鋼軌矯直技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

1對(duì)我國(guó)鐵路用軌精整線(xiàn)的徹底改造隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展以及人們生活水平的不斷提高，人們對(duì)旅行的速度和舒適度提出了更高的要求。我國(guó)是世界第一人口大國(guó),人口基數(shù)大的基本國(guó)情決定了鐵路是我國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的交通設(shè)施,因?yàn)殍F路運(yùn)輸相對(duì)其它陸路運(yùn)輸方式更安全、經(jīng)濟(jì)。針對(duì)這一發(fā)展目標(biāo)和不同運(yùn)輸內(nèi)容的要求,鐵路將朝著高速化和重型化兩個(gè)方向發(fā)展,即客運(yùn)應(yīng)體現(xiàn)高速、舒適,貨運(yùn)應(yīng)加大載貨量。這就對(duì)鐵路用軌提出了兩個(gè)不同的要求,即客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)用軌的高平直度要求和貨運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)用鋼軌的大斷面、重載化的要求。針對(duì)我國(guó)鐵路鋼軌市場(chǎng)出現(xiàn)的這種新變化,鞍鋼新軋鋼股份有限公司結(jié)合大型廠(chǎng)實(shí)際,對(duì)其重軌精整線(xiàn)進(jìn)行了徹底改造。從德國(guó)西馬克-梅爾公司成功引進(jìn)的我國(guó)首臺(tái)重軌平立復(fù)合矯直機(jī)是改造后生產(chǎn)線(xiàn)的核心部分。該矯直機(jī)已于2001年4月一次調(diào)試并試車(chē)成功。這套矯直機(jī)投入使用后,有效地提高了鐵路用軌在X—X和Y—Y方向上的平直度,首次在國(guó)內(nèi)采用串列式布置新工藝,即將原并列鋸組合機(jī)床改為串列,減少了重軌生產(chǎn)橫向拉式運(yùn)輸,顯著降低了采用老工藝生產(chǎn)時(shí)出現(xiàn)的橫向拉傷,使重軌的生產(chǎn)質(zhì)量得到大幅提高,從而極大地增強(qiáng)了鞍鋼重軌在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。2鋼軌矯直技術(shù)鋼軌平直度是決定鋼軌使用壽命和影響機(jī)車(chē)運(yùn)行速度的重要參數(shù)。各國(guó)先進(jìn)的鋼軌生產(chǎn)廠(chǎng)對(duì)鋼軌矯直技術(shù)都十分重視。針對(duì)鋼軌的幾種主要平直度缺陷(如圖1所示),已開(kāi)發(fā)出多種矯直方法。2.1孔型設(shè)備的矯正美國(guó)惠林-匹茨堡公司于1981年設(shè)計(jì)出了由計(jì)算機(jī)控制的雙面矯直機(jī)。這種矯直機(jī)在水平和垂直方向都有一孔型設(shè)備,在對(duì)重軌水平方向用九輥矯直機(jī)矯直后,再在垂直面上用八輥矯直機(jī)進(jìn)行補(bǔ)充矯直。曼內(nèi)斯曼-德馬克公司設(shè)計(jì)的輥式矯直機(jī)可對(duì)60m長(zhǎng)的鋼軌先在水平輥間進(jìn)行Y—Y方向上的矯直,矯直屈服強(qiáng)度達(dá)到1350MPa的70kg/m鋼軌,水平矯直輥以一條垂直的軸線(xiàn)排列在軸承箱里,使矯直機(jī)布置更加緊湊。