小半徑曲線鋼軌預彎工藝研究

崔紅偉 姜集忠 吳坤苗 董博南 楊東明 樂奉獻

(1.三亞軌道交通有限公司，海南 三亞 572029; 2.三亞市交通運輸局，海南 三亞 572099; 3.海南匯林建設投資有限公司，海南 三亞 572100; 4.成都市新筑路橋機械股份有限公司，四川 成都 611430)

有軌電車軌道上穿行于市區地面，存在多處小半徑曲線，最小半徑可達30 m，遠小于地鐵或輕軌線路的曲線半徑，這給鋼軌鋪設及精度控制帶來了極大的挑戰。而鋼軌作為軌道結構的重要部件，鋼軌鋪設質量的優劣(鋼軌鋪設、精度控制及殘余應力)會直接影響到鐵路的行車安全和鋼軌的使用壽命。

1 鋼軌滾彎工藝

為提升軌道曲線圓順度，新筑股份研制出了一套鋼軌連續滾彎技術及設備，并在成都、三亞等有軌電車線路上得到應用，與常規逐點頂彎工藝相比，連續滾彎技術有效提升了軌道的平順度。目前對于鋼軌的滾彎技術的理論研究尚不完備，但是滾彎技術在板材成型領域應用[1-3]較多，鋼軌滾彎具體實施過程如圖1所示。

對于板材成形方面的研究，目前已有很多學者進行大量的研究，如茅云生[4]、王艷[5]、HARDT[6]、付澤民[7]等，得出最大彎曲半徑RL與滾彎構件最終彎曲半徑RU間的關系式：

(1)

(2)

(3)

其中,ML為加工時最大彎曲半徑對應的彎矩;RL為最大彎曲半徑；d為上輥位移量；l為兩下輥間距離；RU為構件最終彎曲半徑。

根據式(1)～式(3)，可根據頂推量確定最終彎曲半徑，根據彎曲半徑可推算構件內的彎矩，最終獲得殘余應力大小。

但槽型鋼軌截面為非對稱截面，為更加精確計算殘余應力大小、影響范圍以及鋼軌工作邊變形情況，使用有限元方法計算滾彎工藝對鋼軌受力及幾何變形的影響。

2 模型建立

2.1 單元劃分與計算條件設置

本次鋼軌三輥滾彎模型采用實體單元進行計算分析，模型單元劃分如圖2所示。

因為本文只需知道鋼軌最大塑性變形處的殘余應力與最大彎矩值，所以材料屬性賦予中只對鋼軌達到的屈服應力進行了設定，在加載中為了模擬單點頂彎與連續滾彎需對鋼軌與輥輪進行不同的位移加載。為減少計算規模，對連續滾彎模型進行簡化：先進行單點頂彎，再滾彎兩道次，每次推進一定距離。鋼軌與所有輥輪的接觸均設置為摩擦接觸。

2.2 鋼軌的本構模型

60R2軌材料為U75V，根據拉伸試驗數據，確定材料基本參數如表1所示。

表1 U75V鋼材部分材料屬性

應力—應變曲線如圖3所示。

3 有限元模擬結果分析

3.1 單點頂彎與連續滾彎對比分析

目前國內有軌電車在處理小半徑曲線時大多采用單點頂彎多道次的工法，在三亞有軌電車項目中在處理小半徑曲線時創新的采用了三輥連續滾彎的工藝，現對這兩種鋼軌預彎工藝的鋼軌狀態進行有限元對比分析。

3.1.1鋼軌截面殘余應力分析

首先提取頂彎模型中鋼軌與上輥接觸橫截面，觀察其殘余應力分布情況，如圖4所示，并將各點的應力值記于表2之中。

表2 鋼軌不同部位殘余應力匯總表

部位①②③④⑤⑥殘余應力-8.65175.21-63.4957.22-175.2013.00注:負為壓應力,正為拉應力,單位MPa

由表2數據可發現以下幾點現象：鋼軌在滾彎時發生塑性變形，鋼軌回彈后殘余應力最大處為軌底彎曲的內外側邊緣，兩處的殘余應力等大反向；彎曲的內側會出現最大的拉應力，外側會出現最大的壓應力，這與物體在彈性階段的受力相反，其原因為鋼軌在卸載回彈階段會產生一個與加載時等大反向的彎矩，使鋼軌發生回彈變形[8]，如圖5所示。

