王代文，冷元平，鄧長(zhǎng)富，呂攀峰

（攀鋼集團(tuán)攀枝花鋼釩有限公司軌梁廠，四川 攀枝花 617000）

鋼軌是軌道結(jié)構(gòu)中的重要部件之一，在軌道系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。為此，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院開展了適應(yīng)30 t軸重鋼軌的軌型、廓形、強(qiáng)度級(jí)別、維修養(yǎng)護(hù)策略、標(biāo)準(zhǔn)等的深入研究，在此基礎(chǔ)上提出我國(guó)30 t軸重鐵路用鋼軌技術(shù)體系及標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，在借鑒北美鐵路鋼軌廓形優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)大秦線、朔黃線等重載線路鋼軌傷損情況，提出了國(guó)標(biāo)60N、75N新廓形鋼軌。為了高精度地工業(yè)化生產(chǎn)60N、75N新廓形鋼軌，攀鋼圍繞新廓形鋼軌研制技術(shù)難點(diǎn)，通過采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)優(yōu)選設(shè)計(jì)方案，并開展多輪工業(yè)試驗(yàn)，率先在國(guó)內(nèi)成功研制出60N、75N新廓形鋼軌。

1 技術(shù)難點(diǎn)

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(chǎn)60 kg/m和75 kg/m鋼軌時(shí)，孔型軋制過程中均時(shí)有出現(xiàn)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(jī)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(jī)的軋制壓下量較小（尺寸精度控制需要），該道次對(duì)形成更“鼓”的作用減小。此外，BD2軋機(jī)最后一個(gè)孔型（先導(dǎo)孔）是一個(gè)上下兩部分完全對(duì)稱的孔型，而實(shí)際軋件卻是一個(gè)不對(duì)稱的軋件，見圖1（紅線為設(shè)計(jì)的孔型線，黑線是實(shí)物），這樣的來料給后面成品形狀調(diào)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(shè)計(jì)有2%的斜度，同時(shí)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?yàn)锽D2先導(dǎo)孔是一上下對(duì)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(diào)，致使軋邊機(jī)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(xiàn)BD2來料軌頭北側(cè)（上部）金屬量較下部少，BD2第2孔上下頭部金屬量對(duì)比如圖2所示。

圖2 BD2第2孔上下頭部金屬量對(duì)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(cè)金屬量不對(duì)稱、軋制過程中的軋制線高度和成品軌高調(diào)整都會(huì)影響成品軌頭廓形。如何在現(xiàn)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(diào)整和軌高調(diào)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(shù)措施

考慮攀鋼軋制工藝的特點(diǎn)，將踏面圓弧控制工藝前移到U2來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)在矯直工藝上采取弧形矯直圈，降低矯直工序?qū)⑻っ妗皦浩健?，?shí)現(xiàn)60N和75N鋼軌的高精度圓弧控制。

2.1 BD2孔型優(yōu)化設(shè)計(jì)

BD2軋機(jī)軋制三道次，配置有軌型切深孔、軌型延伸孔、先導(dǎo)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(cè)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(xiàn)有60 kg/m、75 kg/m鋼軌工藝中就存在這樣的問題，這樣設(shè)計(jì)會(huì)影響成品上頭部廓形。因此，在國(guó)標(biāo)60、75 kg/m新廓形鋼軌開發(fā)中，采用軌型延伸孔上頭部金屬量多于下頭部的思路進(jìn)行BD2軋機(jī)孔型設(shè)計(jì)。優(yōu)化后的BD2孔型主要尺寸見圖3。

圖3 優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jī)軌頭立輥參數(shù)設(shè)計(jì)

U1軋機(jī)軌頭立輥主要對(duì)鋼軌軌頂面形狀進(jìn)行粗加工，為了保證成品軌頭廓形，糾正BD2軋機(jī)來料帶來的軌頭上下兩部分金屬量不對(duì)稱問題，在設(shè)計(jì)U1軌頭立輥形狀時(shí)采用上下兩部分非對(duì)稱設(shè)計(jì)，即上部金屬量多于下部。圖中S1、S2 取 15～25 mm， 此機(jī)架 S1=22.5 mm，S2=20 mm，槽口寬度B1比BD2軋機(jī)來料對(duì)應(yīng)部位大2～5 mm，R值根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)斷面選?。豢仔蛡?cè)壁斜度取30%～35%。U1軌頭立輥孔型主要參數(shù)見圖4。

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

2.3 U2軋機(jī)軌頭立輥參數(shù)設(shè)計(jì)

（1）制定設(shè)計(jì)方案。U2軋機(jī)軌頭立輥參數(shù)設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵，它直接影響到成品軌頭廓形。在U2軋機(jī)軌頭立輥參數(shù)中，最關(guān)鍵的是圓弧尺寸設(shè)計(jì)，它與UF軋機(jī)軌頭垂直方向壓下量、矯直對(duì)軌頂面壓下量等因素有關(guān)，為此設(shè)計(jì)了三種方案見表1。