2.2縱向拉伸前鋼軌的拉伸性能法國(guó)洛林鋼鐵公司已取得專(zhuān)利的鋼軌拉伸矯直技術(shù)是在鋼軌兩端施加拉力,使鋼軌的應(yīng)力超過(guò)屈服點(diǎn),將原始長(zhǎng)度不同的縱向纖維拉到實(shí)際長(zhǎng)度相等,其拉伸量由對(duì)平直度的要求和拉伸前鋼軌平直度的情況來(lái)決定,只要鋼軌的拉伸率超過(guò)0.25%～0.3%,那么無(wú)論殘余拉伸量多大,鋼軌在水平和垂直兩個(gè)方向都能達(dá)到合格的平直度。經(jīng)測(cè)定,拉伸矯直還可使鋼軌的殘余應(yīng)力降低到理想水平。2.3局部硬彎顯微矯直經(jīng)輥式矯直機(jī)矯直后的鋼軌在距軌端約1000mm左右或鋼軌中間會(huì)存在局部硬彎(盲區(qū)),難以矯直,這是由輥式嬌直機(jī)的間距決定的,通常還須采用四面壓力矯直機(jī)進(jìn)行端部矯直。3鐵路發(fā)展對(duì)鋼鐵公司的要求3.1我國(guó)60kg/m鋼的使用壽命有關(guān)對(duì)重型鋼軌的要求,各國(guó)都有相應(yīng)的規(guī)定。如法國(guó)鐵路部門(mén)規(guī)定,當(dāng)車(chē)速在160km/h以上時(shí),應(yīng)采用50kg/m或60kg/m鋼軌;德國(guó)鐵路部門(mén)規(guī)定,當(dāng)車(chē)速在200km/h和250km/h以上時(shí),應(yīng)分別采用54～65kg/m鋼軌和70kg/m鋼軌;日本鐵路通過(guò)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn),60kg/m鋼軌的使用壽命與50kg/m的使用壽命相比可提高2.1～6.5倍;美國(guó)和加拿大自20世紀(jì)70年代開(kāi)始大量鋪設(shè)61.5kg/m鋼軌;前蘇聯(lián)鐵路部門(mén)規(guī)定,當(dāng)客車(chē)速度達(dá)140km/h時(shí),在行車(chē)密度100對(duì)以上的區(qū)間內(nèi),應(yīng)采用65kg/m鋼軌。我國(guó)鐵路部門(mén)規(guī)定,在年載貨量5000萬(wàn)t·km的地段,應(yīng)鋪設(shè)60kg/m鋼軌。各國(guó)鐵路鋪設(shè)鋼軌單重變化(以年代劃分)如下:20世紀(jì)50年代:43～50kg/m。20世紀(jì)60年代:49～52kg/m。20世紀(jì)70年代:52～65kg/m。20世紀(jì)80和90年代:中國(guó)60～75kg/m;日本60kg/m;法國(guó)60kg/m;英國(guó)57kg/m;美國(guó)68kg/m;意大利64kg/m;波蘭60kg/m;前蘇聯(lián)65～75kg/m。從以上發(fā)展可以看出,鐵路用軌單重隨著提速的要求越來(lái)越大,這就加大了重軌矯直的難度,使各生產(chǎn)廠(chǎng)不得不投入力量對(duì)精整線(xiàn)進(jìn)行改造。3.2速度結(jié)構(gòu)限制第20限鐵路客運(yùn)提速一直是各國(guó)鐵路部門(mén)堅(jiān)持不懈追求的目標(biāo)。世界鐵路客運(yùn)列車(chē)提速的標(biāo)志年代為:20世紀(jì)60年代:200km/h(最高車(chē)速)。20世紀(jì)70年代:260km/h(日本新干線(xiàn))。20世紀(jì)80年代:300km/h(法國(guó)最高車(chē)速)。20世紀(jì)90年代:515km/h(法國(guó)實(shí)驗(yàn)車(chē)速)。21世紀(jì):600km/h(磁懸浮列車(chē))。按速度劃分的鐵路時(shí)代為:第一代:車(chē)速為200km/h。第二代:車(chē)速為250km/h。第三代:車(chē)速為300km/h。第四代;車(chē)速為350km/h。