振動時效在道岔制造中的應(yīng)用

王再興

(中鐵寶橋(南京)有限公司，江蘇 南京 210046)

1 概述

鐵路道岔產(chǎn)品加工制造屬于傳統(tǒng)的機械加工制造業(yè)，經(jīng)過多年的研究與探索，已擁有成熟的加工工藝，但隨著鐵路運輸速度的不斷提升，對道岔的質(zhì)量也提出來更高的要求，還需進一步對工藝進行優(yōu)化。

殘余應(yīng)力是指在沒有對物體施加外力時，物體內(nèi)部存在的為保持平衡的應(yīng)力，它是固有應(yīng)力或內(nèi)應(yīng)力的一種［1］。鋼軌件作為道岔的重要組成部分，在加工過程中會產(chǎn)生大量的殘余應(yīng)力，這些殘余應(yīng)力會在道岔使用過程中逐漸釋放，從而引起鋼軌的變形，甚至?xí)?dǎo)致裂紋和應(yīng)力腐蝕，直接影響道岔的質(zhì)量。因此，在道岔制造過程中將殘余應(yīng)力消除成為提高道岔質(zhì)量的關(guān)鍵工藝。

2 振動時效技術(shù)

為降低和消除殘余應(yīng)力，通常采用時效技術(shù)，根據(jù)時效方式不同又分為自然時效(Natural Stress Relief，NSR)和振動時效(Vibration Stress Relief，VSR)等［2］。自然時效是將工件在自然條件下放置一定時間，使殘余應(yīng)力逐漸釋放;該方法對保持工件的整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，工藝簡單易行，但放置時間一般較長，不利于提高生產(chǎn)效率。振動時效是在周期性的外力作用下與工件產(chǎn)生共振，使工件產(chǎn)生適當(dāng)?shù)慕蛔冞\動，進而松弛殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力消除效果是自然時效的5倍～10倍;振動時效技術(shù)設(shè)備簡單，易于實現(xiàn)自動化，操作時間短，生產(chǎn)效率高，適合在道岔的生產(chǎn)制造中應(yīng)用。

在我國，振動時效技術(shù)的使用已經(jīng)有20多年的歷史，在各行各業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。在鑄造件、鍛壓件、焊接件、機加工件等各類零部件都已經(jīng)可以通過振動時效來有效的消除殘余應(yīng)力，這些零部件的殘余應(yīng)力都是由傳統(tǒng)的機械冷、熱加工產(chǎn)生的［3］。道岔鋼軌件的加工制造一般包括鑄造、鍛造、機加工、熱處理等工序［4］，各工序中殘余應(yīng)力的產(chǎn)生原因也是因為機械的冷、熱加工，因此可以用振動時效技術(shù)來消除道岔鋼軌件中的殘余應(yīng)力。

3 振動時效技術(shù)參數(shù)

振動時效技術(shù)是用激振設(shè)備在工件上施加等幅交變循環(huán)激振力，構(gòu)件在共振狀態(tài)下才能獲得最大的激振動應(yīng)力，且動應(yīng)力的大小會影響工件應(yīng)力集中點處的合力方向和大小，只有合適的合力才能有效的消除殘余應(yīng)力，因此需要按照不同工件的特點來擬定相應(yīng)的工藝參數(shù)。

3.1 激振頻率

激振頻率是激振設(shè)備對工件施加的振動頻率。在對工件進行振動時效來消除殘余應(yīng)力時，使用最合適的激振頻率能夠達到最好的效果;在共振頻率下，很小的周期振動便可產(chǎn)生很大的振動，系統(tǒng)儲存了動能，振動時效效果也最好，工件的共振頻率決定了激振頻率。

3.2 動應(yīng)力

動應(yīng)力是激振設(shè)備施加給工件以與其周期交變力相對應(yīng)的動態(tài)附加力。動應(yīng)力會在振動過程中與殘余應(yīng)力互相作用，使殘余應(yīng)力逐漸松弛、釋放，動應(yīng)力越大，殘余應(yīng)力降低量就越多。但是，動應(yīng)力過大會導(dǎo)致本處于疲勞狀態(tài)的工件出現(xiàn)損傷，需要保證動應(yīng)力在合適的范圍內(nèi)。實際應(yīng)用中，動應(yīng)力相對難測量、控制，可以以振動幅值來代替動應(yīng)力大小，鋼軌件的振動幅值通常選擇共振幅值的2/3。

3.3 激振時間

由于各工件的結(jié)構(gòu)和重量不同，殘余應(yīng)力的大小和分布不同，工件振動時效達到最佳效果的時間也有所不同，振動時間越長，雖振動效果越好，但達到一定效果后的繼續(xù)振動屬于無效勞動，不利于經(jīng)濟化生產(chǎn)。

4 工作實例

選擇“時速250 km客專60 kg/m鋼軌18號單開道岔”的翼軌為本次工作實例。該翼軌全長19 660 mm，質(zhì)量1 720 kg，60TY鋼軌原材，經(jīng)機加工、淬火、頂調(diào)等工藝加工后進行振動時效處理。

1)圖1為翼軌振動時效布置示意圖。振動控制器控制激振器振動，使鋼軌產(chǎn)生同頻率振動，加速度傳感器將加速度以振動幅值形式反饋至振動控制器，用以確定激振力大小、判斷最終振動效果。

圖1 鋼軌振動時效示意圖

2)振動時效的實施。振動控制器可以設(shè)置自動和手動兩種模式，通過對某一類鋼軌進行長時間振動時效處理后，總結(jié)數(shù)據(jù)，可以設(shè)置自動模式減少操作時間。本實例為達到更好的時效效果采用手動模式，振動控制器只能以打印線型和數(shù)據(jù)方式導(dǎo)出數(shù)據(jù)。

a.為確定合適的激振頻率，應(yīng)首先對鋼軌件進行振動掃錄，振動頻率為2 000 rpm～10 000 rpm，得到初始掃錄曲線，如圖2所示。根據(jù)掃錄曲線確定最佳共振點，選擇4個加速度最大點，分別為 6 693，7 888，8 181，9 632。

b.根據(jù)4個共振點，設(shè)置激振器相應(yīng)轉(zhuǎn)速，加速度設(shè)置為共振加速度的2/3，分別為20，17，35，107。本鋼軌質(zhì)量大，加工工藝復(fù)雜，殘余應(yīng)力大，為保證振動效果和工作效率，設(shè)置每共振點激振10 min，共 40 min。

圖2 振動時效前初始掃錄曲線

圖3 振動時效后振后掃錄曲線

c.激振結(jié)束后，為判斷振動效果，需對鋼軌件重新進行振動掃錄，得到振后掃錄曲線，如圖3所示。根據(jù)掃錄曲線的對比，可以看出振后共振頻率降低，共振峰值(6 693)處有裂變現(xiàn)象，振后曲線帶寬比振前變窄。通過以上對比，即可判定該工件已達到時效效果［5］。

5 結(jié)語

道岔鋼軌件，通過振動時效處理后，能顯著的降低鋼軌內(nèi)因機加工和熱處理產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，有效的提高道岔產(chǎn)品的質(zhì)量。且振動時效技術(shù)使用難度低、設(shè)備成本低、工作效率高，便于推廣應(yīng)用，可以提升企業(yè)的經(jīng)濟效益與社會效益。振動時效技術(shù)在道岔制造中不僅能應(yīng)用在鋼軌件上，還能應(yīng)用于鑄造轍叉、焊接墊板等其他部件，將會對道岔制造技術(shù)帶來一系列提升。