铁路钢轨轨底残余应力测试

铁路是国民经济的大动脉、关键的基础设施和重大的民生工程，在我国经济社会发展中发挥着重要作用。钢轨是保证铁路正常运营和安全的重要组成部分，其质量直接影响到铁路行车安全。钢轨在生产及使用过程中会产生残余应力，过高的残余应力会影响钢轨的稳定性、耐磨性、抗疲劳强度和抗断裂性能，甚至导致钢轨折断，对行车安全构成巨大的潜在威胁。因此，了解分析钢轨残余应力分布很重要。本文主要采用应变测量法对钢轨轨底进行残余应力测试。

残余应力测试原理和方法

本次残余应力测试方法采用应变测量法，仪器采用聚航科技生产的静态应变仪。

由胡克定律可知，当材料弹性模量E为已知值时，若能测得应变值，就能相应的求得正应力值。

σ=Εε

式中：σ为正应力；ε为正应变；Ε为弹性模量。

应变测量法是将应变的变化转换成电压的变化，然后把电压的改变量再反转换为欲测定的应变。应变量转化为电压量是由电阻应变片和惠斯登电桥实现，对电压量进行标定，通过静态电阻应变仪实现反转换为应变量。

测量步骤：首先将电阻应变片粘贴在轨底表面，然后将贴有应变片的部分与钢轨逐渐切割分离，用释放的应变值来评定原始残余应力。所用的电阻应变片应为封闭型，长3mm，灵敏度因子优于±1%。

为了测定纵向应变，应将应变片粘贴在轨底表面。应变片应贴在1m长样轨的中心。在样轨的中心贴片区，锯切20mm厚的样块。

测量主要的流程为：打磨擦洗--贴应变片--贴电极板--接线--涂防水胶--连接应变测量仪--锯切钢轨--测量应变。

百米热轧钢轨底残余应力测试分析

本文以60kg/m规格的U75V百米热轧钢轨为研究对象，主要测量分析钢轨矫前矫后轨底残余应力变化和通长分布。

1.矫前轨底残余应力测试

为了掌握钢轨矫直前轨底残余应力大小，选取3支钢轨，尾部切除3m各取1个试样。经过打磨、贴应变片、锯切等步骤，测量结果如表1。

由表1可以看出，钢轨在轧制稳定生产过程中，在预弯工艺参数相同的情况下，钢轨轨底残余应力稳定在80-90MPa。

2.矫后轨底残余应力测试

矫前取样的3支钢轨经过矫直后，在尾部切除3m各取1个试样，经过打磨、贴应变片、锯切等步骤，测出矫后试样轨底残余应力。测量结果如表1。

由表1可以看出，3支钢轨在经过矫直后，轨底残余应力平均增加约135MPa，矫直过程是钢轨残余应力增大的主要环节，减小钢轨残余应力应重点对矫直压下规程进行优化。

3.矫后钢轨通长轨底残余应力分布

为了研究钢轨通长残余应力的分布情况，在矫后同一支钢轨上每隔25m取1个试样。测量结果见表2。

从表2可以看出，轨底残余应力在钢轨通长方向上波动范围在15MPa以内，沿通长方向基本稳定。

降低钢轨残余应力的控制措施

影响钢轨轨底残余应力的因素有很多。从测量分析知，钢轨残余应力的增大主要来自钢轨的矫直过程。为降低钢轨残余应力，应重点对涉及矫直工序的工艺进行优化。

1. 优化钢轨预弯曲线：钢轨矫直的弯曲度越大，矫直过程钢轨变形量也越大，导致矫直后的残余应力应力也越大。为减少钢轨在矫直过程中不均匀变形，需要采用合理的预弯曲线，减小矫前钢轨弯曲度，进而减轻矫直过程钢轨的变形量。

2. 优化矫直压下参数：在保证矫后平直度和扭转合格的前提下，合理控制矫直水平辊总压下量和优化各水平辊压下量协调匹配，也是减小轨底残余应力重要手段。

总结

实验证明采用应变电测法可测量钢轨残余应力，以60kg/m规格的U75V百米热轧钢轨进行轨底残余应力测试为例，结果表明矫直是残余应力增大的主要环节，钢轨通长轨底残余应力波动在15MPa范围内，沿通长方向基本稳定。降低钢轨残余应力应重点从控制矫前钢轨弯曲度和矫直压下规程两方面进行优化。