國標60N、75N新廓形鋼軌研制

王代文，冷元平，鄧長富，呂攀峰

（攀鋼集團攀枝花鋼釩有限公司軌梁廠，四川 攀枝花 617000）

鋼軌是軌道結構中的重要部件之一，在軌道系統中起著至關重要的作用。為此，中國鐵道科學研究院開展了適應30 t軸重鋼軌的軌型、廓形、強度級別、維修養護策略、標準等的深入研究，在此基礎上提出我國30 t軸重鐵路用鋼軌技術體系及標準。同時，在借鑒北美鐵路鋼軌廓形優化經驗基礎上，結合我國大秦線、朔黃線等重載線路鋼軌傷損情況，提出了國標60N、75N新廓形鋼軌。為了高精度地工業化生產60N、75N新廓形鋼軌，攀鋼圍繞新廓形鋼軌研制技術難點，通過采用計算機仿真技術優選設計方案，并開展多輪工業試驗，率先在國內成功研制出60N、75N新廓形鋼軌。

1 技術難點

60 kg/m和75 kg/m鋼軌的踏面圓弧分別為R300+R80+R13和 R500+R80+R15 （五段式），而60N和75N鋼軌的踏面圓弧分別為R200+R60+R16+R8和R200+R50+R16+R8（七段式）。從圓弧總體效果看，60N和75N圓弧中段更“鼓”，在生產60 kg/m和75 kg/m鋼軌時，孔型軋制過程中均時有出現踏面過平的問題。由于攀鋼鋼軌萬能軋制工藝U1和U2采用全萬能模式，而終軋道次UF軋機采用半萬能軋制［1-3］。在此工藝模式下，軌頭踏面圓弧處于自由展寬，由于UF軋機的軋制壓下量較小（尺寸精度控制需要），該道次對形成更“鼓”的作用減小。此外，BD2軋機最后一個孔型（先導孔）是一個上下兩部分完全對稱的孔型，而實際軋件卻是一個不對稱的軋件，見圖1（紅線為設計的孔型線，黑線是實物），這樣的來料給后面成品形狀調整帶來了較大困難。

圖1 60 kg/m鋼軌BD2來料形狀Fig.1 Shapes of Supplied BD2 Material for Making 60 kg/m Steel Rail

由于BD2軌形延伸孔軌頭踏面設計有2%的斜度，同時該孔上頭部的金屬量為1 858 mm2，下頭部金屬量為2 061mm2，比上頭部多10%左右。因為BD2先導孔是一上下對稱的、中間開口的孔型，無法消除上一孔型帶來的軌頭斜度。且BD2來料及軋制線的下調，致使軋邊機軌頭上下兩部分壓下量不一樣，軌高方向的展寬量也不一樣，因而出現BD2來料軌頭北側（上部）金屬量較下部少，BD2第2孔上下頭部金屬量對比如圖2所示。

圖2 BD2第2孔上下頭部金屬量對比Fig.2 Comparison of Metal Content between Upper and Lower Heads of No.2 Hole in BD2

由于 BD2來料南北側金屬量不對稱、軋制過程中的軋制線高度和成品軌高調整都會影響成品軌頭廓形。如何在現有軋制工藝條件下，消除軋制溫度、BD2來料形狀、軋制線高度調整和軌高調整等因素影響，使60N和75N鋼軌踏面軋制的更“鼓”，其難度比60 kg/m和75 kg/m鋼軌更大。

2 采取的技術措施

考慮攀鋼軋制工藝的特點，將踏面圓弧控制工藝前移到U2來實現，同時在矯直工藝上采取弧形矯直圈，降低矯直工序將踏面“壓平”，實現60N和75N鋼軌的高精度圓弧控制。

2.1 BD2孔型優化設計

BD2軋機軋制三道次，配置有軌型切深孔、軌型延伸孔、先導孔。軌型延伸孔上頭部為閉口孔槽、下部為開口孔槽，由于軌頭側壁的存在，如果上下頭部高度相同的話，則下頭部金屬量多余上頭部，在現有60 kg/m、75 kg/m鋼軌工藝中就存在這樣的問題，這樣設計會影響成品上頭部廓形。因此，在國標60、75 kg/m新廓形鋼軌開發中，采用軌型延伸孔上頭部金屬量多于下頭部的思路進行BD2軋機孔型設計。優化后的BD2孔型主要尺寸見圖3。

