道岔鋼軌頂彎加熱溫度及裝置研究

楊 含，程 亮，趙紅威，蘭超鋒

(中鐵寶橋集團(tuán)有限公司，陜西 寶雞 721006)

鐵路道岔是把軌道分支為兩條或兩條以上的軌道，使機(jī)車車輛由一條線路轉(zhuǎn)往另一條線路的基本設(shè)備，如圖1所示。道岔在生產(chǎn)制造過程中，因部分鋼軌件設(shè)計(jì)要求[1]，需進(jìn)行一定的彎折，其中彎折角度較大的軌件，就涉及到彎折點(diǎn)處的加熱方式和加熱溫度。本文研究鋼軌在不同加熱溫度下的性能，確定合理的加熱范圍和加熱方式。

圖1 小號(hào)碼道岔中彎折的翼軌

1 現(xiàn)狀分析

標(biāo)準(zhǔn)TB/T 412—2020《標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路道岔》中，對(duì)于頂彎規(guī)定：“鋼軌不應(yīng)加熱頂彎。特殊情況下，可局部加熱頂彎，加熱的溫度不應(yīng)大于500 ℃。”目前，道岔生產(chǎn)廠家主要采用氧氣乙炔火焰加熱方式，對(duì)鋼軌彎折點(diǎn)兩側(cè)各150 mm范圍內(nèi)預(yù)熱，溫度控制在400 ℃以內(nèi)，如圖2所示。預(yù)熱時(shí)前后上下移動(dòng)火焰，盡量使鋼軌均勻受熱，避免長時(shí)間對(duì)局部加熱，并以手持式測(cè)溫儀對(duì)加熱區(qū)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。由于人工操作的不確定性以及火焰加熱的特點(diǎn)，很難保證加熱區(qū)受熱均勻，鋼軌里外溫差也較大。鋼軌頂彎過程中，對(duì)于彎折角度較大的，彎折點(diǎn)外側(cè)容易開裂，帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失，也嚴(yán)重影響了生產(chǎn)進(jìn)度。圖3為頂彎時(shí)鋼軌開裂。

圖2 氧氣乙炔火焰加熱鋼軌

圖3 翼軌頂彎開裂

針對(duì)上述問題，提高鋼軌加熱溫度，并對(duì)彎折點(diǎn)處鋼軌表面質(zhì)量(主要是打磨棱角、改善粗糙度)進(jìn)行嚴(yán)格控制，但均未能有效解決鋼軌頂彎開裂的情況。因此，探究合理的鋼軌頂彎加熱溫度，開發(fā)高效的加熱方式或裝置，成為解決該問題的方向。

2 前期試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料和方法

為研究加熱溫度對(duì)鋼軌性能的影響，本試驗(yàn)選擇了常用的50 kg/m基本軌(材質(zhì)U71MnH)為研究對(duì)象。鋸切成6根長度160 mm的試件，編號(hào)為1#～6#，其中1#試件不加熱，其余試件在可控式陶瓷電阻爐進(jìn)行不同溫度加熱，加熱參數(shù)見表1。

表1 50 kg/m鋼軌試件加熱參數(shù)

參照標(biāo)準(zhǔn)TB/T 2344.1—2020《鋼軌 第一部分：43 kg/m～75 kg/m鋼軌》對(duì)6個(gè)試件進(jìn)行取樣。采用WDW-300C 液壓拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫下的強(qiáng)度測(cè)試，強(qiáng)度測(cè)試樣品為10 mm圓形截面拉伸試樣；采用3001XLMIMP全自動(dòng)布氏硬度計(jì)和HR-150DT洛氏硬度計(jì)分別對(duì)加熱后的鋼軌頂面中心線硬度和斷面硬度進(jìn)行測(cè)試；金相樣品經(jīng)4%的硝酸酒精溶液侵蝕，采用Observer.D1m顯微鏡進(jìn)行金相組織觀察。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

表2為鋼軌經(jīng)不同溫度加熱后的性能檢測(cè)結(jié)果。由表2可知，鋼軌在加熱至450 ℃冷卻后，表面硬度、斷面硬度和抗拉強(qiáng)度均較原材料略有降低。加熱溫度500 ℃冷卻后，各項(xiàng)性能指標(biāo)下降明顯，但是基本上滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。加熱溫度550 ℃以上，除斷裂伸長率以外，其余指標(biāo)均不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 鋼軌不同溫度加熱后的各項(xiàng)性能

圖4為鋼軌經(jīng)不同加熱溫度后的金相組織。由圖4可知，原材料的組織為索氏體+少量粗片狀珠光體；加熱溫度為500 ℃，珠光體片層間距變大；加熱溫度為600 ℃，顯微組織基本以粗片狀珠光體為主，并且個(gè)別珠光體有破斷、球化的趨勢(shì)。這也是導(dǎo)致其強(qiáng)度和硬度下降的主要原因[2-3]。

(a)不加熱；(b)500 ℃；(c)600 ℃

該試驗(yàn)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)中要求鋼軌加熱溫度不超過500 ℃吻合，考慮到頂彎時(shí)的不同軌型和彎折角度以及節(jié)能要求，現(xiàn)場(chǎng)加熱溫度合理范圍為300～450 ℃。

3 加熱裝置開發(fā)

