鋼軌矯直技術的發(fā)展與應用

鋼軌矯直技術的發(fā)展與應用

1對我國鐵路用軌精整線的徹底改造隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展以及人們生活水平的不斷提高，人們對旅行的速度和舒適度提出了更高的要求。我國是世界第一人口大國,人口基數(shù)大的基本國情決定了鐵路是我國重點發(fā)展的交通設施,因為鐵路運輸相對其它陸路運輸方式更安全、經(jīng)濟。針對這一發(fā)展目標和不同運輸內容的要求,鐵路將朝著高速化和重型化兩個方向發(fā)展,即客運應體現(xiàn)高速、舒適,貨運應加大載貨量。這就對鐵路用軌提出了兩個不同的要求,即客運專線用軌的高平直度要求和貨運專線用鋼軌的大斷面、重載化的要求。針對我國鐵路鋼軌市場出現(xiàn)的這種新變化,鞍鋼新軋鋼股份有限公司結合大型廠實際,對其重軌精整線進行了徹底改造。從德國西馬克-梅爾公司成功引進的我國首臺重軌平立復合矯直機是改造后生產(chǎn)線的核心部分。該矯直機已于2001年4月一次調試并試車成功。這套矯直機投入使用后,有效地提高了鐵路用軌在X—X和Y—Y方向上的平直度,首次在國內采用串列式布置新工藝,即將原并列鋸組合機床改為串列,減少了重軌生產(chǎn)橫向拉式運輸,顯著降低了采用老工藝生產(chǎn)時出現(xiàn)的橫向拉傷,使重軌的生產(chǎn)質量得到大幅提高,從而極大地增強了鞍鋼重軌在市場上的競爭力。2鋼軌矯直技術鋼軌平直度是決定鋼軌使用壽命和影響機車運行速度的重要參數(shù)。各國先進的鋼軌生產(chǎn)廠對鋼軌矯直技術都十分重視。針對鋼軌的幾種主要平直度缺陷(如圖1所示),已開發(fā)出多種矯直方法。2.1孔型設備的矯正美國惠林-匹茨堡公司于1981年設計出了由計算機控制的雙面矯直機。這種矯直機在水平和垂直方向都有一孔型設備,在對重軌水平方向用九輥矯直機矯直后,再在垂直面上用八輥矯直機進行補充矯直。曼內斯曼-德馬克公司設計的輥式矯直機可對60m長的鋼軌先在水平輥間進行Y—Y方向上的矯直,矯直屈服強度達到1350MPa的70kg/m鋼軌,水平矯直輥以一條垂直的軸線排列在軸承箱里,使矯直機布置更加緊湊。2.2縱向拉伸前鋼軌的拉伸性能法國洛林鋼鐵公司已取得專利的鋼軌拉伸矯直技術是在鋼軌兩端施加拉力,使鋼軌的應力超過屈服點,將原始長度不同的縱向纖維拉到實際長度相等,其拉伸量由對平直度的要求和拉伸前鋼軌平直度的情況來決定,只要鋼軌的拉伸率超過0.25%～0.3%,那么無論殘余拉伸量多大,鋼軌在水平和垂直兩個方向都能達到合格的平直度。經(jīng)測定,拉伸矯直還可使鋼軌的殘余應力降低到理想水平。2.3局部硬彎顯微矯直經(jīng)輥式矯直機矯直后的鋼軌在距軌端約1000mm左右或鋼軌中間會存在局部硬彎(盲區(qū)),難以矯直,這是由輥式嬌直機的間距決定的,通常還須采用四面壓力矯直機進行端部矯直。3鐵路發(fā)展對鋼鐵公司的要求3.1我國60kg/m鋼的使用壽命有關對重型鋼軌的要求,各國都有相應的規(guī)定。如法國鐵路部門規(guī)定,當車速在160km/h以上時,應采用50kg/m或60kg/m鋼軌;德國鐵路部門規(guī)定,當車速在200km/h和250km/h以上時,應分別采用54～65kg/m鋼軌和70kg/m鋼軌;日本鐵路通過實測發(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;美國和加拿大自20世紀70年代開始大量鋪設61.5kg/m鋼軌;前蘇聯(lián)鐵路部門規(guī)定,當客車速度達140km/h時,在行車密度100對以上的區(qū)間內,應采用65kg/m鋼軌。我國鐵路部門規(guī)定,在年載貨量5000萬t·km的地段,應鋪設60kg/m鋼軌。各國鐵路鋪設鋼軌單重變化(以年代劃分)如下:20世紀50年代:43～50kg/m。20世紀60年代:49～52kg/m。20世紀70年代:52～65kg/m。20世紀80和90年代:中國60～75kg/m;日本60kg/m;法國60kg/m;英國57kg/m;美國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越大,這就加大了重軌矯直的難度,使各生產(chǎn)廠不得不投入力量對精整線進行改造。3.2速度結構限制第20限鐵路客運提速一直是各國鐵路部門堅持不懈追求的目標。世界鐵路客運列車提速的標志年代為:20世紀60年代:200km/h(最高車速)。20世紀70年代:260km/h(日本新干線)。20世紀80年代:300km/h(法國最高車速)。20世紀90年代:515km/h(法國實驗車速)。21世紀:600km/h(磁懸浮列車)。按速度劃分的鐵路時代為:第一代:車速為200km/h。