3.1.2不同預彎工藝下鋼軌殘余應力大小分析

參考上述分析結果首先提取軌底外側單點頂彎與連續滾彎兩種工藝的最大殘余應力點應力變化圖，如圖6所示。

由圖6可知在上輥頂出20 mm的相同條件下，連續滾彎后的鋼軌最大殘余應力要小于單點頂彎的殘余應力，并且連續滾彎時隨著道次的增加鋼軌平順度與殘余變形也會增加，在應力曲線中不同道次的受力表現如圖6所圈，可以看出相比于單點頂彎，連續滾彎隨著道次的增加鋼軌殘余變形越大，平順度越高，所需的應力也越小。可預測連續滾彎工藝比單點頂彎工藝擁有更小的殘余應力，更加平順的鋼軌幾何形態，并且在預彎效率上也擁有優勢。

下面將不同推進量與滾彎次數對殘余應力的影響匯入表3之中，觀察其之間不同的變化趨勢。

表3 不同工況下鋼軌殘余應力匯總表

由表3可知，在不同的推進量下，單點頂彎的殘余應力依然大于連續滾彎，所以連續滾彎在對殘余應力的控制方面是優于單點頂彎的。

3.1.3不同預彎工藝下軌底外側殘余應力分布對比

考察三種不同的預彎方式下鋼軌軌底外側邊(如圖7點劃線所示區域)殘余應力分布，這三種預彎工況分別為：

工況1：外輥下頂20 mm，連續滾彎100 mm；

工況2：外輥下頂20 mm，連續滾彎80 mm；

工況3：外輥下頂20 mm，實現單點頂彎。

將上述三種預彎工況下的殘余應力分布曲線(只提取了兩下輥間的部分)繪于圖7之中。

1)在圖7中矩形(虛線)所圍區域為工況：外輥下頂20 mm，連續滾彎100 mm，滾彎經過區域，可見：連續滾彎經過的區域鋼軌中點截面殘余應力(123.0 MPa)明顯小于之前單點頂彎產生的殘余應力(175.2 MPa)，兩者相差52.2 MPa，連續滾彎工況下鋼軌軌底外側邊最大殘余應力(145.5 MPa)也是小于單點頂彎的最大殘余應力(175.2 MPa)，連續滾彎能夠明顯控制殘余應力的產生；

2)隨著滾彎距離的增加(由80 mm到100 mm)，鋼軌中點截面殘余應力有進一步減小的趨勢，說明在實際連續滾彎作業中，殘余應力也會較小于目前有限元模擬的數值，但是由圖7可以看出隨著滾彎距離的增加最大殘余應力是不會變的，而且存在于滾彎區域的邊界位置，所以在施工時，小曲線段縱向殘余應力最大的部位在鋼軌滾彎端部。

3.1.4不同預彎工藝下鋼軌殘余變形對比

提取單點頂彎和連續滾彎下鋼軌在曲線段軌行區的橫向殘余位移，繪入圖8中。

由圖8可知，上輥同樣頂20 mm，連續滾彎(滾彎100 mm)的最大殘余變形(0.7 mm)大于單點滾彎(0.3 mm)，是它的2.3倍。說明在完成相同預彎任務時單點滾彎不僅需要產生更大的殘余應力，且效率也沒有連續滾彎高。

3.2 軌道安全性檢算

需根據三亞當地情況進行軌道安全性驗算，首先計算出安全容許的殘余應力σ殘，如表4所示。

表4 殘余應力計算表

根據計算，在三亞地區，鋼軌容許殘余應力σ殘≤363-a-b-c=182.84 MPa。結合上述3.1節結論，滾彎在頂推20 mm時產生最大殘余應力145.5 MPa<182.84 MPa，又根據前文所提式(3)，在模型中提取彎矩后，便可計算出，當頂推20 mm后，曲線半徑約為25 m。所以使用連續滾彎工藝將鋼軌預彎至半徑25 m，鋼軌可以滿足安全性要求。

4 結論

本文通過相關數值模型和有限元仿真模型，得到了如

下幾點結論：

1)三輥連續滾彎技術在控制殘余應力、提高預彎效率、增加鋼軌平順度方面全面優于單點頂彎工藝；

2)在曲線段通過三輥連續滾彎得到的鋼軌，最大縱向殘余應力可能存在于滾彎鋼軌端部；

3)在三亞地區使用三輥連續滾彎技術鋪設60R2的無縫線路，其曲線半徑如果大于或等于25 m，則鋼軌自身的服役性能便能夠滿足要求。