重軌矯直殘余應(yīng)力有限元模擬研究

梁 婕， 袁希金， 張亞軍， 李永成

（1.中鐵物總技術(shù)有限公司， 北京 100036；2.河鋼股份有限公司邯鄲分公司生產(chǎn)制造部，河北 邯鄲 056015；3.河鋼股份有限公司邯鄲分公司線棒材廠， 河北 邯鄲 056015；4.河鋼股份有限公司邯鄲分公司邯寶冷軋廠， 河北 邯鄲 056015）

高速鐵路的建設(shè)在帶動我國區(qū)域經(jīng)濟建設(shè)的同時也促進了高速鐵路鋼軌技術(shù)的發(fā)展[1，2]。重軌作為軌道結(jié)構(gòu)中最重要的組成部件，啟著承受載荷、引導(dǎo)車輪順利行進的重要作用，而重軌優(yōu)良的物理性能與它斷面幾何尺寸、平直度、殘余應(yīng)力、生產(chǎn)工藝等有著密切的聯(lián)系[3]。

重軌內(nèi)部殘余應(yīng)力是重軌交貨的一個重要質(zhì)量指標(biāo)，殘余應(yīng)力的大小及其在重軌內(nèi)部的分布對安全行車有著極其重要的影響[4-7]，鐵標(biāo)TB/T 2344—2012 及EN 鋼軌標(biāo)準(zhǔn)（2006）均要求高速鋼軌軌底的縱向最大殘余拉應(yīng)力應(yīng)不大于250 MPa。重軌生產(chǎn)過程中殘余應(yīng)力的產(chǎn)生與軋制、預(yù)彎、矯直等工序有關(guān)。矯直作為重軌生產(chǎn)的最后一道精加工工序，矯直工藝對于控制鋼軌平直度及內(nèi)部殘余應(yīng)力有著重要的影響。重軌軋后預(yù)彎冷卻、水平矯直輥壓下規(guī)程、矯直速度等均影響矯直殘余應(yīng)力。本文模擬重軌水平矯直過程，研究弦高、壓下規(guī)程對矯后殘余應(yīng)力影響對指導(dǎo)實際生產(chǎn)、提高生產(chǎn)效率有重要意義。

1 模型建立

采用ABAQUS 有限元軟件建立60 kg/m 重軌的水平矯直過程模型。根據(jù)某廠實際生產(chǎn)工藝建立8+1 的水平矯直模型（圖1），矯直輥定義為剛性體，建模參數(shù)見表1。重軌材質(zhì)為U71Mn，室溫應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2 所示，材料參數(shù)見表2。為簡化模擬計算重軌模型長度為10 m，質(zhì)量縮放系數(shù)為10，重軌截面網(wǎng)格劃分如圖3 所示[8]。

圖1 重軌水平矯直模型

圖2 重軌應(yīng)力- 應(yīng)變曲線

圖3 60 kg/m 重軌斷面網(wǎng)格劃分

表1 水平輥模擬參數(shù)

表2 重軌材料參數(shù)

在重軌8+1 水平矯直過程中，每三個水平矯直輥構(gòu)成了一個矯直區(qū)域，重軌在每個矯直區(qū)域發(fā)生一次反向彎矯變形，總共進行了七次彈塑性矯直變形[9-10]，如下頁圖4 所示。

2 結(jié)果分析

2.1 弦高對殘余應(yīng)力影響

模擬研究了重軌預(yù)彎冷卻后，弦高分別為：600mm、700 mm、800 mm，在 22 mm-19 mm-7 mm-5 mm 相同壓下規(guī)程水平矯直過程。三個不同弦高矯后3 m處橫截面縱向殘余應(yīng)力分布如圖5 所示。由圖中可知，不同弦高矯后縱向殘余應(yīng)力分布相近，軌頭-軌腰-軌底應(yīng)力分布為壓應(yīng)力-壓應(yīng)力-拉應(yīng)力。測量弦高600 mm、700 mm、800 mm 重軌矯后軌底中心縱向拉應(yīng)力，分別為 94 MPa、126 MPa、145 MPa。重軌矯后軌底中心縱向殘余應(yīng)力值隨矯前弦高的增加而逐漸增大，重軌矯前弦高與預(yù)彎冷卻曲線的設(shè)定相關(guān)，為保證鋼軌矯后內(nèi)部較小的殘余應(yīng)力，在實際生產(chǎn)中應(yīng)制定合理的矯直預(yù)彎曲線，有效控制重軌冷卻弦高，降低矯后殘余應(yīng)力[11]。

圖4 重軌水平矯直變形區(qū)

圖5 不同弦高矯后縱向殘余應(yīng)力分布

在重軌矯后3 m 處沿軌頭中心到軌底中心依次選取節(jié)點繪制縱向應(yīng)力測量路徑，測量重軌矯后表面縱向殘余應(yīng)力分布，結(jié)果如圖6 所示。弦高600 mm、700 mm、800 mm 重軌矯后表面殘余應(yīng)力基本相近，大致呈“S”形分別，在軌頭下顎和軌底軌腰連接處縱向應(yīng)力均由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，這可能與水平矯直過程中軌頭與軌底與矯直輥相互作用產(chǎn)生彈塑性變形，而軌頭下顎和底軌腰連接處沒有直接作用相關(guān)。

2.2 壓下規(guī)程對殘余應(yīng)力影響

模擬弦高800 mm 重軌三種壓下規(guī)程矯直工藝（表3）。A 工藝為重軌標(biāo)準(zhǔn)矯直壓下規(guī)程，B、C 為現(xiàn)場不同矯直工藝。由表3 可知，B 規(guī)程矯后軌底中心縱向殘余應(yīng)力小于A、C 規(guī)程，且壓下規(guī)程藝對重軌矯后殘余應(yīng)力影響大于弦高影響。對比A、B、C 壓下規(guī)程，重軌矯后殘余應(yīng)力隨著R6、R8 輥壓下量的增加而增大，且增加R6 輥的壓下量重軌矯后殘余應(yīng)力的增加比增加R8 輥壓下量作用明顯。因此，在保證重軌矯后平直度的要求的前提下[12]，可采取增大R2、R4 輥的壓下量，適當(dāng)降低 R6、R8 壓下量的調(diào)整方法來降低鋼軌矯后殘余應(yīng)力。即使重軌在Ⅵ、Ⅶ矯直變形區(qū)產(chǎn)生較小的彈塑性變形，將有利于降低矯后殘余應(yīng)力。

圖6 重軌不同弦高矯后表面殘余應(yīng)力分布

表3 壓下規(guī)程對殘余應(yīng)力影響

3 結(jié)論

1）重軌矯后殘余應(yīng)力隨矯前弦高的增加而增大。22 mm-19 mm-7 mm-5 mm 矯直壓下規(guī)程，弦高600 mm、700 mm、800 mm 重軌，矯后軌底中心縱向殘余應(yīng)力分別為94 MPa、126 MPa、145 MPa。工業(yè)生產(chǎn)中可通過制定合適的預(yù)彎曲線降低矯前弦高，減小矯后縱向殘余應(yīng)力。

2）重軌矯后殘余應(yīng)力隨著R6、R8 輥壓下量的增加而增大。適當(dāng)減小R6、R8 矯直輥壓下量，使重軌在Ⅵ、Ⅶ矯直變形區(qū)產(chǎn)生較小的彈塑性變形，有利于降低矯后殘余應(yīng)力。