复合重轨矫直机的矫直力计算

第 29卷 第 5期 燕山大学学报 Vol. 29 No. 5 2005年 9月 Journal of Yanshan University Sept. 2005 0 引言 平直度是衡量钢轨实物质量的主要指标之一， 钢轨平直度直接影响列车运行速度、安全性及舒适 性。试验数据表明，一个 0.12mm的微小焊缝迎台 阶不平顺，速度在 300km/h，引起的冲击性轮轨高 频动作用力可达 722 kN，低频轮轨力达 321kN， 这样大的冲击力，有可能引发钢轨、轮、轴断裂, 导致恶性脱轨事故。因此，随着时速 200 km客运 专线和时速 300 km 高速铁路的建设, 为保证列车 运行的安全，铁道部于 1998 年颁布了“时速 200 km客运专线 60kg/m钢轨技术条件”和“时速 300 km高速铁路 60kg/m钢轨技术条件”，两标准对钢 轨平直度提出了十分严格的要求。 造成钢轨冷却后出现严重的弯曲度，主要是由 于钢轨断面形状不对称，冷却过程中各部分冷却速 度不一致。在同等冷却条件下，轨底冷却速度较 快，而轨头冷却速度较慢，当轨底冷却到不再产生 收缩变形时，轨头的温度仍然较高，在冷却过程中 继续产生收缩变形，因此，当轨头完成冷却时，整 个钢轨将向轨头弯曲，这个弯曲度就是钢轨矫前弯 曲度。矫前弯曲度的大小一方面与轨头、轨底的温 差有关，另一方面与轨头、轨底的冷却速度快慢有 关，因此，要想降低钢轨矫前弯曲度，可以考虑降 低轨头与轨底的温差大小及控制轨头、轨底的冷却 速度。而对于冷却中的弯曲需要采用矫直方法来得 到矫正。 1 主要技术参数 1.1 重轨断面形状及截面尺寸 50号的重轨断面形状见图 1，截面尺寸见表 1。 图 1 50号的重轨断面形状 Fig. 1 The section of 50# heavy rail 表 1 50型号重轨截面尺寸 Tab. 1 Section value of heave rail 50# (mm) 钢轨型号 1 2 1/ 2 3 1/ 2 50 46 70 132 27 42 1: 4 152 13/2.5 4 12/20 15.5 1.2 截面面积、重心距 参考数值见表 2。 文章编号：1007-791X (2005) 05-0447-04 复合重轨矫直机的矫直力计算 于凤琴 1，于 辉 1，杜凤山 1 （1. 燕山大学 机械工程学院，河北 秦皇岛 066004） 摘 要：钢轨在冷却过程中产生弯曲，为保证钢轨平直度，必须对其进行矫直，因为平直度是钢轨在实际使用 中保证安全的重要指标之一。矫直机矫直力的大小，决定了矫直机的设备矫直能力，是矫直机的重要力能参数。 本文对辊式钢轨矫直机的矫直力进行计算并与实际数据比较，达到比较满意结果。 关键词：钢轨辊式矫直机 矫直力 中图分类号：TG335.21 文献标识码：A 收稿日期：2005-01-08 作者简介：于凤琴（1965- ），女，辽宁人。博士，讲师。主要研究方向为矫直研究。 448 燕山大学学报 2005 表 2 截面面积、重心距离参考数值 Tab. 2 The reference value of section area and orthocenter distance 型号 截面面积/cm2 重心距/cm 惯性距/cm4 截面系数/cm3 1 2 1 2 3 50 65.8 7.1 8.1 2037 377 287.2 251.3 57.1 1.3 热轧冷却后的弯曲状况 钢轨冷却后普遍向轨头方向弯曲， 弦高一般 为 30mm~50mm，每排靠边的两根旁弯最大，弦 高为 150mm~200mm。轧件在矫直的过程中，涉及 到轧件的弹性弯曲变形、弹塑性弯曲变形、塑性弯 曲变形的程度，为简化轧件在弹塑性弯曲变形过程 中的分析，将轧件看作理想的弹塑性 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 ，忽略加 工硬化的影响，即轧件在塑性变形时，应力值是常 数且等于弹性屈服极限值 ，轧件弯曲过程的应力 状态图如图 2所示。 图 2 弯曲应力状态图 Fig. 2 The bending stress graph 1.4 矫直力的计算 对于重轨的截面比较复杂，进行简化以便进行 弹性断面系数计算，它的简化结果如图 3所示。 图 3 重轨截面简化图 Fig. 3 Simply section of heavy rail 其中： 1= 1 1， 2= 2 2。其弹性断面系数为： = 1 3 1 3 + 23 23 + 13+ 23 3 1 1.4.1 复合矫直机的设备简化图 用复合矫直机矫直重轨，矫直机设备简化如图 4所示。 图 4 重轨矫直机模型图 Fig. 4 The model drawing of heavy rail straighter 矫直机设备参数：矫直辊数目：9个，辊径 =1000mm，辊距 =1600mm，矫直温度 650℃，矫 直速度为 =0~0.6m/s，最大矫直力为 3700kN，单 独传动，电机功率为 180kW。 其矫直过程见图 5，从图中可看出, 钢轨刚咬 入 3 #矫直辊时，钢轨踏面与 2 #辊接触点距离钢 轨端部约为 500mm , 此时还未建立起三点弯曲矫 直关系, 因此不会引起钢轨尺寸变化。