鐵路是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈、關(guān)鍵的基礎(chǔ)設(shè)施和重大的民生工程，在我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。鋼軌是保證鐵路正常運(yùn)營(yíng)和安全的重要組成部分，其質(zhì)量直接影響到鐵路行車安全。鋼軌在生產(chǎn)及使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，過(guò)高的殘余應(yīng)力會(huì)影響鋼軌的穩(wěn)定性、耐磨性、抗疲勞強(qiáng)度和抗斷裂性能，甚至導(dǎo)致鋼軌折斷，對(duì)行車安全構(gòu)成巨大的潛在威脅。因此，了解分析鋼軌殘余應(yīng)力分布很重要。本文主要采用應(yīng)變測(cè)量法對(duì)鋼軌軌底進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試。

殘余應(yīng)力測(cè)試原理和方法

本次殘余應(yīng)力測(cè)試方法采用應(yīng)變測(cè)量法，儀器采用聚航科技生產(chǎn)的靜態(tài)應(yīng)變儀。

由胡克定律可知，當(dāng)材料彈性模量E為已知值時(shí)，若能測(cè)得應(yīng)變值，就能相應(yīng)的求得正應(yīng)力值。

σ=Εε

式中：σ為正應(yīng)力；ε為正應(yīng)變；Ε為彈性模量。

應(yīng)變測(cè)量法是將應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化，然后把電壓的改變量再反轉(zhuǎn)換為欲測(cè)定的應(yīng)變。應(yīng)變量轉(zhuǎn)化為電壓量是由電阻應(yīng)變片和惠斯登電橋?qū)崿F(xiàn)，對(duì)電壓量進(jìn)行標(biāo)定，通過(guò)靜態(tài)電阻應(yīng)變儀實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)換為應(yīng)變量。

測(cè)量步驟：首先將電阻應(yīng)變片粘貼在軌底表面，然后將貼有應(yīng)變片的部分與鋼軌逐漸切割分離，用釋放的應(yīng)變值來(lái)評(píng)定原始?xì)堄鄳?yīng)力。所用的電阻應(yīng)變片應(yīng)為封閉型，長(zhǎng)3mm，靈敏度因子優(yōu)于±1%。

為了測(cè)定縱向應(yīng)變，應(yīng)將應(yīng)變片粘貼在軌底表面。應(yīng)變片應(yīng)貼在1m長(zhǎng)樣軌的中心。在樣軌的中心貼片區(qū)，鋸切20mm厚的樣塊。

測(cè)量主要的流程為：打磨擦洗--貼應(yīng)變片--貼電極板--接線--涂防水膠--連接應(yīng)變測(cè)量?jī)x--鋸切鋼軌--測(cè)量應(yīng)變。

百米熱軋鋼軌底殘余應(yīng)力測(cè)試分析

本文以60kg/m規(guī)格的U75V百米熱軋鋼軌為研究對(duì)象，主要測(cè)量分析鋼軌矯前矯后軌底殘余應(yīng)力變化和通長(zhǎng)分布。

1.矯前軌底殘余應(yīng)力測(cè)試

為了掌握鋼軌矯直前軌底殘余應(yīng)力大小，選取3支鋼軌，尾部切除3m各取1個(gè)試樣。經(jīng)過(guò)打磨、貼應(yīng)變片、鋸切等步驟，測(cè)量結(jié)果如表1。

由表1可以看出，鋼軌在軋制穩(wěn)定生產(chǎn)過(guò)程中，在預(yù)彎工藝參數(shù)相同的情況下，鋼軌軌底殘余應(yīng)力穩(wěn)定在80-90MPa。

2.矯后軌底殘余應(yīng)力測(cè)試

矯前取樣的3支鋼軌經(jīng)過(guò)矯直后，在尾部切除3m各取1個(gè)試樣，經(jīng)過(guò)打磨、貼應(yīng)變片、鋸切等步驟，測(cè)出矯后試樣軌底殘余應(yīng)力。測(cè)量結(jié)果如表1。

由表1可以看出，3支鋼軌在經(jīng)過(guò)矯直后，軌底殘余應(yīng)力平均增加約135MPa，矯直過(guò)程是鋼軌殘余應(yīng)力增大的主要環(huán)節(jié)，減小鋼軌殘余應(yīng)力應(yīng)重點(diǎn)對(duì)矯直壓下規(guī)程進(jìn)行優(yōu)化。

3.矯后鋼軌通長(zhǎng)軌底殘余應(yīng)力分布

為了研究鋼軌通長(zhǎng)殘余應(yīng)力的分布情況，在矯后同一支鋼軌上每隔25m取1個(gè)試樣。測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2可以看出，軌底殘余應(yīng)力在鋼軌通長(zhǎng)方向上波動(dòng)范圍在15MPa以內(nèi)，沿通長(zhǎng)方向基本穩(wěn)定。

降低鋼軌殘余應(yīng)力的控制措施

影響鋼軌軌底殘余應(yīng)力的因素有很多。從測(cè)量分析知，鋼軌殘余應(yīng)力的增大主要來(lái)自鋼軌的矯直過(guò)程。為降低鋼軌殘余應(yīng)力，應(yīng)重點(diǎn)對(duì)涉及矯直工序的工藝進(jìn)行優(yōu)化。

1. 優(yōu)化鋼軌預(yù)彎曲線：鋼軌矯直的彎曲度越大，矯直過(guò)程鋼軌變形量也越大，導(dǎo)致矯直后的殘余應(yīng)力應(yīng)力也越大。為減少鋼軌在矯直過(guò)程中不均勻變形，需要采用合理的預(yù)彎曲線，減小矯前鋼軌彎曲度，進(jìn)而減輕矯直過(guò)程鋼軌的變形量。

2. 優(yōu)化矯直壓下參數(shù)：在保證矯后平直度和扭轉(zhuǎn)合格的前提下，合理控制矯直水平輥總壓下量和優(yōu)化各水平輥壓下量協(xié)調(diào)匹配，也是減小軌底殘余應(yīng)力重要手段。

總結(jié)

實(shí)驗(yàn)證明采用應(yīng)變電測(cè)法可測(cè)量鋼軌殘余應(yīng)力，以60kg/m規(guī)格的U75V百米熱軋鋼軌進(jìn)行軌底殘余應(yīng)力測(cè)試為例，結(jié)果表明矯直是殘余應(yīng)力增大的主要環(huán)節(jié)，鋼軌通長(zhǎng)軌底殘余應(yīng)力波動(dòng)在15MPa范圍內(nèi)，沿通長(zhǎng)方向基本穩(wěn)定。降低鋼軌殘余應(yīng)力應(yīng)重點(diǎn)從控制矯前鋼軌彎曲度和矯直壓下規(guī)程兩方面進(jìn)行優(yōu)化。