1、攀 钢 技 术 21钢轨啃伤缺陷形成机理浅析官旭东（攀钢钒轨梁厂）摘 要：描述了运输辊道啃伤缺陷的特征、形成过程，同时对缺陷的形成及大小进行力学上的分析计算，对缺陷的出现机组进行分析。通过现场试验证明了分析的合理性及计算的准确性，可为该类缺陷的及时查找及消除提供依据。关键词：钢轨；“啃伤” 缺陷；力学分析；运输辊道；对中装置0 引言攀钢万能线采用七机架五机组工艺布置(BD1-BD2-U1E1-U2E2-UF)方式生产重轨。轧件前端进下一道次的次数比国内五机架三机组多 2 次，轧件前端弯曲或扭转度大，形成端部缺陷的机率也就大于五机架工艺。辊道啃伤缺陷在重轨生产中曾频繁出现，一般成品端头 04 m
2、 内产生 2 处，严重时 10 m 内出现 56 处。缺陷有时出现在轨头，有时出现在轨底，有时轨头和轨底同时出现，而且缺陷的形状也存在差别。曾认为轧件在运输辊道上跳动是缺陷形成原因，但采取相应措施后并未消除。笔者结合现场研究，对缺陷形成原因及部位进行了理论分析，以此提出相应的控制措施，应用效果明显，证明了分析的合理性，对钢轨类似缺陷的查找具有借鉴意义。1 啃伤缺陷特征1.1 轨底啃伤出现在轨底下腿尖内侧圆角处。缺陷处金属向腿内侧突起，出现金属向内侧刮蹭现象，且有侧向轧制痕迹。缺陷长 5080 mm 左右，呈弧形形状，缺陷深度 0.31.5 mm。腿内侧金属刮蹭突起高度 0.51.0 mm，呈拱
3、形形状，拱长 5080 mm，见示意图 1。 1.2 轨头啃伤出现在下轨头圆角 R13 处。缺陷处金属向轨头踏面方向突起，出现金属向踏面刮蹭现象，轧制痕迹明显。缺陷长 3050 mm 左右，呈弧形形状，缺陷深度 0.81.5 mm。金属刮蹭突起高度0.20.5mm，且成拱形形状，拱长 2040 mm，见示意图2。图 1 下腿尖内侧圆角缺陷图 2 下头侧圆角 R13 处缺陷1.3 轨头轨底同时啃伤22 2011 年第 34 卷第 1 期相对头、底单独出现几率较小，头、底缺陷处于同一断面上。同头、底单独出现的缺陷类似。缺陷处金属向腿内侧及踏面突起，出现金属向腿内侧及踏面刮蹭现象，且有轧制痕迹。见示
4、意图3。图 3 下头、底同时产生啃伤缺陷1.4 缺陷长度分布一般在 A 段钢轨端头 04 m 内出现 2 处，严重时在 10 m 内出现 56 处，离端头越远缺陷深度及长度值越小。缺陷与缺陷之间的最小间隔1.65 m 左右，有时为最小间隔的 2 倍或 3 倍。2 缺陷形成过程分析2.1 运输辊道沟槽轨形轧件侧向与运输辊道接触，运输轨迹基本固定，因运输辊道速度与轧件运行速度存在差异，数月时间内机组前后的运输辊道便磨出1015 mm 深的沟槽。沟槽形状、间距与该机组轧件的形状有关，每根运输辊道的磨损沟槽基本在同一直线上。2.2 轧件端部弯曲与扭转万能区轧件头部延伸系数大于底部延伸系数，出钢弯曲。出
5、万能轧机的轧件可通过调整头底压下量控制弯曲，且对钢轨头部充满影响较少。轧边机出钢侧弯则无法通过调整头底压下量进行及时纠正。工艺优化实践表明，优化头底延伸系数可以达到轧边机出钢平直，但成品轧件头部金属充填不足满足不了标准要求。受万能轧机轴向压力不一致的影响，轧件端部还存在扭转，或者头朝上或者底朝上产生扭转。2.3 轧件端部对中时矫直产生缺陷弯曲轧件受运输辊道边板控制，仅端头 04 m 产生大的弯曲。为保证轧件进入下道次轧制，需用机组前后的对中装置进行矫直。矫直过程中轧件轨底、或轨头、或轨底轨头同时横向滑过辊道磨损沟槽，则在钢轨与辊道沟槽的接触部位产生横向刮蹭。如轧件端部头朝上扭转，则产生轨底刮蹭