隨著鐵路列車(chē)的不斷提速,各國(guó)對(duì)鋼軌定尺長(zhǎng)度的選擇和所采用鋼種的強(qiáng)度和化學(xué)成分、表面質(zhì)量、耐磨性,以及焊接和平直度方面的要求都有了很大的提高。對(duì)平直度方面的要求如下:(1)鋼軌軌端平直度:垂直上翹不大于0.2mm/1.5m,垂直下彎不大于0.1mm/1.5m,水平彎曲不大于0.25mm/1.5m。(2)全長(zhǎng)平直度:垂直方向上翹最大5mm,水平方向不大于0.3mm/3m,水平方向旁彎的彎曲半徑不小于1000m。3.3無(wú)縫線(xiàn)路鋪設(shè)法由于列車(chē)提速和對(duì)運(yùn)行平穩(wěn)要求的不斷提高,各國(guó)一直在尋求新的解決辦法。從20世紀(jì)60年代起,鐵路干線(xiàn)開(kāi)始采用焊接長(zhǎng)軌。其方法是先在焊軌廠(chǎng)將鋼軌焊接成250m以上的長(zhǎng)軌,而后送到軌排廠(chǎng)預(yù)先裝上軌枕,再用特制的軌排運(yùn)輸車(chē)上的專(zhuān)用設(shè)備進(jìn)行行走鋪設(shè)。采用這種無(wú)縫線(xiàn)路鋪設(shè)方法,20世紀(jì)60年代在全世界鋪設(shè)鐵路4km,70年代鋪設(shè)超過(guò)20萬(wàn)km,到了80年代后各國(guó)的鐵路干線(xiàn)基本上都采用了無(wú)縫線(xiàn)路鋪設(shè)方法。鋪設(shè)里程比例較高的國(guó)家有:原西德65%、瑞士53%、意大利和丹麥20%以上,中國(guó)30%左右。4研制采用長(zhǎng)上彎曲、下長(zhǎng)滑第一鋼軌生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的平直度缺陷有:鋼軌全長(zhǎng)沿X軸的均勻彎曲(旁彎)和沿Y軸的均勻彎曲(上彎),鋼軌全長(zhǎng)或局部上的水波狀彎曲(全長(zhǎng)上的彎曲為波浪彎,局部上在波峰和波長(zhǎng)之比大于1時(shí)為死彎),鋼軌全斷面繞腰部中性軸的扭轉(zhuǎn)以及鋼軌端頭的彎翹。針對(duì)這些缺陷,生產(chǎn)廠(chǎng)都會(huì)采取相應(yīng)的矯直措施。鞍鋼大型廠(chǎng)原有矯直設(shè)備為1250懸臂式矯直機(jī),其矯直能力和矯直后的鋼軌精度都無(wú)法滿(mǎn)足鐵路提速對(duì)鋼軌平直度的要求。鑒于這種情況,該廠(chǎng)先后引進(jìn)了德國(guó)西馬克-梅爾公司的平立式復(fù)合式矯直機(jī)和波納爾S350/200型四缸四面壓力矯直機(jī)。4.1西馬克-梅爾公司的平垂直復(fù)合成人教育機(jī)這套矯直機(jī)采取平輥在前、立輥在后的布置工藝,按照工藝流程順序,其設(shè)備組成如下:(1)調(diào)整臂高、速度入口導(dǎo)輥調(diào)整范圍:100～800mm;調(diào)整臂長(zhǎng):1200mm;調(diào)整臂高:300mm;調(diào)整速度:每側(cè)約50mm/s。入口導(dǎo)輥由液壓缸驅(qū)動(dòng),單側(cè)入口導(dǎo)輥的零位調(diào)整定位可由人工操縱。(2)翻鋼頭旋轉(zhuǎn)角度為了確保鋼軌準(zhǔn)確翻轉(zhuǎn)定位對(duì)中,在入口導(dǎo)輥和矯直機(jī)之間,安裝了一臺(tái)雙伺服控制液壓翻鋼機(jī)。翻鋼頭旋轉(zhuǎn)角度:±115°;垂直夾緊輥開(kāi)口度:1200mm;提升框架最大行程:1300mm;導(dǎo)輥直徑:300mm。翻鋼機(jī)采用液壓伺服控制翻轉(zhuǎn),夾緊輥液壓傳動(dòng)和定位系統(tǒng),具有鋼軌穿過(guò)、提升、翻轉(zhuǎn)、夾緊、入口導(dǎo)向和導(dǎo)輥傳動(dòng)的功能。