表1 U2軋機(jī)軌頭立輥R值設(shè)計(jì)方案Table 1 Design Scheme for R-value of Rail Head Vertical Roll of U2 Rolling Mill mm

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

圖5 U2軌頭立輥孔型主要參數(shù)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(jì)算。將U75V材料相關(guān)的高溫屬性、邊界條件和工況條件施加到模型中，進(jìn)行三種不同方案的有限元計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖7所示（圖中藍(lán)色表示標(biāo)準(zhǔn)廓形，紅色表示仿真模擬形狀）。

圖7 仿真結(jié)果Fig.7 Simulation Results

從圖7的仿真結(jié)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?qū)⑻っ孑p微壓下，整個(gè)U2孔型優(yōu)化后，60N鋼軌的成品尺寸精度保障效果更好。

2.4 規(guī)范萬能軋機(jī)軋制線高度調(diào)整

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

圖8 軋制線高度對(duì)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(duì)稱分布的；圖8（b）為軋制線調(diào)高情況下軋件沿軌腰中心線上下兩部分是不對(duì)稱分布的，下部金屬量多于上部；圖8（c）為軋制線調(diào)低情況下軋件沿軌腰中心線上下兩部分是不對(duì)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(duì)軋制線高度調(diào)整進(jìn)行了規(guī)范：U1軋機(jī)允許±3 mm、U2軋機(jī)允許±1 mm。

2.5 矯直圈弧形工藝設(shè)計(jì)

鋼軌矯直采用的是平立復(fù)合生產(chǎn)工藝，水平矯直機(jī)為9輥懸臂式，主要對(duì)鋼軌上下彎曲度進(jìn)行矯直；立式矯直機(jī)為7輥懸臂式，主要對(duì)鋼軌水平方向彎曲度進(jìn)行矯直。從矯直變形分析，水平矯直機(jī)對(duì)鋼軌軌頭廓形有較大影響，因此，重點(diǎn)對(duì)水平矯直機(jī)的矯直輥進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于水平矯直機(jī)將鋼軌軌頭壓平，如果采用平面設(shè)計(jì)，矯直壓平量會(huì)更大。因此，水平矯直機(jī)上矯直輥設(shè)計(jì)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(yè)生產(chǎn)及線路使用效果

3.1 鋼軌廓形與標(biāo)準(zhǔn)斷面比對(duì)情況

試制的60N、75N鋼軌通過了鐵科院驗(yàn)收，以60N為例，其鋼軌廓形與標(biāo)準(zhǔn)斷面比對(duì)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(shè)使用后，顯著改善了輪軌接觸關(guān)系，減少了輪軌受力，延緩了滾動(dòng)接觸疲勞傷損的發(fā)生和發(fā)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(xiàn)了嚴(yán)重的剝離掉塊問題，影響鐵路運(yùn)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(xiàn)肥邊，軌距角有剝離掉塊現(xiàn)象。

為緩解成昆線剝離掉塊傷損，在該線路上鋪設(shè)了攀鋼生產(chǎn)的60N新廓形鋼軌，60N鋼軌在成昆西昌鋪設(shè)上道約半年，在直線段上光帶居中，曲線段上未出現(xiàn)剝離掉塊。對(duì)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(guān)系更好。

3.2.2 75N鋼軌線路使用效果

對(duì)大秦線75N使用進(jìn)行了多次跟蹤觀測(cè)，得出了75N鋼軌鋪設(shè)使用效果如下：

（1）75N鋼軌無論預(yù)打磨還是未進(jìn)行預(yù)打磨，在直線段上鋼軌光帶均較為居中，軌距角未出現(xiàn)肥邊和剝離掉塊，軌面光潔，鋼軌使用狀態(tài)較好，達(dá)到了75N鋼軌的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

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

（3）75N鋼軌的使用結(jié)果表明，是否進(jìn)行預(yù)打磨對(duì)鋼軌的使用無大的影響，說明鋪設(shè)75N鋼軌可減少一次預(yù)打磨。

（4）使用結(jié)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(jì)生產(chǎn)452.4萬t 60N、75N新廓形鋼軌，并成功應(yīng)用到滬昆線、成昆線、大秦線、朔黃線等線路。

4 結(jié)論

（1）通過采用BD軋機(jī)孔型優(yōu)化設(shè)計(jì)、U1軋機(jī)軌頭立輥孔型非對(duì)稱、數(shù)值仿真方案優(yōu)選等技術(shù)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(guān)系，減少輪軌受力，延緩滾動(dòng)接觸疲勞傷損的發(fā)生和發(fā)展，截至2022年底，已累計(jì)生產(chǎn)452.4萬t 60N、75N新廓形鋼軌，并成功應(yīng)用到滬昆線、成昆線、大秦線、朔黃線等線路。