图1 水平矫直机示意图
Fig.1 The diagram of horizontal straightener
表1 水平矫直工艺参数
Tab.1 The processing parameter of horizontal straightener
铁路运输在世界运输业中占有重要的地位，随着高速铁路和城市轨道交通的迅速发展，其地位更加突出。国内外高速铁路的研究和实践经验表明:在线路方面，高速铁路对钢轨平直度有很高的要求，钢轨平直度[1]是反映钢轨纵向波浪起伏状况的指标，是衡量钢轨实物质量的重要指标之一。如果钢轨平直度较大，会导致钢轨接头不平顺，从而加剧轮轨撞击[2]，引起线路剧烈振动，轮轨作用力成倍增大，轮轨的受力状态恶化，严重危害轨道和机车车辆部件，影响列车速度的提高，甚至引起列车脱轨倾覆，危及行车安全。因此，钢轨平直度直接影响列车的运行速度和安全以及旅客的舒适性，也是决定钢轨使用寿命的重要参数，在钢轨的生产过程和使用中必须有严格的标准来进行控制。
我国目前采用的铁路钢轨标准[3]中有高速轨端部平直度要求。钢轨在生产过程中，由于万能轧机纵向布置[4]且不可调整，钢轨在每道次进出轧机时均会产生一定冲击力[5]，使得轧制时端部平直度产生误差且不断累加，出轧机时钢轨的走势规律各不相同，会频繁撞击辊道和盖板，加剧端部平直度的不稳定性，使得钢轨经冷却后端部存在不同方向、不同位置和不同大小的弯曲。现有矫直工艺无法使钢轨端部矫后平直度得到稳定的控制，高速轨端部平直度约70%接近标准(≤0.3 mm/1 m、≤0.4 mm/2 m)上限，约15%超出标准要求。
钢轨矫直机为平立复合矫直机[6]，水平矫直机见图1，矫直辊间距为1.6 m，矫直辊直径为1.2 m，矫直速度为1.8 m/s，目前矫直工艺参数见表1。
图1 水平矫直机示意图
Fig.1 The diagram of horizontal straightener
表1 水平矫直工艺参数
Tab.1 The processing parameter of horizontal straightener
轴号2号辊4号辊6号辊8号辊压下量(mm)15.0～18.011.0～14.03.0～6.0-3.0～3.0
钢轨的弹性极限曲率半径[7]为
(1)
式中，E为U75V轨弹性模量，E=210 GPa；H为钢轨断面高度，60 kg/m高速轨轨高H=176 mm；σt为U75V轨屈服强度，σt=550 MPa。
根据式(1)求得U75V 60 kg/m高速轨弹性极限曲率半径ρt=33.6 m。
原始弯曲与弦高关系见图2。弧长l、弦高δ0、以及原始曲率半径ρ0三者关系[8]如下：
(2)
图2 原始弯曲与弦高
Fig.2Original bending and high string
已知矫直机节距l=1.6 m，弹性极限曲率ρt=33.6 m，根据式(2)可求得δ0=4.75 mm，即平矫压下量小于4.75 mm时，钢轨发生纯弹性变形，大于4.75 mm才开始产生弹塑性变形[9]。
目前现有的矫直方案中6号辊压下量为3.0～6.0 mm、8号辊压下量为-3.0～3.0 mm，而压下量小于4.75 mm时，钢轨产生的是纯弹性变形，所以 6号辊和8号辊压下量偏小。
6号辊与4号辊压下量相差过大，这使得钢轨过6号辊后残余曲率较大，经8号辊矫直后残余曲率不能完全消除，导致矫后多数钢轨平直度接近铁路钢轨标准上限，甚至有部分超出铁路钢轨标准范围。
2号辊压下量偏小，矫直时无法产生充分的塑形变形，不能迅速减小钢轨端部不同方向、不同位置及不同大小的原始曲率差异，使得在经过4号、6号、8号辊矫直后出现质量波动。
钢轨在终轧完成后断面温度分布不均匀[10]，轨头的温度高于轨底的温度。钢轨的终轧状态直接影响其矫前弯曲度，终轧后钢轨的弯曲度和断面温差都对钢轨的矫前弯曲度有较大影响。
经过反向预弯冷却后,钢轨矫前弯曲度大小和方向是不定的，不同方向、不同数值的原始曲率，经过同一曲率的弹塑性弯曲后，其残余曲率有趋向一致的特性。在实际生产中，为提高矫直效率，钢轨矫直通常采用大变形+小变形矫直方案，即2号辊和4号辊给予大压下量以迅速减小钢轨原始曲率差异，然后6号辊和8号辊给予小变形以保证矫后的平直度。原始曲率波动范围越大，需要给予的变形量也越大，因此，在矫直压力确定的情况下，矫前钢轨原始曲率波动范围越小，矫后平直度越稳定。图3所示为小变形矫直方案，原始曲率在±C0范围内波动的轧件在经过矫直后，到6号辊处曲率逐渐趋于一致变成单值曲率。图4所示为大变形矫直方案，在2号辊处给于很大的压下量，轧件的曲率变化范围由2C0缩小至ΔC2，到4号辊处时变成单值曲率，再经过5号、6号、7号辊进行矫直。从图3和图4中可以明显看出，小变形矫直方案残余曲率明显收敛得慢。
