPa。重軌生產過程中殘余應力的產生與軋制、預彎、矯直等工序有關。矯直作為重軌生產的最后一道精加工工序，矯直工藝對于控制鋼軌平直度及內部殘余應力有著重要的影響。重軌軋后預彎冷卻、水平矯直輥壓下規程、矯直速度等均影響矯直殘余應力。本文模擬重軌水平矯直過程，研究弦高、壓下規程對矯后殘余應力影響對指導實際生產、提高生產效率有重要意義。

1 模型建立

采用ABAQUS 有限元軟件建立60 kg/m 重軌的水平矯直過程模型。根據某廠實際生產工藝建立8+1 的水平矯直模型（圖1），矯直輥定義為剛性體，建模參數見表1。重軌材質為U71Mn，室溫應力-應變曲線如圖2 所示，材料參數見表2。為簡化模擬計算重軌模型長度為10 m，質量縮放系數為10，重軌截面網格劃分如圖3 所示[8]。

圖1 重軌水平矯直模型

圖2 重軌應力- 應變曲線

圖3 60 kg/m 重軌斷面網格劃分

表1 水平輥模擬參數

表2 重軌材料參數

在重軌8+1 水平矯直過程中，每三個水平矯直輥構成了一個矯直區域，重軌在每個矯直區域發生一次反向彎矯變形，總共進行了七次彈塑性矯直變形[9-10]，如下頁圖4 所示。

2 結果分析

2.1 弦高對殘余應力影響

模擬研究了重軌預彎冷卻后，弦高分別為：600mm、700 mm、800 mm，在 22 mm-19 mm-7 mm-5 mm 相同壓下規程水平矯直過程。三個不同弦高矯后3 m處橫截面縱向殘余應力分布如圖5 所示。由圖中可知，不同弦高矯后縱向殘余應力分布相近，軌頭-軌腰-軌底應力分布為壓應力-壓應力-拉應力。測量弦高600 mm、700 mm、800 mm 重軌矯后軌底中心縱向拉應力，分別為 94 MPa、126 MPa、145 MPa。重軌矯后軌底中心縱向殘余應力值隨矯前弦高的增加而逐漸增大，重軌矯前弦高與預彎冷卻曲線的設定相關，為保證鋼軌矯后內部較小的殘余應力，在實際生產中應制定合理的矯直預彎曲線，有效控制重軌冷卻弦高，降低矯后殘余應力[11]。

圖4 重軌水平矯直變形區

圖5 不同弦高矯后縱向殘余應力分布

在重軌矯后3 m 處沿軌頭中心到軌底中心依次選取節點繪制縱向應力測量路徑，測量重軌矯后表面縱向殘余應力分布，結果如圖6 所示。弦高600 mm、700 mm、800 mm 重軌矯后表面殘余應力基本相近，大致呈“S”形分別，在軌頭下顎和軌底軌腰連接處縱向應力均由拉應力轉變為壓應力，這可能與水平矯直過程中軌頭與軌底與矯直輥相互作用產生彈塑性變形，而軌頭下顎和底軌腰連接處沒有直接作用相關。

2.2 壓下規程對殘余應力影響

模擬弦高800 mm 重軌三種壓下規程矯直工藝（表3）。A 工藝為重軌標準矯直壓下規程，B、C 為現場不同矯直工藝。由表3 可知，B 規程矯后軌底中心縱向殘余應力小于A、C 規程，且壓下規程藝對重軌矯后殘余應力影響大于弦高影響。對比A、B、C 壓下規程，重軌矯后殘余應力隨著R6、R8 輥壓下量的增加而增大，且增加R6 輥的壓下量重軌矯后殘余應力的增加比增加R8 輥壓下量作用明顯。因此，在保證重軌矯后平直度的要求的前提下[12]，可采取增大R2、R4 輥的壓下量，適當降低 R6、R8 壓下量的調整方法來降低鋼軌矯后殘余應力。即使重軌在Ⅵ、Ⅶ矯直變形區產生較小的彈塑性變形，將有利于降低矯后殘余應力。

圖6 重軌不同弦高矯后表面殘余應力分布

表3 壓下規程對殘余應力影響

3 結論

1）重軌矯后殘余應力隨矯前弦高的增加而增大。22 mm-19 mm-7 mm-5 mm 矯直壓下規程，弦高600 mm、700 mm、800 mm 重軌，矯后軌底中心縱向殘余應力分別為94 MPa、126 MPa、145 MPa。工業生產中可通過制定合適的預彎曲線降低矯前弦高，減小矯后縱向殘余應力。

2）重軌矯后殘余應力隨著R6、R8 輥壓下量的增加而增大。適當減小R6、R8 矯直輥壓下量，使重軌在Ⅵ、Ⅶ矯直變形區產生較小的彈塑性變形，有利于降低矯后殘余應力。