圖3 優化設計后的軌型延伸孔主要尺寸Fig.3 Main Dimensions of Rail Type Extension Holes after Optimization Design

2.2 U1軋機軌頭立輥參數設計

U1軋機軌頭立輥主要對鋼軌軌頂面形狀進行粗加工，為了保證成品軌頭廓形，糾正BD2軋機來料帶來的軌頭上下兩部分金屬量不對稱問題，在設計U1軌頭立輥形狀時采用上下兩部分非對稱設計，即上部金屬量多于下部。圖中S1、S2 取 15～25 mm， 此機架 S1=22.5 mm，S2=20 mm，槽口寬度B1比BD2軋機來料對應部位大2～5 mm，R值根據標準斷面選取；孔型側壁斜度取30%～35%。U1軌頭立輥孔型主要參數見圖4。

圖4 U1軌頭立輥孔型主要參數Fig.4 Main Parameters of Vertical Roller Pass for U1 Rail Head

2.3 U2軋機軌頭立輥參數設計

（1）制定設計方案。U2軋機軌頭立輥參數設計非常關鍵，它直接影響到成品軌頭廓形。在U2軋機軌頭立輥參數中，最關鍵的是圓弧尺寸設計，它與UF軋機軌頭垂直方向壓下量、矯直對軌頂面壓下量等因素有關，為此設計了三種方案見表1。

表1 U2軋機軌頭立輥R值設計方案Table 1 Design Scheme for R-value of Rail Head Vertical Roll of U2 Rolling Mill mm

（2）采用數值仿真軟件進行方案優選［4-7］。U2軌頭立輥孔型主要參數見圖5，根據E2和UF孔型參數建立有限元模型見圖6。

圖5 U2軌頭立輥孔型主要參數Fig.5 Main Parameters of Vertical Roller Pass for U2 Rail Head

圖6 工藝 E2、UF軋制模型Fig.6 Model for Process E2 and UF Rolling

（3）仿真計算。將U75V材料相關的高溫屬性、邊界條件和工況條件施加到模型中，進行三種不同方案的有限元計算，計算結果如圖7所示（圖中藍色表示標準廓形，紅色表示仿真模擬形狀）。

圖7 仿真結果Fig.7 Simulation Results

從圖7的仿真結果可以看出，在方案二和方案三中，在U2處將踏面圓弧半徑減小后，60N軋件的軌距角圓弧充滿度顯著提升，如果再考慮到矯直工序將踏面輕微壓下，整個U2孔型優化后，60N鋼軌的成品尺寸精度保障效果更好。

2.4 規范萬能軋機軋制線高度調整

萬能法軋制鋼軌其孔型通常由四支軋輥組成一個孔型，兩支水平軋輥、兩支立輥，對鋼軌進行四個方向的軋制加工。上下水平輥通過調整液壓缸的行程不同來實現軋制線高度的調整，立輥上下方向不能調整，只能在軌高（左右）方向進行調整。軋制線高度調整會影響軋件軌頭廓形，致使軌頭廓形出現不對稱，圖8顯示了三種不同軋制線高度狀態下軋件對稱情況。

圖8 軋制線高度對軋件尺寸的影響Fig.8 Effect of Rolling Line Height on Dimensions of Rolled Pieces

