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我國鐵路常用鋼軌鋼的性能特點
1化學成分分析目前,我國長距離鐵路上使用的鋼鋼主要有800mpa級u710mn、90mpa級u715v和180m280ma級u770mc和pg4等高強度研磨鋼。(1)U71Mn鋼軌。由鞍山鋼鐵集團公司研制完成,為我國至今使用時間最長的碳素鋼軌。鋼中含碳量較低,采用Mn元素提高軌鋼強度,有較好的韌性、塑性和焊接性。鋼中的Mn元素容易引起微觀偏析,重新加熱后在Mn偏析部位出現(xiàn)高碳馬氏體組織,曾多次對U71Mn鋼軌中的Mn含量進行調(diào)整?,F(xiàn)行的鐵路熱軋鋼軌化學成分及力學性能見表1。為適應不同的運輸條件,在優(yōu)化U71Mn鋼軌化學成分的基礎上,形成了高速鐵路用U71MnG、鋼軌熱處理用U71MnC和高原鐵路用低碳U71Mn鋼軌。(2)U71MnG鋼軌(G代表高速鐵路)。U71MnG鋼軌(2011年前稱為U71Mnk)專用于高速鐵路,其化學成分與歐洲高速鐵路使用的UIC900A(歐洲標準為EN260或R260)相近。為優(yōu)化性能,U71MnG鋼軌減少了鋼中碳含量,調(diào)整錳含量,降低有害元素S、P含量等。(3)U71MnC鋼軌(C代表淬火軌)。為滿足鋼軌熱處理需要,《TB/T2635—2004熱處理鋼軌技術條件》對熱處理鋼軌的化學成分進行調(diào)整,采用C、Mn的上限成分。熱處理鋼軌化學成分及力學性能見表2。(4)低碳U71Mn鋼軌。為滿足青藏鐵路地理、氣候環(huán)境等對鋼軌的特殊要求,對U71Mn鋼軌低溫性能進行試驗研究。含碳量為中、下限的U71Mn鋼軌的沖擊韌性、斷裂韌性K1c明顯高于含碳量為上限的U71Mn鋼軌,其冷脆敏感性低,在-60℃的溫度下仍能保持較高的塑性,斷后伸長率平均值達到11%。為此青藏鐵路采用低碳U71Mn鋼軌,并以附加技術條件的形式予以實施。(5)U75V鋼軌。由攀鋼集團有限公司(簡稱攀鋼)20世紀90年代研制開發(fā),2003年之前稱為PD3(攀鋼第三代鋼軌),2003年納入鐵道行業(yè)標準后改為U75V。與U71Mn鋼軌相比,U75V鋼軌碳、硅含量相對較高,Mn含量較低,并專門添加了細化組織的合金元素釩,熱軋后強度達到980MPa級。目前,已逐漸成為我國鐵路的主型鋼軌鋼種。針對現(xiàn)場反映U75V鋼軌耐磨、難焊、易斷問題,1998年調(diào)整了U75V鋼軌的化學成分,降低了鋼中的碳、硅、釩含量,韌性、塑性明顯提高,焊接性能改善,耐磨性有所下降。經(jīng)在繁忙干線及重載鐵路的多年使用,調(diào)整化學成分后的U75V鋼軌性能良好,但在小半徑曲線上耐磨性明顯不足。在客運專線上使用因硬度偏高與車輪磨合困難,在打磨不及時或按鋼軌原始廓形打磨情況下,容易出現(xiàn)滾動接觸疲勞傷損。(6)U75VG鋼軌。為優(yōu)化性能,在U75V鋼軌的基礎上,減少含碳量的波動范圍及鋼中有害元素P、S等含量,對斷后伸長率A等指標提出了更高要求。(7)U77MnCr鋼軌。由中國鐵道科學研究院和鞍山鋼鐵集團公司近年合作研發(fā),為高強耐磨鋼軌。采用鉻合金化,鋼中含鉻0.25%~0.40%,熱軋鋼軌強度≥980MPa,斷后伸長率≥10%。