李鈞正 韓志杰 陳紅衛(wèi)

（1.河鋼集團(tuán)邯鋼公司； 2.河鋼股份有限公司鋼鐵研究院）

0 引言

中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和國(guó)民生活質(zhì)量的不斷提高，推動(dòng)著國(guó)家鐵路運(yùn)輸向著高速、重載和高行車密度的方向發(fā)展。鋼軌是鐵路安全、穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)的重要組成部分，產(chǎn)品質(zhì)量影響著鐵路安全和使用壽命。軌底殘余應(yīng)力作為鋼軌的重要理化指標(biāo)之一，對(duì)鋼軌的使用狀況產(chǎn)生著重要影響，嚴(yán)重情況下會(huì)造成鋼軌突然斷裂，進(jìn)而發(fā)生列車安全事故[1-3]。TB/T2344—2012《43 ～75 kg/m 鋼軌訂貨技術(shù)條件》規(guī)定鋼軌軌底最大縱向殘余拉應(yīng)力應(yīng)不大于250 MPa[4]。

由于鋼軌矯直工藝對(duì)軌底殘余應(yīng)力影響較大，因此各鋼軌生產(chǎn)企業(yè)對(duì)矯直技術(shù)都十分重視，紛紛投入大量人力物力進(jìn)行鋼軌矯直設(shè)備及技術(shù)的研發(fā)[5-9]。筆者根據(jù)河鋼邯鋼鋼軌生產(chǎn)線平立復(fù)合矯直機(jī)的實(shí)際情況，運(yùn)用ABAQUS 軟件建立了鋼軌矯直過程有限元分析模型，對(duì)鋼軌矯直全過程進(jìn)行模擬，以研究矯直工藝對(duì)鋼軌軌底殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，為現(xiàn)場(chǎng)矯直工藝優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)支撐。

1 鋼軌生產(chǎn)流程及矯直工藝介紹

河鋼邯鋼鋼軌生產(chǎn)線于2012 年建成投產(chǎn)，設(shè)計(jì)能力80 萬t/年。鋼軌生產(chǎn)流程：鑄坯加熱→高壓水除磷→開坯機(jī)BD1 軋制→開坯機(jī)BD2 軋制→萬能可逆軋制→精軋→鋼軌打印→熱鋸切頭→（余熱淬火→）冷床冷卻→矯直→鋼軌檢測(cè)→鋸鉆加工→收集入庫(kù)。

鋼軌矯直采用平立復(fù)合矯直機(jī)。水平矯直機(jī)為雙支撐固定節(jié)距矯直機(jī)，較之懸臂梁式矯直機(jī)，設(shè)備剛度提高了，矯直質(zhì)量更好，并且在國(guó)內(nèi)率先采用了1 800 mm 的矯直輥節(jié)距，有效降低了鋼軌的矯后殘余應(yīng)力。矯直機(jī)中的矯直輥交錯(cuò)排列，鋼軌在矯直過程中經(jīng)過反復(fù)彎曲，原始曲率逐漸減小，最終達(dá)到鋼軌通長(zhǎng)平直的狀態(tài)。在輥式矯直機(jī)中每三個(gè)相鄰矯直輥組成一個(gè)矯直單元。以九輥水平矯直機(jī)為例，鋼軌整個(gè)矯直過程需要經(jīng)過7 個(gè)矯直單元，如圖1 所示。

圖1 鋼軌九輥水平矯直

2 矯直仿真模型的建立

筆者選擇產(chǎn)量最高的60N 規(guī)格U75V 鋼軌作為研究對(duì)象，針對(duì)鋼軌平立復(fù)合矯直工藝進(jìn)行數(shù)值模擬，研究矯直工藝對(duì)矯后鋼軌軌底殘余應(yīng)力的影響，鋼軌選擇可變形實(shí)體模型，長(zhǎng)度6 500 mm。U75V 鋼軌化學(xué)成分見表1，60N 鋼軌型式尺寸如圖2 所示。U75V 鋼軌材料模型參數(shù)、材料強(qiáng)度與應(yīng)變分別見表2 和表3。

表1 U75V 鋼軌化學(xué)成分

圖2 60N 鋼軌斷面（單位：mm）

表2 U75V 鋼軌材料模型參數(shù)

