60N 规格U75V 钢轨矫直工艺数值仿真分析及工艺实践

李钧正 韩志杰 陈红卫

（1.河钢集团邯钢公司； 2.河钢股份有限公司钢铁研究院）

0 引言

中国经济的快速发展和国民生活质量的不断提高，推动着国家铁路运输向着高速、重载和高行车密度的方向发展。钢轨是铁路安全、稳定运营的重要组成部分，产品质量影响着铁路安全和使用寿命。轨底残余应力作为钢轨的重要理化指标之一，对钢轨的使用状况产生着重要影响，严重情况下会造成钢轨突然断裂，进而发生列车安全事故[1-3]。TB/T2344—2012《43 ～75 kg/m 钢轨订货技术条件》规定钢轨轨底最大纵向残余拉应力应不大于250 MPa[4]。

由于钢轨矫直工艺对轨底残余应力影响较大，因此各钢轨生产企业对矫直技术都十分重视，纷纷投入大量人力物力进行钢轨矫直设备及技术的研发[5-9]。笔者根据河钢邯钢钢轨生产线平立复合矫直机的实际情况，运用ABAQUS 软件建立了钢轨矫直过程有限元分析模型，对钢轨矫直全过程进行模拟，以研究矫直工艺对钢轨轨底残余应力的影响规律，为现场矫直工艺优化提供了数据支撑。

1 钢轨生产流程及矫直工艺介绍

河钢邯钢钢轨生产线于2012 年建成投产，设计能力80 万t/年。钢轨生产流程：铸坯加热→高压水除磷→开坯机BD1 轧制→开坯机BD2 轧制→万能可逆轧制→精轧→钢轨打印→热锯切头→（余热淬火→）冷床冷却→矫直→钢轨检测→锯钻加工→收集入库。

钢轨矫直采用平立复合矫直机。水平矫直机为双支撑固定节距矫直机，较之悬臂梁式矫直机，设备刚度提高了，矫直质量更好，并且在国内率先采用了1 800 mm 的矫直辊节距，有效降低了钢轨的矫后残余应力。矫直机中的矫直辊交错排列，钢轨在矫直过程中经过反复弯曲，原始曲率逐渐减小，最终达到钢轨通长平直的状态。在辊式矫直机中每三个相邻矫直辊组成一个矫直单元。以九辊水平矫直机为例，钢轨整个矫直过程需要经过7 个矫直单元，如图1 所示。

图1 钢轨九辊水平矫直

2 矫直仿真模型的建立

笔者选择产量最高的60N 规格U75V 钢轨作为研究对象，针对钢轨平立复合矫直工艺进行数值模拟，研究矫直工艺对矫后钢轨轨底残余应力的影响，钢轨选择可变形实体模型，长度6 500 mm。U75V 钢轨化学成分见表1，60N 钢轨型式尺寸如图2 所示。U75V 钢轨材料模型参数、材料强度与应变分别见表2 和表3。

表1 U75V 钢轨化学成分

图2 60N 钢轨断面（单位：mm）

表2 U75V 钢轨材料模型参数

表3 U75V 钢轨材料强度与应变

河钢邯钢平立复合矫直机组水平辊由9 个辊组成，Hl～H9 辊配有孔型。矫直辊间距为1 800 mm，矫直辊直径为1 000 mm。矫直速度取1.5 m/s。矫直辊在矫直过程中的弹性压扁量很小，模拟时把矫直辊当作刚性体，选择解析刚体材料模型。该选项仅用于建立壳和曲线，当模拟较简单的刚体时使用，为接触分析提供刚性表面。钢轨模型划分了70 200 个单元、94 395 个节点，采用C3D8R六面体减缩积分单元，钢轨模型断面网格划分和纵向网格划分如图3 和图4 所示。

图3 钢轨模型断面网格划分

图4 钢轨模型纵向网格划分

在平立复合矫直模型中，钢轨与矫直辊间的摩擦力是导致钢轨前进的动力。钢轨最先经过水平矫直机，水平矫直辊以恒定角速度绕Y 轴线旋转，其余五个自由度均固定；然后钢轨经过矫直立辊，矫直立辊则绕Z 轴线以恒定角速度旋转，其余五个自由度固定。根据现场生产实际情况，在计算机仿真模型中对钢轨施加了1.2 m/s 的初速度，接触选择ABAQUS/Explicit 中的面-面接触，摩擦系数设置为0.12。钢轨平立复合矫直有限元模型如图5 所示。

图5 钢轨平立复合矫直有限元模型

3 矫直工艺试验设计

由于变量较多（4 个水平矫直辊和3 个立辊），为科学合理安排试验，采用了正交实验设计方案。正交实验设计兼顾全面实验法和简单对比法的优点，它利用较少的实验次数获得最优的试验结果[9-11]，尤其在试验数据的处理方面优势明显，被广泛应用于生产改造和工艺优化等领域的研究。