熱處理后軌頭頂面硬度≥370HB,抗拉強度≥1280MPa,斷后伸長率≥12%,焊接性能良好。經(jīng)大秦等重載鐵路使用,綜合性能較好。(8)PG4鋼軌。由中國鐵道科學研究院和攀鋼集團有限公司近年合作研發(fā),為高強耐磨鋼軌。采用鉻、釩合金化,鋼中含鉻0.30%~0.50%,含釩0.08%~0.12%,熱軋鋼軌強度為1080MPa,斷后伸長率≥8%,熱處理后軌頭頂面硬度≥370HB,抗拉強度≥1300MPa。經(jīng)大秦等重載鐵路使用,耐磨性能優(yōu)良。PG4鋼軌含有較高的鉻、釩合金,抗擦傷能力較差,容易在擦傷部位形成脆性很大的高碳馬氏體組織。(9)U76CrRE。由包頭鋼鐵(集團)有限責任公司研制,為高強耐磨鋼軌。采用鉻合金化并進行稀土處理,鋼中含鉻0.25%~0.35%,稀土加入量約0.020%,熱軋鋼軌強度為1080MPa,斷后伸長率≥9%。(10)貝氏體鋼軌。貝氏體為中溫轉變組織,發(fā)生轉變的溫度介于珠光體和馬氏體之間。通過合金化,在軋制后很寬的冷速條件下可獲得主要為貝氏體組織的鋼,為貝氏體鋼。不同合金配方和經(jīng)過不同熱處理的貝氏體鋼,其性能差異很大。20世紀80年代發(fā)現(xiàn)合金元素硅在貝氏體鋼中的特殊作用,國內(nèi)外廣泛開展了含硅貝氏體鋼的組織性能、強韌化機理,以及在工業(yè)中的應用研究。研究表明,合金元素硅可強烈阻礙貝氏體轉變時碳化物的析出,使貝氏體鋼中殘留奧氏體組織,從而提高貝氏體鋼的強韌性。這種貝氏體鋼稱為無碳化物貝氏體或準貝氏體鋼。2003年,中國鐵道科學研究院與鞍山鋼鐵集團公司合作,在我國率先試制成功無碳化物貝氏體鋼軌,抗拉強度達到1300MPa,伸長率約15%,室溫沖擊功約100J,全斷面硬度達到38~43HRC。試制的貝氏體鋼軌先后在沈山、成渝及石太線試鋪,其抗接觸疲勞性能、耐磨性能明顯優(yōu)于珠光體鋼軌。北京特冶工貿(mào)有限責任公司與包頭鋼鐵(集團)有限責任公司等單位合作,通過合金化與熱處理相結合的方法,研發(fā)了1300MPa級貝氏體鋼軌,已在道岔部件上使用。U75V鋼軌熱處理前后珠光體組織電鏡掃描圖像見圖1,無碳化物空冷貝氏體鋼軌軌頭與軌底顯微組織見圖2。2選擇一件軌務的原則2.1我國鐵路用鋼管的選用高速鐵路列車速度高,但動車組軸重輕,且線路曲線半徑大,鋼軌磨耗輕微。考慮到輪軌硬度匹配和輪軌磨合,高速鐵路的鋼軌硬度不宜太高。日本新干線采用強度等級為800MPa、軌面硬度≥235HB的熱軋鋼軌,歐洲高速鐵路包括客貨混運的德國均采用強度等級為880MPa、軌面硬度為260~300HB的UIC900A熱軋鋼軌。借鑒國外經(jīng)驗,結合我國鐵路實際,我國高速鐵路200km/h以上客運線路選用U71MnG鋼軌,200~250km/h客貨混運線路選用U75VG鋼軌。曲線半徑≤1200m的線路,包括動車組運行入庫和出庫正線、聯(lián)絡線等均選用相應的熱處理鋼軌。采用U71MnG鋼軌的線路選用U71MnC或U75V熱處理鋼軌,采用U75VG鋼軌的線路選用U75V熱處理鋼軌。2.22t產(chǎn)品我國200km/h以下既有鐵路除部分提速區(qū)段外,主要運行160km/h以下的客車和120km/h以下、軸重23t的貨車。近年來,部分線路開行和諧型機車牽引的5000t以上的長大編組列車。