热轧波纹轨腰钢轨残余应力的有限元研究

2014-07-19朱晓男马劲红姚晓晗

山东工业技术 2014年10期

朱晓男，马劲红，姚晓晗，陶彬

（河北联合大学冶金与能源学院，河北唐山063009）

1 引言

众所周知,钢轨在铁路运输中的地位是非常重要的。随着铁路运输不断向高速、重载、高流量方向发展，对钢轨的性能也提出了更高的要求。目前广泛应用的钢轨截面是工字型结构。为了满足不断提高的强度和刚度要求，不得不增加轨腰的厚度，从而增加钢轨材料的用量，使得钢轨日益向重型化发展。

将工字型结构的平板状腹板改为波纹腹板，是型材结构的进步，由于其腹板沿纵向被轧制成具有正弦曲线状的波纹腹板，在一定程度上提高了腹板的侧向刚度和稳定性。将这种型材结构应用到钢轨上，开发了一种新型钢轨结构，即具有波纹轨腰的新型钢轨。

本文利用ANSYS/LS-DYNA模块建立了轧制模型，研究了在不同轧制速度、轧制压下量、轧制温度对轧后的波纹轨腰钢轨残余应力的影响。从而为工艺参数的设定、产品质量的改善提供了依据。

2 有限元基础理论

波纹轨腰钢轨的轧制过程具有材料非线性、几何非线性和边界条件非线性的特点，其变形过程是弹塑性大变形,物体变形运动描述均采用修正的拉格朗日方法,即Updated Lag range(简称U.L)描述;在金属成型过程中,通常采用Von M ises屈服准则[2] [3]。

弹塑性材料的本构方程为：

——弹塑性本构方程矩阵；

式中 ——弹性模量

3 计算模型的建立

本文模拟轧制的模型按照60公斤重轨来建立的，其断面网格划分如图1所示。

有限元模型采用的水平辊直径（节圆直径）为1400mm，模拟轧制是取轧件长度为500mm。轧件材料为U74，材料模型采用分段线性强化，摩擦模型采用库仑模型。计算过程中把轧件视作弹塑性变形体，轧辊视作刚体。计算开始时，轧件以与水平辊节圆速度稍慢的速度向辊缝运动，等轧辊咬入后，进入稳定轧制阶段，施加在轧件上的速度为零,水平辊带动轧件运动，轧件带动立辊转动，轧制模型如图2所示。轧辊用she ll163单元划分，轧件用so lid164单元划分。

4 计算结果分析

4.1 残余应力分布及其影响

从图3中可以看出,当轧件出变形区以后,断面应力分布发生变化.从计算结果可以看出,轧后在轨头、轨底与轨腰的交界处以及轨腰的中部存在较大的残余应力。在轨头与轨腰的交界处，轨腰以及轨底与轨腰的交界处分别取单元A、B、C,从图4可以看出在出轧制变形区后，单元A、B、C存在较大的应力值。

由于在轧制波纹轨腰钢轨时，在轧件的各个部分存在不均匀塑性变形，所以在出轧制变形区后，在波纹轨腰钢轨中就存在残余应力。在轧制变形区中塑性变形越不均匀的部分，在出轧制变形区后，残余应力就越大。

在轧后的波纹轨腰钢轨中存在的残余应力值较大，直接影响钢轨的使用性能和寿命。残余应力较大与分布不均匀，容易在后续的热处理过程中以及在以后的使用过程中产生弯曲、波浪、局部裂纹等缺陷。所以在轧制过程中通过合理的控制轧制速度、轧制温度、以及各部分压下量的比值，来减小残余应力的值，以提高轧制产品的质量。

4.2 残余应力的控制

1）轧制速度对残余应力的影响。从图中可以看出，对于不同的压下量，轧制速度不同，残余应力的最大值变化不是很明显，残余应力变化的最大值大约在2%左右，因此轧制速度对于残余应力最大值的影响不是很大。轧制速度与残余应力值的变化之间并不呈线性变化。

2）压下量的比值对残余应力的影响。在相同轧制速度的情况下，不同的压下量比值(轨腰部分压下量与轨头、轨底压下量的比值)对残余应力值的影响很大，在波纹轨腰钢轨的轧制过程中，产生塑性不均匀变形的主要原因是轨头、轨底与轨腰处的压下量不同，由于轨腰被轧制成了波纹形状，造成轨腰处的延伸系数较之轨头与轨底处较大，因此在轨腰处以及在轨头、轨底与轨腰的交界处，存在较大的不均匀变形，因此残余应力值较大。从图5中，当压下量比值为1时，残余应力值明显较小。这是因为波纹轨腰的幅值较小，而波长较大，所以把平轨腰轧制成波纹轨腰时，其波长变化值很小，不超过5%, 因此，为了减小轧制后的残余应力值，应把压下量的比值设为与延伸系数相近。

3）轧制温度的影响。随着轧制温度的降低，残余应力值明显增加,因此在轧制波纹轨腰钢轨的过程中,要选择合适的轧制温度，以减小轧后金属的残余应力。