3.1 加熱方式選擇

目前，常見的工件加熱方式主要有氣體加熱、電阻絲加熱和感應(yīng)加熱[4]。從鋼軌的結(jié)構(gòu)、加熱的深度以及現(xiàn)場(chǎng)使用便捷性、安全性、經(jīng)濟(jì)性等方面考慮，選擇了電阻絲加熱方式，并制定以下設(shè)計(jì)思路：1)鋼軌件加熱時(shí)，要保證溫度的均勻性和溫度控制的精確性；2)裝置要體積小、重量輕，一個(gè)人即可操作，方便現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)；3)能源消耗減少，并消除氣體使用的安全隱患；4)可滿足不同鋼軌件的彎折加熱。

3.2 加熱裝置設(shè)計(jì)

通過查閱資料、廠家咨詢，結(jié)合鋼軌加熱的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了鋼軌頂彎預(yù)熱裝置，如圖5所示。圖6為加熱箱示意圖。

圖5 鋼軌頂彎預(yù)熱裝置示意圖

圖6 加熱箱示意圖

預(yù)熱裝置主要由溫控箱、加熱箱和測(cè)溫儀組成。溫控箱可引出三組加熱箱，三組溫度單獨(dú)由可報(bào)警的溫度控制器控制，每組加熱箱功率為10～15 kW。

加熱箱由兩個(gè)仿鋼軌形狀的半箱組成，通過連接件實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，以裝卡鋼軌。從內(nèi)到外分別由合金絲纜、氧化鋁陶瓷絕緣件、保溫材料和金屬外殼組成，加熱箱頂部設(shè)置一紅外測(cè)溫儀，實(shí)時(shí)監(jiān)控加熱溫度。鋼軌頂彎前，在彎折點(diǎn)兩側(cè)共360 mm長度范圍內(nèi)，對(duì)整個(gè)斷面采用加熱箱加熱至300～450 ℃，當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)置溫度后，溫控箱開始保溫，并發(fā)出提示音。

3.3 裝置的制作及試用

通過委托某熱處理設(shè)備廠家，制作了一套加熱裝置，如圖7所示。該裝置測(cè)溫采用了接觸式熱電偶，其余功能均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

(a)控制箱；(b)加熱箱

選擇一根60 kg/m(材質(zhì)U75VH)鋼軌，進(jìn)行加熱試驗(yàn)。鋼軌和加熱箱從室溫開始加熱，鋼軌軌頭溫度達(dá)到400 ℃時(shí)，用時(shí)約20 min。隨后將鋼軌放置于自然狀態(tài)下冷卻，用手持式紅外測(cè)溫儀測(cè)量相同部位，冷卻10 min后溫度下降約80 ℃。升溫與降溫曲線如圖8所示。從降溫速率推斷，鋼軌加熱后里外溫差較小，可長時(shí)間維持較高溫度。通常，升高溫度會(huì)降低金屬材料的屈服強(qiáng)度[5]，這對(duì)于鋼軌頂彎是有益的。

圖8 (a)鋼軌加熱升溫曲線和(b)自然冷卻曲線

鋼軌經(jīng)該裝置加熱400 ℃后進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，結(jié)果見表3。由表3可知，鋼軌力學(xué)性能均完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，并未產(chǎn)生不良影響。

表3 400 ℃加熱后鋼軌的力學(xué)性能

為驗(yàn)證該裝置對(duì)鋼軌加熱頂彎后的質(zhì)量，各選取2根60 kg/m(材質(zhì)U75VH)和60TY1(材質(zhì)U71MnG)鋼軌，經(jīng)400 ℃加熱后進(jìn)行頂彎試驗(yàn)，頂彎支距300 mm。兩種軌型的彎折距離分別達(dá)到155/600 mm和60/600 mm，頂彎過程輕松實(shí)現(xiàn)。目測(cè)均無缺陷，后經(jīng)磁粉和超聲波探傷(彎折點(diǎn)兩側(cè)各150 mm全斷面)檢測(cè)無缺陷。

綜上所述，該裝置達(dá)到設(shè)計(jì)要求，且加熱效果較好，單根鋼軌頂彎效率提升。并且通過增加加熱箱的數(shù)量，將加熱效率提升2～3倍。一根鋼軌加熱時(shí)長約10～15 min，用電量約2.5°，費(fèi)用不到2.0元。比起工業(yè)氣體，費(fèi)用大減，并且消除了氣體使用、存儲(chǔ)過程中的安全隱患。

該裝置已在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用半年以上，效果良好。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，因加熱原因造成的頂彎開裂比例，由上一年同期的63%，降至目前的10%以下，質(zhì)量可控性提升明顯。

4 結(jié)論

1)鋼軌頂彎加熱溫度區(qū)間為300～450 ℃；

2)采用合金絲纜、氧化鋁陶瓷絕緣件、保溫材料和金屬外殼組成的加熱箱，代替之前的火焰加熱方式，可有效提升鋼軌頂彎效率和質(zhì)量，降低了斷軌帶來的經(jīng)濟(jì)損失和時(shí)間成本，也在一定程度上降低了生產(chǎn)成本，消除了可燃?xì)怏w使用、存儲(chǔ)中的安全隱患；

3)該頂彎加熱裝置在行業(yè)內(nèi)有一定推廣價(jià)值。