结合矫直机现场生产工艺，选取水平辊矫直第二道、第四道、第六道、第八道（即H2、H4、H6、H8）压下量和立辊矫直第二道、第四道、第六道（即V2、V4、V6）压下量作为影响因素，每个因素选择5 个水平，采用L50（57）正交试验设计进行矫直工艺优化试验，具体正交试验因素水平见表4。在此基础上确定了本次正交试验方案，见表5。

表4 正交试验因素水平

表5 正交实验方案

4 矫直模拟结果分析

4.1 正交实验模拟结果

对50 个矫直方案模拟结果进行统计，结果见表6。

表6 矫直正交实验模拟结果

4.2 正交实验模拟结果分析

4.2.1 不同矫直辊对轨底残余应力的影响

对模拟结果进行直观法分析。对每个因素各水平对应的试验结果，相加求和，记为Ki，求其平均值，记为ki。求极差，确定因素的主次。矫直正交实验模拟结果分析见表7。

表7 矫直正交实验模拟结果分析

极差R 是一个反映因素对结果影响大小的量。根据极差值可以看出，对轨底残余应力影响显著的是水平矫直辊，如图6 所示。水平辊H6 对轨底残余应力影响最为显著，轨底残余应力随着水平矫直辊H6 压下量的增大而增大，不同水平设置的波动幅度可达111.5 MPa；其次是水平矫直辊H4，波动幅度达68.8 MPa；水平辊H2 与轨底残余应力呈负相关，即残余应力随着压下量的增加而减小；水平辊H8 和立辊V2、V4、V6 压下量同轨底残余应力的极差值较小，对轨底残余应力影响有限；矫直辊总压下量、水平辊总压下量和立辊总压下量对轨底残余应力无显著影响。

图6 正交实验因素和k 平均值关系

4.2.2 矫直辊总压下量对轨底残余应力的影响

对水平辊和立辊压下量之和、水平辊压下量之和以及立辊压下量之和对残余应力的影响进行分析，结果如图7～图9 所示。

从图7 可以看出，整体上随总压下量增加，轨底残余应力呈增长趋势，但是相关性弱。总压下量相同时，轨底残余应力波动幅度较大，可达150～200 MPa，矫直辊总压下量与轨底残余应力相关性不显著。

图7 压下量之和与轨底残余应力的关系

从图8 和图9 可以看出，水平辊总压下量和立辊总压下量相同时，轨底残余应力波动幅度较大，可达150～200 MPa，水平矫直辊总压下量和立辊总压下量与轨底残余应力相关性不显著。

图8 水平辊压下量之和与轨底残余应力的关系

图9 立辊压下量之和与轨底残余应力的关系

5 仿真模型的工业应用

为验证矫直仿真模型的准确性，在工业生产中以60N 规格U75V 钢轨为对象进行了现场验证试验，水平矫直机按照不同的压下规程进行矫直生产，矫直立辊工艺规程保持不变，在矫后钢轨东端锯切1 m 后取三个试样测量钢轨的轨底残余应力，轨底残余应力检验方法为TB/T2344-2012《43 kg/m ～75 kg/m 钢轨订货技术条件》附录F：轨底面纵向残余应力测定方法。矫直工艺及轨底残余应力检验结果见表8。

表8 矫直工艺及轨底残余应力检验结果

对轨底残余应力检验结果进行分析，增加H4 矫直辊压下量，轨底残余应力由237 MPa 提高到270 MPa，提升效果显著；降低H6 矫直辊压下量，轨底残余应力降低了16 MPa；增加H2矫直辊压下量或减小H8 矫直辊压下量，轨底残余应力变化趋势不明显。工业试验结果与矫直仿真模型计算趋势一致，这说明矫直仿真模型是准确的。

6 结语

（1）对轨底残余应力影响显著的是水平矫直辊。水平辊H6 对轨底残余应力影响最为显著，轨底残余应力随着水平矫直辊H6 压下量的增大而增大，不同水平设置的波动幅度可达111.5 MPa；其次是水平矫直辊H4，波动幅度达68.8 MPa；水平辊H2 与轨底残余应力呈负相关，即残余应力随压下量增加而减小；水平H8 和立辊V2、V4、V6 压下量同轨底残余应力的极差值较小，对轨底残余应力影响有限。

（2）矫直辊总压下量、水平辊总压下量和立辊总压下量对轨底残余应力无显著影响。

（3）工业试验结果与矫直仿真模型计算趋势一致，表明矫直仿真模型是准确的。