表3 U75V 鋼軌材料強(qiáng)度與應(yīng)變

河鋼邯鋼平立復(fù)合矯直機(jī)組水平輥由9 個(gè)輥組成，Hl～H9 輥配有孔型。矯直輥間距為1 800 mm，矯直輥直徑為1 000 mm。矯直速度取1.5 m/s。矯直輥在矯直過程中的彈性壓扁量很小，模擬時(shí)把矯直輥當(dāng)作剛性體，選擇解析剛體材料模型。該選項(xiàng)僅用于建立殼和曲線，當(dāng)模擬較簡(jiǎn)單的剛體時(shí)使用，為接觸分析提供剛性表面。鋼軌模型劃分了70 200 個(gè)單元、94 395 個(gè)節(jié)點(diǎn)，采用C3D8R六面體減縮積分單元，鋼軌模型斷面網(wǎng)格劃分和縱向網(wǎng)格劃分如圖3 和圖4 所示。

圖3 鋼軌模型斷面網(wǎng)格劃分

圖4 鋼軌模型縱向網(wǎng)格劃分

在平立復(fù)合矯直模型中，鋼軌與矯直輥間的摩擦力是導(dǎo)致鋼軌前進(jìn)的動(dòng)力。鋼軌最先經(jīng)過水平矯直機(jī)，水平矯直輥以恒定角速度繞Y 軸線旋轉(zhuǎn)，其余五個(gè)自由度均固定；然后鋼軌經(jīng)過矯直立輥，矯直立輥則繞Z 軸線以恒定角速度旋轉(zhuǎn)，其余五個(gè)自由度固定。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際情況，在計(jì)算機(jī)仿真模型中對(duì)鋼軌施加了1.2 m/s 的初速度，接觸選擇ABAQUS/Explicit 中的面-面接觸，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.12。鋼軌平立復(fù)合矯直有限元模型如圖5 所示。

圖5 鋼軌平立復(fù)合矯直有限元模型

3 矯直工藝試驗(yàn)設(shè)計(jì)

由于變量較多（4 個(gè)水平矯直輥和3 個(gè)立輥），為科學(xué)合理安排試驗(yàn)，采用了正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)兼顧全面實(shí)驗(yàn)法和簡(jiǎn)單對(duì)比法的優(yōu)點(diǎn)，它利用較少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)獲得最優(yōu)的試驗(yàn)結(jié)果[9-11]，尤其在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方面優(yōu)勢(shì)明顯，被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)改造和工藝優(yōu)化等領(lǐng)域的研究。

結(jié)合矯直機(jī)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)工藝，選取水平輥矯直第二道、第四道、第六道、第八道（即H2、H4、H6、H8）壓下量和立輥矯直第二道、第四道、第六道（即V2、V4、V6）壓下量作為影響因素，每個(gè)因素選擇5 個(gè)水平，采用L50（57）正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行矯直工藝優(yōu)化試驗(yàn)，具體正交試驗(yàn)因素水平見表4。在此基礎(chǔ)上確定了本次正交試驗(yàn)方案，見表5。

表4 正交試驗(yàn)因素水平

表5 正交實(shí)驗(yàn)方案

4 矯直模擬結(jié)果分析

4.1 正交實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果

對(duì)50 個(gè)矯直方案模擬結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表6。

表6 矯直正交實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果

4.2 正交實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果分析

4.2.1 不同矯直輥對(duì)軌底殘余應(yīng)力的影響

對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行直觀法分析。對(duì)每個(gè)因素各水平對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果，相加求和，記為Ki，求其平均值，記為ki。求極差，確定因素的主次。矯直正交實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果分析見表7。

表7 矯直正交實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果分析

極差R 是一個(gè)反映因素對(duì)結(jié)果影響大小的量。根據(jù)極差值可以看出，對(duì)軌底殘余應(yīng)力影響顯著的是水平矯直輥，如圖6 所示。水平輥H6 對(duì)軌底殘余應(yīng)力影響最為顯著，軌底殘余應(yīng)力隨著水平矯直輥H6 壓下量的增大而增大，不同水平設(shè)置的波動(dòng)幅度可達(dá)111.5 MPa；其次是水平矯直輥H4，波動(dòng)幅度達(dá)68.8 MPa；水平輥H2 與軌底殘余應(yīng)力呈負(fù)相關(guān)，即殘余應(yīng)力隨著壓下量的增加而減??；水平輥H8 和立輥V2、V4、V6 壓下量同軌底殘余應(yīng)力的極差值較小，對(duì)軌底殘余應(yīng)力影響有限；矯直輥總壓下量、水平輥總壓下量和立輥總壓下量對(duì)軌底殘余應(yīng)力無顯著影響。