6、；底朝上扭转，则产生轨头刮蹭；不扭转，则同时产生轨头轨底刮蹭。从而产生钢轨啃伤缺陷,见图4。轧件出轧边机时其端部通常向轨底一侧弯曲，对中装置矫直时轨头、轨底刮蹭部位的金属也自然向头部方向运动。图 4 辊道磨损沟槽及矫直刮蹭示意3 缺陷形成的力学分析3.1 缺陷形成分析矫直时轧件在磨损沟槽中受力分析如图 5 所示。F液压缸对轧件的矫直力；Fx垂直于辊道磨损凹槽受力面的矫直分力；Fy沿辊道磨损凹槽受力面的矫直分力；FxFy 的水平分力；FyFy 的垂直分力。对中装置底刮蹭头刮蹭头底刮蹭运输辊道磨损沟槽攀 钢 技 术 23图 5 轧件在沟槽中受力分析对中装置矫直钢轨时，液压系统工作压力为13106
7、Pa；液压缸活塞直径为 140 mm。则：F = PS= 131063.140.14/20.14/2= 2105（N ）实测辊道磨损凹槽深度（轨头接触部位约 10 mm，轨底接触部位约 15 mm） ，运输辊道工作直径为 310 mm，则轧件下头部和下腿尖与沟槽的接触面积为：S 下头部 =7.3510-4 m2S 下腿尖 =1.36810-3 m2各运输辊道的磨损沟槽通常沿轧制方向排成一直线，轧件的弯曲前端通常只与一支运输辊道的沟槽接触。轧件下头部和下腿尖部位在矫直过程中所承受的压强为：P 下头部 = F / S 下头部 = 2105/ 7.3510-4 = 2.72108 Pa= 272 M
8、PaP 下腿尖 = F / S 下腿尖 = 2105/ 1.36810-3 = 1.46108 Pa= 146 MPa受对中装置矫直的轧件温度为 8501100 ，其抗拉强度 Rm=80100 MPa 。显然，轧件下头部和下腿尖部位在矫直过程中所承受的矫直压强大于相应抗拉强度，矫直时必然产生辊道啃伤缺陷。3.2 缺陷深度分析1）轧件向上运动的受力分析按 3.1 的分析，辊道磨损沟槽的深度约 15 mm，其对轨底部位的刮蹭深度应在 1015 mm 之间。同样，轨头刮蹭深度也应在 10 mm 左右。但实际刮蹭深度远小于该深度。分析认为，对中装置刚接触轧件时为点接触，随着矫直的进行轧件与对中装置的接
9、触长度越来越大，接触面越来越大，直至轧件与对中装置完全接触。同时轧件以接触弧为中心而旋转，其宽度变化可以忽略。矫直过程中，轧件在辊道磨损沟槽中沿磨损面产生横移和向上滑动。当使轧件向上运动的力小于等于轧件与对中装置的摩擦阻力时，轧件停止向上运动，此时只有横向运动并使沟槽内的轨头轨底形成刮蹭缺陷，其深度与轨头轨底在磨损沟槽内的深度有关。在图 5 中：Fx = F sinFy = F cos( 为辊道磨损沟槽的磨损面与辊道面的夹角， 角一般为 3060)实际生产取 =45，则：Fx = F sin= 2105sin45= 1.414105（N）Fy = F cos= 2105cos45= 1.414
