浅谈辊式矫直的轨高变化

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钢轨在辊式矫直机上矫直时，受到反复弹塑性弯曲变形，纵向产生拉伸或压缩，轨高方向产生压缩变形。塑性变形和弹性回复后，钢轨达到平直的同时也留下了残余变形，如局部弯曲、轨头宽度增大、长度缩短、轨高减小等。轨高减小过多可能导致轨高超出负偏差。另外，辊式矫直机存在矫直盲区(约为辊距长度的2/3)，盲区内轨高与矫前一样。因此，沿钢轨长度方向轨高波动较大，最大时可达1.8mm，超出标准规定的不大于1.2mm。 有文献对矫直过程中产生的钢轨缩尺问题进行了研究，提出钢轨长度缩短变形机理。而钢轨轨高减少的变形机理未见报道。但轨高减少是影响钢轨合格率的重要因素。因而研究辊矫产生的轨高变化原因对提高钢轨成材率有重要意义。 矫直前后轨高变化的实测结果 为了解实际生产中钢轨轨高的波动，对钢轨矫直前后的轨高分别进行测量。立式辊矫方式使轨高方向承受压缩变形，钢轨纵向因弯曲受到拉伸或压缩及因速度差造成钢轨长度方向压缩变形。矫直后，钢轨高度减少，轨头宽度增大，长度减少。实测结果表明，矫后轨高减少量在0.5—1.22mm。 1.轨高减少的原因分析 辊矫过程中轨高方向的压下与轧制时厚度方向的压下变形不同，也不同于纯3点弯曲的压下变形。轧制压下时的接触弧长主要考虑入口侧因厚度减少轧件与轧辊的接触部分，而辊式矫直过程中由于压下使轧件产生弯曲而包住轧辊。从其中某3个辊形成的3点弯曲状态看，轧件对轧辊的包角在入、出口侧相差不大，计算接触弧长时可设定其两侧包角近似相等。根据实测轨高减少的结果可以确定，高度方向的应力已达到或超过屈服强度(至少有一部分区域达到屈服状态)，产生压缩塑性变形。 2.轨高方向的受力分析 钢轨与矫直辊间的接触不同于轧制状态，钢轨进出辊圈两侧的接触弧近 似相同。 接触弧长与钢轨横向尺寸的乘积即为受力面积。如果单纯考虑高度方向矫直力的压缩，则腰部的高度方向压应力大，轨头次之，轨底最小，因而轨腰方向压应力首先达到屈服点并产生塑性变形。但试验结果表明，轨腰高度方向的塑性变形很小甚至没有塑性变形，这说明钢轨受力状态不是单向压缩，同时纵向受到弯曲正应力的压缩或拉伸及由于辊圈速度差造成的轴向压应力。 从试验结果看，尽管轨腰的单向压应力最大，但由于轨腰中性轴处的弯曲正应力为零，而且由于各矫直辊速度差造成的轴向压应力相同，则实际值小，轨腰的切应力不是最大，轨头顶部的正应力为最大值。 因此，轨头部分首先达到滑移条件产生滑移，宏观上表现为高度方向的压缩塑性变形；腰部产生的滑移较少甚至为零，与实测结果吻合。当轨头纵向应力为压应力时，轨底为拉应力，轨头切应力仅为100MPa左右，不能产生滑移。轨底高度方向压应力很小，弯曲正应力变向后其切应力变化不大，仍不满足滑移条件。 钢轨矫直冷变形过程中，随着变形量的增加，加工硬化增强，滑移阻力增大。同时，辊矫的压下量随道次逐渐减小，矫直力减小，滑移切应力减小，滑移更困难。因此，滑移只是在最初道次产生，后面几道次均为弹性变形。实际生产中，轨头与矫直辊接触宽度增大，轨头部分的最大压应力在轨头下颚处，辊矫时轨头下颚处产生滑移变形。 由此可见，影响轨高变化的主要因素是矫直力、滑移屈服极限、轴向压应力等。矫直力越大，弯曲正应力越大，切应力越大，产生的滑移越多；越小滑移越易产生，轨高减少越多；轴向压应力对高度方向的滑移起阻碍作用，但轴向压应力越大，钢轨长度缩短越多。 矫直力与压下量、矫前弯曲度有关，压下量越大矫直力越大；矫前弯曲度越大，反弯变形量越大，矫直力越大。由于目前没有矫前弯曲度控制手段，因而矫前弯曲度波动大、为保证矫直质量，只能采用大变形矫直法，因此压下量大，矫直力大，轨高减少大。如能采用有效措施控制矫前弯曲度，辊矫时即可以采用小变形量矫直方式，压下量小，矫直力小，轨高减少就小。 3.结论 (1)辊矫时轨高减少主要因滑移产生塑性变形。 (2)滑移切应力大小不仅与矫直力大小有关，而且与受力状态有关。 (3)辊矫时轨高方向的塑性变形主要在最初道次产生，轨头下颚变形最大，矫直力越大，轨高减小越多。(图/文www.wxlgjx.cn)

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