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百米钢轨矫前弯曲度与残余应力的研究

崔海燕  
【摘要】: 随着高速铁路的发展,对钢轨的技术质量提出了更高的要求,其中钢轨的平直度和残余应力是两个最重要的指标。影响钢轨平直度和残余应力的因素很多,其中钢轨的矫前弯曲度就是其中之一。同时,钢轨的矫前弯曲度还影响矫直力的大小,进而影响矫直机的寿命。基于此,本文以钢轨的弯曲度和弯曲变形后的残余应力作为研究内容,提出降低钢轨矫前弯曲度的方法。 本文基于传热分析的基本原理、热弹塑性分析的基本原理、接触分析的基本原理以及有限元理论,采用大型非线性有限元分析软件ABAQUS建立了U75V钢轨的三维瞬态非线性有限元分析模型。应用此分析模型,首先进行了平直钢轨在自然冷却过程的数值模拟计算,分析了平直钢轨自然冷却下温度场、弯曲变形和弯曲变形后的残余应力的变化规律;其次进行了钢轨在预弯状态下冷却过程的数值模拟计算,分析了钢轨在预弯状态和平直状态下弯曲变形和弯曲变形后的残余应力之间的关系,进而提出了钢轨在不同初始条件下的预弯方案;最后通过现场试验,对提出的预弯方案进行验证。 通过数值模拟计算和现场试验得出:钢轨在冷却过程中,初始温度场、初始应力、初始塑性应变和环境温度并不影响钢轨温度场的变化规律;平直钢轨在冷却过程中的弯曲变形是一个循环反复的过程,但最终的弯曲变形是弯向轨头的,其弦高在1.84m~2.07m之间;钢轨在冷却过程中,距锯切端3米处的轨底纵向应力也是一个循环反复的过程,但弯曲变形后的残余应力均在70MPa~90MPa之间;在没有初始应力和初始塑性应变的状态下,钢轨在冷却过程中只有弹性变形,没有塑性变形,弯曲变形是由分布不均匀的初始温度场和各点不同的温度变化速率造成的;初始应力和初始塑性应变对钢轨在冷却过程中的弯曲变形和弯曲变形后的残余应力都有影响,对残余变形的影响更大,因此预弯曲线不能单纯的根据平直冷却的终冷曲线确定,必须经过修正才能应用于实际工艺;经试验验证,经过修正后的预弯曲线具有较好的预弯效果,将弯曲变形后的残余应力控制在70MPa~90MPa、弯曲变形控制在40mm左右。 本论文的研究成果能够为钢轨生产的冷却和预反弯工艺提供理论依据和参考意见。


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