圖8（a）為軋制線高度正常情況下軋件沿軌腰中心線上下兩部分是對稱分布的；圖8（b）為軋制線調高情況下軋件沿軌腰中心線上下兩部分是不對稱分布的，下部金屬量多于上部；圖8（c）為軋制線調低情況下軋件沿軌腰中心線上下兩部分是不對稱分布的，下部金屬量少于上部（圖中紅線表示下部金屬量）。因此，對軋制線高度調整進行了規范：U1軋機允許±3 mm、U2軋機允許±1 mm。

2.5 矯直圈弧形工藝設計

鋼軌矯直采用的是平立復合生產工藝，水平矯直機為9輥懸臂式，主要對鋼軌上下彎曲度進行矯直；立式矯直機為7輥懸臂式，主要對鋼軌水平方向彎曲度進行矯直。從矯直變形分析，水平矯直機對鋼軌軌頭廓形有較大影響，因此，重點對水平矯直機的矯直輥進行設計。由于水平矯直機將鋼軌軌頭壓平，如果采用平面設計，矯直壓平量會更大。因此，水平矯直機上矯直輥設計成圓弧形狀，具體見圖9。

圖9 60N、75N鋼軌上水平矯直輥Fig.9 Horizontal Straightening Rollers on 60N and 75N Steel Rails

3 工業生產及線路使用效果

3.1 鋼軌廓形與標準斷面比對情況

試制的60N、75N鋼軌通過了鐵科院驗收，以60N為例，其鋼軌廓形與標準斷面比對吻合良好，具體見圖10。

圖10 60N鋼軌軌頭廓形Fig.10 60N Rail Head Profile

3.2 線路使用效果

3.2.1 60N鋼軌線路使用效果

60N新廓形鋼軌在京石高鐵，成都、蘭州、太原鐵路局等鋪設使用后，顯著改善了輪軌接觸關系，減少了輪軌受力，延緩了滾動接觸疲勞傷損的發生和發展。

成昆線由于彎道多，在曲線上使用60 kg/m鋼軌半年后就出現了嚴重的剝離掉塊問題，影響鐵路運行安全；在成昆線直線段上使用的60 kg/m U75V熱軋鋼軌光帶在軌距角位置，并出現肥邊，軌距角有剝離掉塊現象。

為緩解成昆線剝離掉塊傷損，在該線路上鋪設了攀鋼生產的60N新廓形鋼軌，60N鋼軌在成昆西昌鋪設上道約半年，在直線段上光帶居中，曲線段上未出現剝離掉塊。對比60 kg/m鋼軌，在直線段上交接部位的光帶可明顯見到，在60N鋼軌上，車輪未接觸軌距角，輪軌關系更好。

3.2.2 75N鋼軌線路使用效果

對大秦線75N使用進行了多次跟蹤觀測，得出了75N鋼軌鋪設使用效果如下：

（1）75N鋼軌無論預打磨還是未進行預打磨，在直線段上鋼軌光帶均較為居中，軌距角未出現肥邊和剝離掉塊，軌面光潔，鋼軌使用狀態較好，達到了75N鋼軌的設計目標。

（2）在曲線段上使用，75N鋼軌未出現軌距角肥邊，表現出具有良好的輪軌接觸關系。

（3）75N鋼軌的使用結果表明，是否進行預打磨對鋼軌的使用無大的影響，說明鋪設75N鋼軌可減少一次預打磨。

（4）使用結果表明，75N鋼軌顯著改善了輪軌受力，減少了軌距角的傷損。

截止到2022年底，已累計生產452.4萬t 60N、75N新廓形鋼軌，并成功應用到滬昆線、成昆線、大秦線、朔黃線等線路。

4 結論

（1）通過采用BD軋機孔型優化設計、U1軋機軌頭立輥孔型非對稱、數值仿真方案優選等技術措施，成功研制出60N、75N新廓形鋼軌。

（2）60N、75N新廓形鋼軌可顯著改善輪軌接觸關系，減少輪軌受力，延緩滾動接觸疲勞傷損的發生和發展，截至2022年底，已累計生產452.4萬t 60N、75N新廓形鋼軌，并成功應用到滬昆線、成昆線、大秦線、朔黃線等線路。