王代文，冷元平，鄧長富，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30 t軸重鐵路用鋼軌技術(shù)體系及標(biāo)準(zhǔn)。同時，在借鑒北美鐵路鋼軌廓形優(yōu)化經(jīng)驗基礎(chǔ)上，結(jié)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(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，通過采用計算機(jī)仿真技術(shù)優(yōu)選設(shè)計方案，并開展多輪工業(yè)試驗，率先在國內(nèi)成功研制出60N、75N新廓形鋼軌。

1 技術(shù)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(chǎn)60 kg/m和75 kg/m鋼軌時，孔型軋制過程中均時有出現(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?。ǔ叽缇瓤刂菩枰?，該道次對形成更“鼓”的作用減小。此外，BD2軋機(jī)最后一個孔型（先導(dǎo)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(shè)計的孔型線，黑線是實物），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(dǎo)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(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(cè)金屬量不對稱、軋制過程中的軋制線高度和成品軌高調(diào)整都會影響成品軌頭廓形。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，將踏面圓弧控制工藝前移到U2來實現(xiàn)，同時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?，實現(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

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)計會影響成品上頭部廓形。因此，在國標(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。優(yōu)化后的BD2孔型主要尺寸見圖3。

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

U1軋機(jī)軌頭立輥主要對鋼軌軌頂面形狀進(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稱問題，在設(shè)計U1軌頭立輥形狀時采用上下兩部分非對稱設(shè)計，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

（1）制定設(shè)計方案。U2軋機(jī)軌頭立輥參數(shù)設(shè)計非常關(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，它與UF軋機(jī)軌頭垂直方向壓下量、矯直對軌頂面壓下量等因素有關(guān)，為此設(shè)計了三種方案見表1。

表1 U2軋機(jī)軌頭立輥R值設(shè)計方案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算，計算結(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孔型，兩支水平軋輥、兩支立輥，對鋼軌進(jìn)行四個方向的軋制加工。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)整會影響軋件軌頭廓形，致使軌頭廓形出現(xiàn)不對稱，圖8顯示了三種不同軋制線高度狀態(tài)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(diào)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(diào)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(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

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)對鋼軌軌頭廓形有較大影響，因此，重點對水平矯直機(jī)的矯直輥進(jìn)行設(shè)計。由于水平矯直機(jī)將鋼軌軌頭壓平，如果采用平面設(shè)計，矯直壓平量會更大。因此，水平矯直機(jī)上矯直輥設(shè)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(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(biāo)準(zhǔn)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(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

對大秦線75N使用進(jìn)行了多次跟蹤觀測，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、U1軋機(jī)軌頭立輥孔型非對稱、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，延緩滾動接觸疲勞傷損的發(fā)生和發(fā)展，截至2022年底，已累計生產(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。