图3 小变形矫直方案
Fig.3 Small deformation straightening scheme
图4 大变形矫直方案
Fig.4 Big deformation straightening scheme
2.1.1试验方案设计
矫直压力的分配合理与否直接决定矫后平直度稳定性，根据矫直理论，钢轨端部弯曲度大且不规则，2号、4号辊宜采用大变形方案进行矫直，以迅速消除原始曲率差异；6号、8号辊宜采用小变形方案，主要消除经2号、4号辊变形后的残余曲率。按照上述思路，给2号、4号、6号、8号辊分别施加两种压力，进行正交试验，利用钢轨在线端部平直度检测设备，统计钢轨两端平直度平均值及合格率。试验方案见表2。表中，A、B、C、D为正交试验的4个因子，分别表示2号辊、4号辊、6号辊和8号辊的压力；标准序表示以标准顺序完成试验中运行的顺序； 运行序表示以随机顺序完成试验中运行的顺序。
表2 不同矫直工艺压下量规程表
Tab.2 The schedule of different straightening process
标准序运行序ABCD压下量(mm)2号辊4号辊6号辊8号辊11-1-1-1-11812638211112114854311-1-1211463241-1-1121126555-1-11118128566-111-1181483771-11-121128338-11-11181465
2.1.2试验结果
每套矫直压力统计样本量为200根钢轨，统计内容包括头尾两端平直度合格率和平均值，统计结果见表3。
表3 试验结果
Tab.3 The test results
运行序压下量(mm)2号辊4号辊6号辊8号辊样本量头部尾部合格率(%)平均值(mm)合格率(%)平均值(mm)1181263200620.36580.342211485200670.31700.333211463200750.29830.324211265200830.25880.305181285200810.27830.316181483200710.23750.267211283200930.21950.238181465200780.24830.25
2.1.3方案选择
上述8套试验方案中，以平直度为依据选择最终方案，由表3可以看出，方案7效果最佳，头尾两端平直度合格率都达到90%以上，且平直度均值达到0.21 mm/2 m和0.23 mm/2 m，因此，2号、4号、6号、8号矫直辊的最优压下量分布分别为21 mm、12 mm、8 mm、3 mm。
在矫直压力确定的情况下，为确定矫前原始曲率和矫后平直度的关系，减小矫前原始曲率对矫后平直度质量稳定性的影响，现场随机收集50组矫前矫后数据，2个一组，取每组的平均值进行拟合，得到矫前矫后平直度曲线，结果见图5。
图5 曲率变化图
Fig.5 The diagram of curvature transformation
图5中拟合曲线线性相关系数R-Sq=80.5%，可以认为矫前和矫后平直度线性相关，因此矫前平直度的波动会直接影响矫后平直度的稳定性。高速轨端部矫后平直度上弯标准为0～0.4 mm/2 m，那么根据拟合公式C=0.628+9.83C′，可以计算出矫前平直度控制范围为0.628～4.56 mm/2 m。通过优化预弯曲线，控制钢轨冷却后的平直度在上述标准范围内，便能确保矫后钢轨平直度在很小的范围内波动。
通过正交试验结果分析，可以得出2号、4号、6号、8号水平矫直辊的最优压下量值分别为21 mm、12 mm、8 mm、3 mm，矫后尺寸、对称度、腹腔大小均在正常变化范围内，由于本套矫直方案增大了矫直变形量，其残余应力将增大，故需对矫后残余应力进行测量，测量结果表明残余应力小于标准的250 MPa[11]，满足生产要求。
在钢轨轧制和运输过程中会形成端部复杂的弯曲曲率，采用大变形+小变形矫直思路，设计正交试验，获得了水平矫直机最优压下量分布，在矫直压力确定的情况下，分析矫前矫后平直度数据，得出矫前原始曲率控制在越小的范围波动，矫后端部平直度越稳定的结论。
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