10、105（N）Fy= Fy cos= 1.414105cos45= 1105（N ）Fx= Fx cos= 1.414105sin45= 1105（N ）轧件每米最大单重为 112 kg/m。对中装置矫直轧件弯曲端部过程中，根据轧件端部弯曲度的不同，矫直过程中轧件受力长度一般为 1520 m，取其为 18 m，则被矫直轧件的最大悬空重力为：G = 1121810= 2.016104（N）显然，轧件悬空重力 G 远小于对中装置施加于轧件的矫直力在竖直向上方向上的分力 Fy，处于磨损沟槽中的轧件将向上移动。矫直过程中轧件的向上移动将因轧件与对中装置摩擦力的不断增大而停止。轧件塑性变形前的摩擦力为：F
11、1 = Fx 式中 为摩擦系数，因高温氧化铁皮的润滑，取 0.2。则 F1 = 1.4141050.2= 2.828104(N)显然,变形前的摩擦力小于轧件所受到的向上的分力 Fy,不能阻止轧件向上运动。但当轧件塑性变形后，其摩擦系数发生了变22 2011 年第 34 卷第 1 期化。=较 软 金 属 的 抗 剪 强 度 /较 软 金 属 的 屈 服 强 度 1与对中装置比较，轧件为软金属，钢轨轧件为 1 000 C 时，其抗剪强度为 150 MPa，屈服强度为 80 MPa，则= 150/80= 1.875F1= Fx = 1.4141051.875= 2.65105(N)攀 钢 技 术 2
12、3其摩擦力大于轧件所受到的向上的分力 Fy,此时在摩擦力的作用下，轧件将不再向上运动。2）轧件横向运动的受力分析在受到对中装置矫直时，轧件的抗拉强度按最大值100 MPa计算，产生塑性变形的轧件与对中装置接触面积为：Smax = Fx/100= 1105/100106= 1000(mm2)开始矫直时对中装置仅与头侧接触，接触面积小于 1 000 mm2 则产生塑性变形。设轧件端头弯曲半径为 R。则对中装置接触轨头长度 L 与矫直位移 b 的关系为：L=（ 8Rb-4b2） 1/2由于对中装置与轨头面的长期摩擦，对中装置与轧件轨头面初始接触宽度已达 20 mm（矫直过程中变化小而不计） 。则接触
13、面积 S0 与轨头接触长度 L 的关系如下：S0 = 20 L= 20 （8Rb -4b2） 1/2UF 机前轧件端头弯曲半径随着轧件端部弯曲度的变化而变化，通常情况下为 38 m，本文按5 m 考虑，则：S0 =20 （85000b-4b 2） 1/2；当 S0 = 1000 时， b = 25 mm；即对中装置矫直轧件过程中，处于辊道磨损沟槽内的轧件横向移动 25 mm 时，便开始产生塑性变形而出现辊道啃伤。深度计算如下：h = (B-b)sin式中 h缺陷啃伤深度，mm；B运输辊道磨损沟槽宽度（除去头、底本身宽度） ，mm。现场实测 UF 前 2835 mm，取 30 mm。则：h =
14、(B-b) sin=（30-25） sin45= 3.54(mm)上述计算值，与现场基本吻合。4 缺陷产生部位分析4.1 缺陷试验缺陷有轧制痕迹，缺陷是在 UF 机架之前形成的。而 UF 之前有 U2E2、U1E1 及 BD2、BD1 机架，都有形成缺陷的可能。但从缺陷的特征看，啃伤部位经过 UF 轧制后仍然存在侧面突出，说明UF 机架的压下量不足以完全消除刮蹭后的突起。经现场试验测量，UF 机前产生轨底和轨头同时啃伤缺陷时，其侧面突起高度为 2.73.2 mm；U2E2 机前产生轨底和轨头同时啃伤缺陷时，其侧面突起高度为 2.22.5 mm；U1E1 机前产生轨底和轨头同时啃伤缺陷时，其侧面
