朱曉男，馬勁紅，姚曉晗，陶 彬

（河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院，河北 唐山063009）

1 引言

眾所周知,鋼軌在鐵路運(yùn)輸中的地位是非常重要的。隨著鐵路運(yùn)輸不斷向高速、重載、高流量方向發(fā)展，對(duì)鋼軌的性能也提出了更高的要求。目前廣泛應(yīng)用的鋼軌截面是工字型結(jié)構(gòu)。為了滿足不斷提高的強(qiáng)度和剛度要求，不得不增加軌腰的厚度，從而增加鋼軌材料的用量，使得鋼軌日益向重型化發(fā)展。

將工字型結(jié)構(gòu)的平板狀腹板改為波紋腹板，是型材結(jié)構(gòu)的進(jìn)步，由于其腹板沿縱向被軋制成具有正弦曲線狀的波紋腹板，在一定程度上提高了腹板的側(cè)向剛度和穩(wěn)定性。將這種型材結(jié)構(gòu)應(yīng)用到鋼軌上，開發(fā)了一種新型鋼軌結(jié)構(gòu)，即具有波紋軌腰的新型鋼軌。

本文利用ANSYS/LS-DYNA模塊建立了軋制模型，研究了在不同軋制速度、軋制壓下量、軋制溫度對(duì)軋后的波紋軌腰鋼軌殘余應(yīng)力的影響。從而為工藝參數(shù)的設(shè)定、產(chǎn)品質(zhì)量的改善提供了依據(jù)。

2 有限元基礎(chǔ)理論

波紋軌腰鋼軌的軋制過程具有材料非線性、幾何非線性和邊界條件非線性的特點(diǎn)，其變形過程是彈塑性大變形,物體變形運(yùn)動(dòng)描述均采用修正的拉格朗日方法,即Updated Lag range(簡稱U.L)描述;在金屬成型過程中,通常采用Von M ises屈服準(zhǔn)則[2] [3]。

彈塑性材料的本構(gòu)方程為：

——彈塑性本構(gòu)方程矩陣；

式中 ——彈性模量

3 計(jì)算模型的建立

本文模擬軋制的模型按照60公斤重軌來建立的，其斷面網(wǎng)格劃分如圖1所示。

有限元模型采用的水平輥直徑（節(jié)圓直徑）為1400mm，模擬軋制是取軋件長度為500mm。軋件材料為U74，材料模型采用分段線性強(qiáng)化，摩擦模型采用庫侖模型。計(jì)算過程中把軋件視作彈塑性變形體，軋輥視作剛體。計(jì)算開始時(shí)，軋件以與水平輥節(jié)圓速度稍慢的速度向輥縫運(yùn)動(dòng)，等軋輥咬入后，進(jìn)入穩(wěn)定軋制階段，施加在軋件上的速度為零,水平輥帶動(dòng)軋件運(yùn)動(dòng)，軋件帶動(dòng)立輥轉(zhuǎn)動(dòng)，軋制模型如圖2所示。軋輥用she ll163單元?jiǎng)澐?，軋件用so lid164單元?jiǎng)澐帧?/p>

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 殘余應(yīng)力分布及其影響

從圖3中可以看出,當(dāng)軋件出變形區(qū)以后,斷面應(yīng)力分布發(fā)生變化.從計(jì)算結(jié)果可以看出,軋后在軌頭、軌底與軌腰的交界處以及軌腰的中部存在較大的殘余應(yīng)力。在軌頭與軌腰的交界處，軌腰以及軌底與軌腰的交界處分別取單元A、B、C,從圖4可以看出在出軋制變形區(qū)后，單元A、B、C存在較大的應(yīng)力值。

由于在軋制波紋軌腰鋼軌時(shí)，在軋件的各個(gè)部分存在不均勻塑性變形，所以在出軋制變形區(qū)后，在波紋軌腰鋼軌中就存在殘余應(yīng)力。在軋制變形區(qū)中塑性變形越不均勻的部分，在出軋制變形區(qū)后，殘余應(yīng)力就越大。

在軋后的波紋軌腰鋼軌中存在的殘余應(yīng)力值較大，直接影響鋼軌的使用性能和壽命。殘余應(yīng)力較大與分布不均勻，容易在后續(xù)的熱處理過程中以及在以后的使用過程中產(chǎn)生彎曲、波浪、局部裂紋等缺陷。所以在軋制過程中通過合理的控制軋制速度、軋制溫度、以及各部分壓下量的比值，來減小殘余應(yīng)力的值，以提高軋制產(chǎn)品的質(zhì)量。

4.2 殘余應(yīng)力的控制

1）軋制速度對(duì)殘余應(yīng)力的影響。從圖中可以看出，對(duì)于不同的壓下量，軋制速度不同，殘余應(yīng)力的最大值變化不是很明顯，殘余應(yīng)力變化的最大值大約在2%左右，因此軋制速度對(duì)于殘余應(yīng)力最大值的影響不是很大。軋制速度與殘余應(yīng)力值的變化之間并不呈線性變化。

2）壓下量的比值對(duì)殘余應(yīng)力的影響。在相同軋制速度的情況下，不同的壓下量比值(軌腰部分壓下量與軌頭、軌底壓下量的比值)對(duì)殘余應(yīng)力值的影響很大，在波紋軌腰鋼軌的軋制過程中，產(chǎn)生塑性不均勻變形的主要原因是軌頭、軌底與軌腰處的壓下量不同，由于軌腰被軋制成了波紋形狀，造成軌腰處的延伸系數(shù)較之軌頭與軌底處較大，因此在軌腰處以及在軌頭、軌底與軌腰的交界處，存在較大的不均勻變形，因此殘余應(yīng)力值較大。從圖5中，當(dāng)壓下量比值為1時(shí)，殘余應(yīng)力值明顯較小。這是因?yàn)椴y軌腰的幅值較小，而波長較大，所以把平軌腰軋制成波紋軌腰時(shí)，其波長變化值很小，不超過5%, 因此，為了減小軋制后的殘余應(yīng)力值，應(yīng)把壓下量的比值設(shè)為與延伸系數(shù)相近。

3）軋制溫度的影響。隨著軋制溫度的降低，殘余應(yīng)力值明顯增加,因此在軋制波紋軌腰鋼軌的過程中,要選擇合適的軋制溫度，以減小軋后金屬的殘余應(yīng)力。

5 結(jié)論

本文利用動(dòng)力學(xué)有限元分析軟件對(duì)波紋軌腰鋼軌的軋制過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對(duì)模擬軋制后的波紋軌腰鋼軌中的殘余應(yīng)力分布進(jìn)行了分析。并針對(duì)軋制速度、壓下量比值、軋制溫度對(duì)軋后殘余應(yīng)力值的影響進(jìn)行了分析，為實(shí)際生產(chǎn)控制軋后殘余應(yīng)力提供了依據(jù)。

[1] 吳波，常福清，張文志.波紋重軌軌腰強(qiáng)度的數(shù)值分析[J] .燕山大學(xué)學(xué)報(bào)，2003,27(3)：278－282.

[2] 白金澤. LS-DYNA3D理論基礎(chǔ)與實(shí)例分析[M] .北京:科學(xué)出版社,2005.

[3] 曹鴻德.塑性變形力學(xué)基礎(chǔ)與軋制原理[M] .北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1979.

[4] 王勖成,邵敏.有限單元法基本原理和數(shù)值方法[M] .北京:清華大學(xué)出版社，2000.