(3)矯直力及標(biāo)準(zhǔn)輥水平輥矯直機(jī)在X—X方向上對(duì)鋼軌進(jìn)行矯直。水平輥矯直機(jī)的矯直范圍:矯直43～75kg/m的重軌和導(dǎo)電軌以及QU80～QU120的吊車(chē)軌;矯直最大屈服極限:75kg/m重軌為1350MPa,75kg/m導(dǎo)電軌為980MPa,QU120吊車(chē)軌為880MPa。矯直輥數(shù)量:8個(gè)+1個(gè);主動(dòng)輥數(shù)量:8個(gè);水平輥間距:1600mm;單輥?zhàn)畲蟪C直力:3600kN;軸向調(diào)整范圍:±40mm;矯直輥直徑:1100～1200mm;矯直速度:0～1.5(2.5)m/s。矯直輥的更換及平衡采用高壓液壓裝置完成。(4)矯直輥及調(diào)整裝置立輥矯直機(jī)在Y—Y方向上對(duì)鋼軌進(jìn)行矯直。立輥矯直機(jī)的矯直范圍:43～75kg/m的重軌和導(dǎo)電軌以及QU80～QU120的吊車(chē)軌;矯直最大屈服極限:75kg/m重軌為1350MPa,75kg/m導(dǎo)電軌為980MPa,QU120吊車(chē)軌為880MPa;矯直輥數(shù)量:7個(gè)+1個(gè);主動(dòng)輥數(shù)量:4個(gè);水平輥間距:650～850mm;單輥?zhàn)畲蟪C直力:1700kN;軸向調(diào)整范圍:±25mm;矯直輥直徑:700～750mm;矯直速度:0～1.5(2.5)m/s(43～60kg/m鋼軌為0～2.15m/s,其余軌類(lèi)為0～1.0m/s)。矯直輥的更換及平衡采用高壓液壓裝置完成。不需要矯直的鋼軌可以通過(guò)調(diào)整立輥矯直機(jī)的開(kāi)口度,讓鋼軌通過(guò)。(5)輥圈材質(zhì)的選擇鞍鋼大型廠(chǎng)重軌矯直機(jī)投入使用已近3年。通過(guò)對(duì)不同的輥圈材質(zhì)9Cr、9Cr2、Cr12MoVi(等同于德國(guó)1.2379)等的使用,積累了矯直不同鋼種鋼軌的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),使重軌矯直質(zhì)量不斷提高。4.2增設(shè)截面液壓矯直機(jī)設(shè)立這條重軌端部矯直線(xiàn)是為了對(duì)鋼軌全長(zhǎng)矯直后進(jìn)行補(bǔ)充矯直。經(jīng)輥矯后的鋼軌在距軌端1000mm左右有盲區(qū),鋼軌中間也會(huì)因存在局部硬彎(盲區(qū))而難以矯直,通常還須采用四面液壓矯直機(jī)進(jìn)行補(bǔ)充矯直。該端部矯直設(shè)備的性能如下:垂直矯直力:2×3500kN;水平矯直力:2×2000kN;矯直盲區(qū):250mm;矯直模具速度:垂直向前行走26mm/s垂直矯直1～10mm/s水平向前行走50mm/s水平矯直1～15mm/s;矯直一次的總時(shí)間(含檢測(cè)):51s。4.3復(fù)合矯直機(jī)對(duì)重軌進(jìn)行矯直技術(shù)經(jīng)過(guò)這條矯直線(xiàn)矯直的重軌,其矯直效果如表1所示。這條精整線(xiàn)投產(chǎn)后,采用平立式復(fù)合矯直機(jī)對(duì)重軌進(jìn)行矯直,顯著避免了采用老工藝生產(chǎn)時(shí)出現(xiàn)的橫向拉傷,從而使鞍鋼的重軌生產(chǎn)水平得到了極大的提高,重軌表面質(zhì)量和精度均達(dá)到國(guó)外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)。5國(guó)內(nèi)、外出口用型鋼產(chǎn)品,在一定程度上為中國(guó)