15、突起高度为1.22.3 mm；而 BD2 轧机不存在弯曲矫直现象，试验未发现辊道啃伤缺陷。轨底和轨头同时出现刮蹭产生啃伤缺陷的缺陷深度小于轨底或轨头单独出现刮蹭产生啃伤缺陷的深度。同时轧件越靠近 BD 机缺陷深度越浅，主要原因是轧件厚度较大和端部弯曲度较小。4.2 压下量的影响各机架头底压下量见表 1。表 1 各机架头、底压下量 mm机架 道次 头侧压 底侧压1 28.3 11.32 16.8 7.4U1E13 8.5 5.8U2E2 4 12.1 4.4UF 5 0 1.4表 1 中，UF 头部为二辊轧制，头侧压下量为0。从表 1 可见，UF 头底侧压为 1.4 mm，对缺陷的纠正能力最大为
16、 1.4 mm，如果刮蹭缺陷的侧面突起高度大于 1.4 mm，则该机架无法完全消除侧面突起。上述试验中，底部侧面突起为 2.73.2 mm 大于侧压量 1.4 mm，头部侧面突起为 1.01.5 mm 大于侧压量 0 mm，侧面突起在 UF 轧制后仍然存在。U2E2 机组头底侧压量均大于 4.4 mm，而缺陷的侧面突起高度最大仅 2.5 mm，缺陷经该机组轧制后侧面不会形成任何突起。因此成品钢轨缺陷不可能是该机组产生。同理，亦不是 U1E1 机组产生。上述分析准确地将缺陷产生部位定位于 UF 机架之前，但成品钢轨缺陷深度受头底正压甚至腰部拉缩量的影响，因此成品缺陷深度不是简单的24 2011
17、年第 34 卷第 1 期啃伤深度与压下量的加减关系。4.3 验证及效果将上述分析在实际生产中进行验证，对 UF 机攀 钢 技 术 25前磨损严重起槽的运输辊道分别作如下处理：更换新辊道；焊补磨损沟槽；辊道掉头使用；优化辊道材质提高工作面耐磨性；采取表面硬化处理方法提高耐磨性等。通过对磨损起槽辊道进行处理后，钢轨啃伤缺陷得以消除，啃伤缺陷判废量大幅下降，啃伤缺陷废品率从 2007 年的 0.09%下降到 2010 年的0.01%，每年减少废钢约 600 多吨，同时减少了轧制缺陷在线查找和处理时间，提高了轧机作业率。经济效益十分显著。5 结论钢 轨 头 部 、 底 部 啃 伤 缺 陷 是 由 于
18、运 输 辊 道 磨损 沟 槽 造 成 ， 并 在 对 中 装 置 矫 直 轧 件 端 头 弯 曲 时产 生 。钢轨头部、底部啃伤缺陷在对中装置刚接触轧件时不会产生，当在辊道磨损沟槽内横移 25 mm 左右时形成。此时轧件所受到的矫直力在竖直向上方向上的分力被轧件与对中装置之间的摩擦阻力平衡而停止向上运动，被矫轧件产生塑性变形，轧件与对中装置之间的摩擦阻力与其接触面积成线性关系。消除啃伤缺陷的方法是消除运输辊道表面的磨损沟槽。消除辊道沟槽的方式可以通过焊补、提高运输辊道工作面的耐磨性、或改变运输辊道结构以便于磨损后的更换等。参考文献1 何衍宗.有关滑动摩擦的现代概念.物理通报J，1958,（4）.编辑 余文华收稿日期：2010-12-23（上接第 20 页）参考文献1 李霞，温泽峰，金雪松.钢轨轨底坡对 LM 和 LMA 两种轮对接触行为的影响J.机械工程学报，2008（3）：6469.2 赵镜荣.恢复 1：20 轨底坡J. 铁道建筑，1990（3） ，2729.编辑 余文华收稿日期：2010-12-07