圖6 正交實(shí)驗(yàn)因素和k 平均值關(guān)系

4.2.2 矯直輥總壓下量對(duì)軌底殘余應(yīng)力的影響

對(duì)水平輥和立輥壓下量之和、水平輥壓下量之和以及立輥壓下量之和對(duì)殘余應(yīng)力的影響進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7～圖9 所示。

從圖7 可以看出，整體上隨總壓下量增加，軌底殘余應(yīng)力呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，但是相關(guān)性弱。總壓下量相同時(shí)，軌底殘余應(yīng)力波動(dòng)幅度較大，可達(dá)150～200 MPa，矯直輥總壓下量與軌底殘余應(yīng)力相關(guān)性不顯著。

圖7 壓下量之和與軌底殘余應(yīng)力的關(guān)系

從圖8 和圖9 可以看出，水平輥總壓下量和立輥總壓下量相同時(shí)，軌底殘余應(yīng)力波動(dòng)幅度較大，可達(dá)150～200 MPa，水平矯直輥總壓下量和立輥總壓下量與軌底殘余應(yīng)力相關(guān)性不顯著。

圖8 水平輥壓下量之和與軌底殘余應(yīng)力的關(guān)系

圖9 立輥壓下量之和與軌底殘余應(yīng)力的關(guān)系

5 仿真模型的工業(yè)應(yīng)用

為驗(yàn)證矯直仿真模型的準(zhǔn)確性，在工業(yè)生產(chǎn)中以60N 規(guī)格U75V 鋼軌為對(duì)象進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證試驗(yàn)，水平矯直機(jī)按照不同的壓下規(guī)程進(jìn)行矯直生產(chǎn)，矯直立輥工藝規(guī)程保持不變，在矯后鋼軌東端鋸切1 m 后取三個(gè)試樣測(cè)量鋼軌的軌底殘余應(yīng)力，軌底殘余應(yīng)力檢驗(yàn)方法為TB/T2344-2012《43 kg/m ～75 kg/m 鋼軌訂貨技術(shù)條件》附錄F：軌底面縱向殘余應(yīng)力測(cè)定方法。矯直工藝及軌底殘余應(yīng)力檢驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 矯直工藝及軌底殘余應(yīng)力檢驗(yàn)結(jié)果

對(duì)軌底殘余應(yīng)力檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，增加H4 矯直輥壓下量，軌底殘余應(yīng)力由237 MPa 提高到270 MPa，提升效果顯著；降低H6 矯直輥壓下量，軌底殘余應(yīng)力降低了16 MPa；增加H2矯直輥壓下量或減小H8 矯直輥壓下量，軌底殘余應(yīng)力變化趨勢(shì)不明顯。工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果與矯直仿真模型計(jì)算趨勢(shì)一致，這說明矯直仿真模型是準(zhǔn)確的。

6 結(jié)語

（1）對(duì)軌底殘余應(yīng)力影響顯著的是水平矯直輥。水平輥H6 對(duì)軌底殘余應(yīng)力影響最為顯著，軌底殘余應(yīng)力隨著水平矯直輥H6 壓下量的增大而增大，不同水平設(shè)置的波動(dòng)幅度可達(dá)111.5 MPa；其次是水平矯直輥H4，波動(dòng)幅度達(dá)68.8 MPa；水平輥H2 與軌底殘余應(yīng)力呈負(fù)相關(guān)，即殘余應(yīng)力隨壓下量增加而減?。凰紿8 和立輥V2、V4、V6 壓下量同軌底殘余應(yīng)力的極差值較小，對(duì)軌底殘余應(yīng)力影響有限。

（2）矯直輥總壓下量、水平輥總壓下量和立輥總壓下量對(duì)軌底殘余應(yīng)力無顯著影響。

（3）工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果與矯直仿真模型計(jì)算趨勢(shì)一致，表明矯直仿真模型是準(zhǔn)確的。