60N 規格U75V 鋼軌矯直工藝數值仿真分析及工藝實踐

李鈞正 韓志杰 陳紅衛

（1.河鋼集團邯鋼公司； 2.河鋼股份有限公司鋼鐵研究院）

0 引言

中國經濟的快速發展和國民生活質量的不斷提高，推動著國家鐵路運輸向著高速、重載和高行車密度的方向發展。鋼軌是鐵路安全、穩定運營的重要組成部分，產品質量影響著鐵路安全和使用壽命。軌底殘余應力作為鋼軌的重要理化指標之一，對鋼軌的使用狀況產生著重要影響，嚴重情況下會造成鋼軌突然斷裂，進而發生列車安全事故[1-3]。TB/T2344—2012《43 ～75 kg/m 鋼軌訂貨技術條件》規定鋼軌軌底最大縱向殘余拉應力應不大于250 MPa[4]。

由于鋼軌矯直工藝對軌底殘余應力影響較大，因此各鋼軌生產企業對矯直技術都十分重視，紛紛投入大量人力物力進行鋼軌矯直設備及技術的研發[5-9]。筆者根據河鋼邯鋼鋼軌生產線平立復合矯直機的實際情況，運用ABAQUS 軟件建立了鋼軌矯直過程有限元分析模型，對鋼軌矯直全過程進行模擬，以研究矯直工藝對鋼軌軌底殘余應力的影響規律，為現場矯直工藝優化提供了數據支撐。

1 鋼軌生產流程及矯直工藝介紹

河鋼邯鋼鋼軌生產線于2012 年建成投產，設計能力80 萬t/年。鋼軌生產流程：鑄坯加熱→高壓水除磷→開坯機BD1 軋制→開坯機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→鋸鉆加工→收集入庫。

鋼軌矯直采用平立復合矯直機。水平矯直機為雙支撐固定節距矯直機，較之懸臂梁式矯直機，設備剛度提高了，矯直質量更好，并且在國內率先采用了1 800 mm 的矯直輥節距，有效降低了鋼軌的矯后殘余應力。矯直機中的矯直輥交錯排列，鋼軌在矯直過程中經過反復彎曲，原始曲率逐漸減小，最終達到鋼軌通長平直的狀態。在輥式矯直機中每三個相鄰矯直輥組成一個矯直單元。以九輥水平矯直機為例，鋼軌整個矯直過程需要經過7 個矯直單元，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

筆者選擇產量最高的60N 規格U75V 鋼軌作為研究對象，針對鋼軌平立復合矯直工藝進行數值模擬，研究矯直工藝對矯后鋼軌軌底殘余應力的影響，鋼軌選擇可變形實體模型，長度6 500 mm。U75V 鋼軌化學成分見表1，60N 鋼軌型式尺寸如圖2 所示。U75V 鋼軌材料模型參數、材料強度與應變分別見表2 和表3。

表1 U75V 鋼軌化學成分

圖2 60N 鋼軌斷面（單位：mm）

表2 U75V 鋼軌材料模型參數

表3 U75V 鋼軌材料強度與應變

河鋼邯鋼平立復合矯直機組水平輥由9 個輥組成，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，模擬時把矯直輥當作剛性體，選擇解析剛體材料模型。該選項僅用于建立殼和曲線，當模擬較簡單的剛體時使用，為接觸分析提供剛性表面。鋼軌模型劃分了70 200 個單元、94 395 個節點，采用C3D8R六面體減縮積分單元，鋼軌模型斷面網格劃分和縱向網格劃分如圖3 和圖4 所示。

圖3 鋼軌模型斷面網格劃分

圖4 鋼軌模型縱向網格劃分

在平立復合矯直模型中，鋼軌與矯直輥間的摩擦力是導致鋼軌前進的動力。鋼軌最先經過水平矯直機，水平矯直輥以恒定角速度繞Y 軸線旋轉，其余五個自由度均固定；然后鋼軌經過矯直立輥，矯直立輥則繞Z 軸線以恒定角速度旋轉，其余五個自由度固定。根據現場生產實際情況，在計算機仿真模型中對鋼軌施加了1.2 m/s 的初速度，接觸選擇ABAQUS/Explicit 中的面-面接觸，摩擦系數設置為0.12。鋼軌平立復合矯直有限元模型如圖5 所示。