第二代:車速為250km/h。第三代:車速為300km/h。第四代;車速為350km/h。隨著鐵路列車的不斷提速,各國對鋼軌定尺長度的選擇和所采用鋼種的強度和化學成分、表面質量、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無縫線路鋪設法由于列車提速和對運行平穩(wěn)要求的不斷提高,各國一直在尋求新的解決辦法。從20世紀60年代起,鐵路干線開始采用焊接長軌。其方法是先在焊軌廠將鋼軌焊接成250m以上的長軌,而后送到軌排廠預先裝上軌枕,再用特制的軌排運輸車上的專用設備進行行走鋪設。采用這種無縫線路鋪設方法,20世紀60年代在全世界鋪設鐵路4km,70年代鋪設超過20萬km,到了80年代后各國的鐵路干線基本上都采用了無縫線路鋪設方法。鋪設里程比例較高的國家有:原西德65%、瑞士53%、意大利和丹麥20%以上,中國30%左右。4研制采用長上彎曲、下長滑第一鋼軌生產(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),鋼軌全長或局部上的水波狀彎曲(全長上的彎曲為波浪彎,局部上在波峰和波長之比大于1時為死彎),鋼軌全斷面繞腰部中性軸的扭轉以及鋼軌端頭的彎翹。針對這些缺陷,生產(chǎn)廠都會采取相應的矯直措施。鞍鋼大型廠原有矯直設備為1250懸臂式矯直機,其矯直能力和矯直后的鋼軌精度都無法滿足鐵路提速對鋼軌平直度的要求。鑒于這種情況,該廠先后引進了德國西馬克-梅爾公司的平立式復合式矯直機和波納爾S350/200型四缸四面壓力矯直機。4.1西馬克-梅爾公司的平垂直復合成人教育機這套矯直機采取平輥在前、立輥在后的布置工藝,按照工藝流程順序,其設備組成如下:(1)調整臂高、速度入口導輥調整范圍:100～800mm;調整臂長:1200mm;調整臂高:300mm;調整速度:每側約50mm/s。入口導輥由液壓缸驅動,單側入口導輥的零位調整定位可由人工操縱。(2)翻鋼頭旋轉角度為了確保鋼軌準確翻轉定位對中,在入口導輥和矯直機之間,安裝了一臺雙伺服控制液壓翻鋼機。翻鋼頭旋轉角度:±115°;垂直夾緊輥開口度:1200mm;提升框架最大行程:1300mm;導輥直徑:300mm。翻鋼機采用液壓伺服控制翻轉,夾緊輥液壓傳動和定位系統(tǒng),具有鋼軌穿過、提升、翻轉、夾緊、入口導向和導輥傳動的功能。(3)矯直力及標準輥水平輥矯直機在X—X方向上對鋼軌進行矯直。水平輥矯直機的矯直范圍:矯直43～75kg/m的重軌和導電軌以及QU80～QU120的吊車軌;矯直最大屈服極限:75kg/m重軌為1350MPa,75kg/m導電軌為980MPa,QU120吊車軌為880MPa。矯直輥數(shù)量:8個+1個;主動輥數(shù)量:8個;水平輥間距:1600mm;單輥最大矯直力:3600kN;軸向調整范圍:±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)矯直輥及調整裝置立輥矯直機在Y—Y方向上對鋼軌進行矯直。立輥矯直機的矯直范圍:43～75kg/m的重軌和導電軌以及QU80～QU120的吊車軌;矯直最大屈服極限:75kg/m重軌為1350MPa,75kg/m導電軌為980MPa,QU120吊車軌為880MPa;矯直輥數(shù)量:7個+1個;主動輥數(shù)量:4個;水平輥間距:650～850mm;單輥最大矯直力:1700kN;軸向調整范圍:±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調整立輥矯直機的開口度,讓鋼軌通過。(5)輥圈材質的選擇鞍鋼大型廠重軌矯直機投入使用已近3年。通過對不同的輥圈材質9Cr、9Cr2、Cr12MoVi(等同于德國1.2379)等的使用,積累了矯直不同鋼種鋼軌的生產(chǎn)經(jīng)驗,使重軌矯直質量不斷提高。4.2增設截面液壓矯直機設立這條重軌端部矯直線是為了對鋼軌全長矯直后進行補充矯直。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進行補充矯直。該端部矯直設備的性能如下: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;矯直一次的總時間(含檢測):51s。4.3復合矯直機對重軌進行矯直技術經(jīng)過這條矯直線矯直的重軌,其矯直效果如表1所示。這條精整線投產(chǎn)后,采用平立式復合矯直機對重軌進行矯直,顯著避免了采用老工藝生產(chǎn)時出現(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,重軌表面質量和精度均達到國外先進標準。5國內、外出口用型鋼產(chǎn)品,在一定程度上為中國