因既有鐵路曲線半徑較小,在直線和大半徑曲線上選用U75V鋼軌,曲線半徑≤1000m的曲線選用U75V熱處理鋼軌,在磨耗嚴重(磨耗速率>0.05mm/Mt)區(qū)段選用PG4、U77MnCr等熱處理鋼軌。在年通過總重<5000萬t的線路上,直線和大半徑的曲線選用U71Mn熱軋鋼軌,曲線半徑≤800m的曲線選用U71MnC或U75V熱處理鋼軌。2.3試驗和檢驗大秦鐵路年運量達到4億t,開行25t軸重的1萬t或2萬t列車,為世界上最繁忙的重載鐵路。在京包、侯西等以貨運為主的重載鐵路上,開行5000t或1萬t列車,年通過總重超過1億t,鋼軌的側磨和疲勞傷損嚴重。重載鐵路直線和大半徑的曲線應選用U75V鋼軌或PG4、U77MnCr等熱軋鋼軌,鋼軌的夾雜物(A、B、C、D四類)控制在1.5級以內(nèi);曲線半徑≤1200m的曲線選用PG4、U77MnCr等熱處理鋼軌。建議在直線上不鋪設PG4、U77MnCr等高強耐磨熱處理鋼軌。2.4u21mn鋼軌含碳量青藏鐵路常年低溫缺氧,要求鋼軌具有高的低溫韌性。研究表明,U71Mn鋼軌含碳量較低時,低溫韌性較好。青藏鐵路應選用含碳量為下限的U71Mn熱軋鋼軌,曲線半徑≤800m的曲線選用U71MnC熱處理鋼軌。2.5u65v鋼軌城市軌道線路彎道多,雖然列車軸重較輕,但鋼軌的側磨和波磨較為嚴重。城市軌道線路直線和大半徑的曲線選用U75V鋼軌,曲線半徑<800m的曲線選用U75V熱處理鋼軌。在軌型上選用60kg/m鋼軌為好,以減少維修與養(yǎng)護工作量。2.6u65g在線熱處理(1)高速鐵路道岔用軌。300~350km/h的高速鐵路選用U71MnG熱軋鋼軌或U71MnC在線熱處理鋼軌。200~250km/h的客貨混運鐵路選用U75VG在線熱處理鋼軌,包括60kg/m、60D40等鋼軌。(2)既有和重載鐵路道岔用軌。道岔尖軌和轍叉部件承受很大的沖擊力,要求鋼軌具有高耐磨和耐沖擊性能。道岔尖軌和轍叉部件選用無碳化物貝氏體鋼,要求其強度≥1240MPa、伸長率≥15%、硬度≥360HB;或全部道岔用軌(包括基本軌、尖軌、轍叉翼軌及叉心軌)選用強度≥1180MPa、伸長率≥12%、軌頭頂面硬度≥360HB、硬化層深≥30mm的在線熱處理鋼軌。建議不選用離線熱處理鋼軌。2.7其他用途的鋼條的選擇伸縮調(diào)節(jié)器用鋼軌選用與區(qū)間鋼軌同材質的熱軋鋼軌,或在線熱處理鋼軌;廠制膠結絕緣接頭鋼軌選用U75V熱處理鋼軌。3優(yōu)化參數(shù)下的鋼軌選用(1)曲線鋼軌的選用。在曲線上下股均應鋪設熱處理鋼軌,不應鋪設熱軋鋼軌(包括1100MPa等級的PG4熱軋鋼軌)和再用熱軋軌。建議曲線上下股鋼軌不調(diào)換使用。除曲線占線路比例較大和方便大修換軌外,建議在直線上不成段鋪設熱處理鋼軌。(2)不同鋼種鋼軌的焊接。為方便管理,原則上不同鋼廠、不同牌號的鋼軌需成段鋪設。焊接不同鋼種和不同強度等級鋼軌時,《TB/T1632—2005鋼軌焊接》標準明確規(guī)定,不同牌號鋼軌之間的焊接,焊接接頭的性能檢驗按級別較低的鋼軌執(zhí)行;熱軋鋼軌和熱處理鋼軌之間的焊接,焊接接頭的性能檢驗按熱軋鋼軌執(zhí)行。采用鋁熱焊進行不同強度等級鋼軌焊接時,采用高強度等級的焊劑,按低強度等級的性能要求檢驗。