随着钢轨继 续前行, 三点弯曲矫直关系建立，进行一次弯曲矫 直。矫直过程就是不断弯曲使钢轨经历弹塑性弯曲 变形，达到平直。 纯弹性弯曲 纯塑性弯曲弹塑性弯曲 第 5期 于凤琴 等 复合重轨矫直机的矫直力计算 449 图 5 重轨三点弯曲建立过程 Fig. 5 The process of three points bending of heavy rail straightening 1.4.2 矫直力计算公式 作用在各个辊子上的矫直力可按下式计算： 1= 1 2 2= 2 2 2 + 3 3= 2 2 +2 3 + 4 4= 2 3 +2 4 + 5 = 2 1 +2 + +1 作用在上下辊子上矫直力之和为： 1 = 8 2 + 3 + + + + 2 + 1 式中： 为作用在第个辊子的矫直力； 为相邻辊 子之间的弯矩。 上式表明，要求得作用在各个辊子上的压力， 必须先确定各个辊子处的弯矩。弯矩取决于弯曲变 形量的大小，即取决于原始曲率与压下挠度曲率之 和。相对一定条件而精确计算出弯矩是很困难的， 通常采用一些简化方法。对于钢轨辊式矫直机，采 用倾斜排列，所以假设弯矩分配 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 如下： 2 = 3= 4 = 3 = 2 = 1 = 5 = 6 = = 4 = + 2 式中： 为钢轨塑性弯距， = ； 为钢轨弹 性极限弯距， = ； 为钢轨屈服极限。 对于重轨断面，其塑性断面系数为： = (1.5~ 1.7) ，取 =1.6 ，重轨钢种为 QU100，屈服强 度 一般为 510～ 550MPa，这里取 = 550MPa。 1.4.3 计算结果对比 利用 Matlab 软件进行计算，软件界面如图 6 所示。 图 6 矫直力计算软件界面 Fig. 6 The sofware interface of straightening force 得到50号钢轨的最大矫直力为2827.3849kN， 弹性断面系数为 371374.6033mm，计算得到电机 功率为 160kW。某钢厂的复合钢轨矫直机，此钢 轨矫直设备的公称矫直力为 3700 kN，电机功率为 180kW。矫直力的计算误差是 23.6％，电机功率计 算误差是 11.1％，符合公称设备要求。通过此软件 可以计算不同钢轨的矫直力，为以后矫直机设备设 计提供快捷且比较可靠的计算结果，具有一定的实 际意义。 2 矫直后可达到的技术标准 钢轨经过此矫直机矫直，可达到下述钢轨行业 的技术规定要求: 钢 轨 侧 向 弯 曲 度≤115mm，总 弯 曲 度 ≤12mm；钢轨上、下方向总弯曲度≤10mm；钢 轨端部弯曲 0.5m内≤3mm。 450 燕山大学学报 2005 参考文献 [1] 崔莆. 矫直理论与参数计算 (第二版) [M]. 北京: 北京工业出 版社, 1994,43-69. [2] 李丽. Matlab工程计算及应用 (第一版) [M]. 北京: 人民邮 电出版社, 2001. [3] Orringer, P Tong. Investigation of Catastrophic Failure of Premium Alloy Railroad Rail . Fracture Problem in Transportation Indust - ry Proceeding of ASCE Conference. Deteroit, Michigan, Oct, 1998,62-79. Calculation of force of compound roll straighten device of heavy rail YU Feng-qin1, YU Hui1, DU Feng-shan1 (1. College of Mechanical Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao, Hebei 066004, China) Abstract: The rail produces bend during cooling, it must be straightened because the straightness is one of important target values to ensure the requirement of straightness. The value of force of straighter decides its ability and is one of important energies. The force of the rail straighter is calculated in this paper and is compares with practical results, which is content. Key words: rail; compound roll straighten device; straighten force