圖5 鋼軌平立復合矯直有限元模型

3 矯直工藝試驗設計

由于變量較多（4 個水平矯直輥和3 個立輥），為科學合理安排試驗，采用了正交實驗設計方案。正交實驗設計兼顧全面實驗法和簡單對比法的優點，它利用較少的實驗次數獲得最優的試驗結果[9-11]，尤其在試驗數據的處理方面優勢明顯，被廣泛應用于生產改造和工藝優化等領域的研究。

結合矯直機現場生產工藝，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，每個因素選擇5 個水平，采用L50（57）正交試驗設計進行矯直工藝優化試驗，具體正交試驗因素水平見表4。在此基礎上確定了本次正交試驗方案，見表5。

表4 正交試驗因素水平

表5 正交實驗方案

4 矯直模擬結果分析

4.1 正交實驗模擬結果

對50 個矯直方案模擬結果進行統計，結果見表6。

表6 矯直正交實驗模擬結果

4.2 正交實驗模擬結果分析

4.2.1 不同矯直輥對軌底殘余應力的影響

對模擬結果進行直觀法分析。對每個因素各水平對應的試驗結果，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。矯直正交實驗模擬結果分析見表7。

表7 矯直正交實驗模擬結果分析

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

圖6 正交實驗因素和k 平均值關系

4.2.2 矯直輥總壓下量對軌底殘余應力的影響

對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殘余應力的影響進行分析，結果如圖7～圖9 所示。

從圖7 可以看出，整體上隨總壓下量增加，軌底殘余應力呈增長趨勢，但是相關性弱。總壓下量相同時，軌底殘余應力波動幅度較大，可達150～200 MPa，矯直輥總壓下量與軌底殘余應力相關性不顯著。

圖7 壓下量之和與軌底殘余應力的關系

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，軌底殘余應力波動幅度較大，可達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力相關性不顯著。

圖8 水平輥壓下量之和與軌底殘余應力的關系

圖9 立輥壓下量之和與軌底殘余應力的關系

5 仿真模型的工業應用

為驗證矯直仿真模型的準確性，在工業生產中以60N 規格U75V 鋼軌為對象進行了現場驗證試驗，水平矯直機按照不同的壓下規程進行矯直生產，矯直立輥工藝規程保持不變，在矯后鋼軌東端鋸切1 m 后取三個試樣測量鋼軌的軌底殘余應力，軌底殘余應力檢驗方法為TB/T2344-2012《43 kg/m ～75 kg/m 鋼軌訂貨技術條件》附錄F：軌底面縱向殘余應力測定方法。矯直工藝及軌底殘余應力檢驗結果見表8。

表8 矯直工藝及軌底殘余應力檢驗結果

對軌底殘余應力檢驗結果進行分析，增加H4 矯直輥壓下量，軌底殘余應力由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，軌底殘余應力變化趨勢不明顯。工業試驗結果與矯直仿真模型計算趨勢一致，這說明矯直仿真模型是準確的。

6 結語

（1）對軌底殘余應力影響顯著的是水平矯直輥。水平輥H6 對軌底殘余應力影響最為顯著，軌底殘余應力隨著水平矯直輥H6 壓下量的增大而增大，不同水平設置的波動幅度可達111.5 MPa；其次是水平矯直輥H4，波動幅度達68.8 MPa；水平輥H2 與軌底殘余應力呈負相關，即殘余應力隨壓下量增加而減小；水平H8 和立輥V2、V4、V6 壓下量同軌底殘余應力的極差值較小，對軌底殘余應力影響有限。

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

（3）工業試驗結果與矯直仿真模型計算趨勢一致，表明矯直仿真模型是準確的。