(3)焊接接頭的硬度匹配。為減少焊接接頭使用中出現(xiàn)低塌和保證軌道的平順性,要求高速鐵路鋼軌焊接接頭軌面硬度達到母材的100%~110%,普通鐵路鋼軌及熱處理鋼軌的焊接接頭軌面硬度與母材的比值應大于95%。鋼軌焊接接頭的硬度若低于母材硬度的90%,使用中容易出現(xiàn)低接頭;其硬度高于母材的120%以上,容易出現(xiàn)高接頭。(4)長定尺鋼軌的選用。與25m定尺鋼軌相比,采用100m定尺鋼軌可減少3/4的焊接接頭,提高軌道平順性和使用安全性。無論是新建高速鐵路還是既有鐵路大修換軌,應盡量采用100m定尺鋼軌(包括采用100m定尺的熱處理鋼軌)。(5)鋼軌打磨和潤滑。我國普通鐵路采用的LM車輪形面是根據(jù)20世紀80年代輪軌實際磨耗設計的,沒有考慮新軌未磨合時的情況。車輪在新鋪設的鋼軌上走行時,光帶不在設計的軌頭踏面中心,是偏向軌距角一側(見圖3)。根據(jù)輪軌受力分析,車輪在軌距角接觸(即光帶偏軌距角)時的接觸應力明顯高于在軌頭踏面中心接觸(即光帶居中)時的接觸應力,一般高出1~4倍。輪軌在軌距角長期接觸造成鋼軌早期疲勞傷損,出現(xiàn)斜裂紋、剝離掉塊或核傷。采用打磨列車打磨鋼軌,多打磨軌距角部位,使車輪走行光帶居中(見圖4)。實踐證明,通過打磨使車輪走行光帶居中,有效改善輪軌關系,有利于延長輪軌使用壽命。鋼軌打磨是形成與車輪形面匹配的廓形,去除鋼軌表面脫碳層、缺陷和損傷,提高軌道平順性。借鑒國外經(jīng)驗,高速鐵路鋼軌預防性打磨周期可暫按通過總重3000萬~6000萬t考慮。鋼軌潤滑降低摩擦系數(shù),可大幅度減少磨耗。潤滑劑的選擇對延長鋼軌使用壽命具有重要影響。固體潤滑優(yōu)于脂潤滑,脂潤滑優(yōu)于液態(tài)油潤滑。高強耐磨鋼軌應掌握好潤滑時機。當軌距角未磨合時,不需任何形式的潤滑,以免鋼軌軌距角出現(xiàn)魚鱗裂紋,導致剝離掉塊和出現(xiàn)疲勞核傷;當軌距角磨合后,車輪輪緣開始貼靠軌頭側面時,應加強潤滑。此時的潤滑可有效減少磨耗,不會促進鋼軌疲勞。除摩擦系數(shù)控制外,不得在軌頂面潤滑,以免影響機車牽引和制動,造成車輪打滑。(6)鋼軌鋼的研究方向。高速鐵路鋼軌鋼的研究方向是進一步提高其韌性和塑性指標。重載鐵路鋼軌的研究方向是進一步提高其抗疲勞性能、焊接性能,以及耐磨性能。4鋪設鋼管的施工(1)目前,我國鐵路主要鋼種鋼軌有U71Mn、U75V、U77MnCr、PG4及相應的熱處理鋼軌。(2)針對不同鋼種鋼軌的性能特點,結合不同線路的運營條件,建議高速鐵路的客運線路選用U71MnG鋼軌,兼顧貨運線路選用U75VG鋼軌。曲線半徑≤1200m的曲線選用相應的熱處理鋼軌。客貨混運的既有普通鐵路直線區(qū)段選用U75V鋼軌,曲線半徑≤1000m的曲線選用U75V熱處理鋼軌。在磨耗速率>0.05mm/M的區(qū)段選用PG4、U77MnCr等熱處理鋼軌。在年通過總重<5000萬t的線路上,直線和大半徑曲線選用U71Mn熱軋鋼軌,曲線半徑≤800m的線路選用U71MnC或U75V熱處理鋼軌。重載鐵路上的直線區(qū)段選用U75V或PG4、U77MnCr等熱軋鋼軌,曲線半徑≤120
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