鋼軌在輥式矯直機(jī)上矯直時(shí)，受到反復(fù)彈塑性彎曲變形，縱向產(chǎn)生拉伸或壓縮，軌高方向產(chǎn)生壓縮變形。塑性變形和彈性回復(fù)后，鋼軌達(dá)到平直的同時(shí)也留下了殘余變形，如局部彎曲、軌頭寬度增大、長(zhǎng)度縮短、軌高減小等。軌高減小過多可能導(dǎo)致軌高超出負(fù)偏差。另外，輥式矯直機(jī)存在矯直盲區(qū)(約為輥距長(zhǎng)度的2/3)，盲區(qū)內(nèi)軌高與矯前一樣。因此，沿鋼軌長(zhǎng)度方向軌高波動(dòng)較大，時(shí)可達(dá)1.8mm，超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的不大于1.2mm。
有文獻(xiàn)對(duì)矯直過程中產(chǎn)生的鋼軌縮尺問題進(jìn)行了研究，提出鋼軌長(zhǎng)度縮短變形機(jī)理。而鋼軌軌高減少的變形機(jī)理未見報(bào)道。但軌高減少是影響鋼軌合格率的重要因素。因而研究輥矯產(chǎn)生的軌高變化原因?qū)μ岣咪撥壋刹穆视兄匾饬x。
矯直前后軌高變化的實(shí)測(cè)結(jié)果
為了解實(shí)際生產(chǎn)中鋼軌軌高的波動(dòng)，對(duì)鋼軌矯直前后的軌高分別進(jìn)行測(cè)量。立式輥矯方式使軌高方向承受壓縮變形，鋼軌縱向因彎曲受到拉伸或壓縮及因速度差造成鋼軌長(zhǎng)度方向壓縮變形。矯直后，鋼軌高度減少，軌頭寬度增大，長(zhǎng)度減少。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，矯后軌高減少量在0.5—1.22mm。
1.軌高減少的原因分析
輥矯過程中軌高方向的壓下與軋制時(shí)厚度方向的壓下變形不同，也不同于純3點(diǎn)彎曲的壓下變形。軋制壓下時(shí)的接觸弧長(zhǎng)主要考慮入口側(cè)因厚度減少軋件與軋輥的接觸部分，而輥式矯直過程中由于壓下使軋件產(chǎn)生彎曲而包住軋輥。從其中某3個(gè)輥形成的3點(diǎn)彎曲狀態(tài)看，軋件對(duì)軋輥的包角在入、出口側(cè)相差不大，計(jì)算接觸弧長(zhǎng)時(shí)可設(shè)定其兩側(cè)包角近似相等。根據(jù)實(shí)測(cè)軌高減少的結(jié)果可以確定，高度方向的應(yīng)力已達(dá)到或超過屈服強(qiáng)度(至少有一部分區(qū)域達(dá)到屈服狀態(tài))，產(chǎn)生壓縮塑性變形。
2.軌高方向的受力分析
鋼軌與矯直輥間的接觸不同于軋制狀態(tài)，鋼軌進(jìn)出輥圈兩側(cè)的接觸弧近 似相同。
接觸弧長(zhǎng)與鋼軌橫向尺寸的乘積即為受力面積。如果單純考慮高度方向矯直力的壓縮，則腰部的高度方向壓應(yīng)力大，軌頭次之，軌底小，因而軌腰方向壓應(yīng)力首先達(dá)到屈服點(diǎn)并產(chǎn)生塑性變形。但試驗(yàn)結(jié)果表明，軌腰高度方向的塑性變形很小甚至沒有塑性變形，這說明鋼軌受力狀態(tài)不是單向壓縮，同時(shí)縱向受到彎曲正應(yīng)力的壓縮或拉伸及由于輥圈速度差造成的軸向壓應(yīng)力。
從試驗(yàn)結(jié)果看，盡管軌腰的單向壓應(yīng)力，但由于軌腰中性軸處的彎曲正應(yīng)力為零，而且由于各矯直輥速度差造成的軸向壓應(yīng)力相同，則實(shí)際值小，軌腰的切應(yīng)力不是，軌頭頂部的正應(yīng)力為值。
因此，軌頭部分首先達(dá)到滑移條件產(chǎn)生滑移，宏觀上表現(xiàn)為高度方向的壓縮塑性變形；腰部產(chǎn)生的滑移較少甚至為零，與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合。當(dāng)軌頭縱向應(yīng)力為壓應(yīng)力時(shí)，軌底為拉應(yīng)力，軌頭切應(yīng)力僅為100MPa左右，不能產(chǎn)生滑移。軌底高度方向壓應(yīng)力很小，彎曲正應(yīng)力變向后其切應(yīng)力變化不大，仍不滿足滑移條件。
鋼軌矯直冷變形過程中，隨著變形量的增加，加工硬化增強(qiáng)，滑移阻力增大。同時(shí)，輥矯的壓下量隨道次逐漸減小，矯直力減小，滑移切應(yīng)力減小，滑移更困難。因此，滑移只是在初道次產(chǎn)生，后面幾道次均為彈性變形。實(shí)際生產(chǎn)中，軌頭與矯直輥接觸寬度增大，軌頭部分的壓應(yīng)力在軌頭下顎處，輥矯時(shí)軌頭下顎處產(chǎn)生滑移變形。
由此可見，影響軌高變化的主要因素是矯直力、滑移屈服極限、軸向壓應(yīng)力等。矯直力越大，彎曲正應(yīng)力越大，切應(yīng)力越大，產(chǎn)生的滑移越多；越小滑移越易產(chǎn)生，軌高減少越多；軸向壓應(yīng)力對(duì)高度方向的滑移起阻礙作用，但軸向壓應(yīng)力越大，鋼軌長(zhǎng)度縮短越多。
矯直力與壓下量、矯前彎曲度有關(guān)，壓下量越大矯直力越大；矯前彎曲度越大，反彎變形量越大，矯直力越大。由于目前沒有矯前彎曲度控制手段，因而矯前彎曲度波動(dòng)大、為矯直質(zhì)量，只能采用大變形矯直法，因此壓下量大，矯直力大，軌高減少大。如能采用有效措施控制矯前彎曲度，輥矯時(shí)即可以采用小變形量矯直方式，壓下量小，矯直力小，軌高減少就小。
3.結(jié)論
(1)輥矯時(shí)軌高減少主要因滑移產(chǎn)生塑性變形。
(2)滑移切應(yīng)力大小不僅與矯直力大小有關(guān)，而且與受力狀態(tài)有關(guān)。
(3)輥矯時(shí)軌高方向的塑性變形主要在初道次產(chǎn)生，軌頭下顎變形，矯直力越大，軌高減小越多。(圖/文www.n9955.com)