CN107314844A - 钢轨残余应力实验卡具及其实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢轨残余应力实验卡具，包括两对固定卡具和旋紧卡具；固定卡具包括固定底板和顶板，顶板设置在固定底板的侧边上；旋紧卡具包括顶头、固定座和螺旋顶杆，顶头活动连接在螺旋顶杆的端部，固定座开有螺纹通孔，螺旋顶杆设置有外螺纹，螺旋顶杆安装在螺纹通孔内，固定座的底部设置有固定板；固定底板和固定板分别开有固定条形孔。本发明还公开了一种钢轨残余应力的实验方法。本发明在钢轨残余应力试验过程中，能够很好地固定钢轨，并减少测量误差。

Description

钢轨残余应力实验卡具及其实验方法

技术领域

本发明涉及一种钢轨残余应力实验设备，具体说，涉及一种钢轨残余应力实验卡具及其实验方法。

背景技术

采用锯切法进行残余应力实验是由美国铁路工程协会提出的并纳入AREMA标准中，但是对于切割设备并没有提供，对于切割过程的参数控制也没有提及。由于实验要在610mm长的钢轨轨腰上锯切一条400mm的切口，切口处进行残余应力的释放产生应变，并产生位移，因而钢轨的固定方式和卡具的设计就显得非常重要。

采用立式带锯机床进行轨腰切割试验，钢轨的固定首先要考虑设计方案的牢固性，保证钢轨不发生振动或摆动，同时要保证不影响钢轨残余应力的释放，又要考虑钢轨的位移不受卡具影响，真实地反映钢轨矫直后的残余应力。采用立式带锯进行轨腰锯切实验，使用合金锯条切削，受到切削速度、刀具的几何形状、尺寸等因素影响，切削加工过程中产生振动，加工时产生的几何形状误差较大，影响钢轨材料残余应力的正常释放。

立式带锯床由于通用性本身不带有卡具，没有针对轨腰锯切残余应力实验的试样固定装置，在实验过程中试样无法良好固定。轨腰残余应力实验锯切后，钢轨有可能由于垂直方向压应力的作用造成切口闭合，需要在测量位移后将钢轨继续向前切断。因此，需要设计一种良好固定钢轨，不影响应力释放过程的固定装置。

发明内容

本发明所解决的技术问题是提供一种钢轨残余应力实验卡具及其实验方法，在钢轨残余应力试验过程中，能够很好地固定钢轨，并减少测量误差。

技术方案如下：

一种钢轨残余应力实验卡具，包括两对固定卡具和旋紧卡具；固定卡具包括固定底板和顶板，顶板设置在固定底板的侧边上；旋紧卡具包括顶头、固定座和螺旋顶杆，顶头活动连接在螺旋顶杆的端部，固定座开有螺纹通孔，螺旋顶杆设置有外螺纹，螺旋顶杆安装在螺纹通孔内，固定座的底部设置有固定板；固定底板和固定板分别开有固定条形孔。

进一步：其中一个旋紧卡具的顶头底部设置有卡具托板。

进一步：顶头的背面开有顶头沉孔，螺旋顶杆的端部安装在顶头沉孔内。

进一步：固定板和固定座之间连接有固定座加强筋板，固定底板和顶板之间连接有卡具加强筋板。

进一步：螺旋顶杆另一个端部设置有旋紧把手。

进一步：两个固定卡具中，一个固定卡具的固定底板开有两个固定条形孔。

一种钢轨残余应力的实验方法，包括：

在钢轨试样的轨头、轨底处做标记；

将钢轨试样推进锯床台面，将一个端部和轨底顶在两个固定卡具上；

将轨头放置在卡具托板上，旋转旋紧卡具的旋紧把手，用顶头将钢轨试样卡紧；旋转旋紧把手，将两个顶头分别顶在轨头端部和轨底端部；利用专用立式带锯切割机床在钢轨的中和轴位置沿轨腰方向切割；

使用平均值法进行残余应力位移值的测量。

优选的：根据切口处标记进行测量，切口在轨高方向残余应力位移值来判断钢轨残余应力的大小。

优选的：在钢轨截面取五段距离进行测量，然后求垂直位移的平均值以减小误差。

优选的：立式带锯切割机床使用切割专用钼丝来进行切割钢轨试样，切口的开始位置位于两个顶具之间。

与现有技术相比，本发明技术效果包括：

本发明能够提高设备的稳定性和安全性，增加实验数据的可靠性。在钢轨残余应力试验过程中，本发明能够很好地固定钢轨，并减少测量误差。

本发明能够保证残余应力锯切顺行，固定钢轨试样牢靠，钢轨试样摆动小，锯切平稳，有效地提高了锯切质量和实验准确性。

附图说明

图1a是本发明中第一卡具的主视图；

图1b是本发明中第一卡具的左视图；

图1c是本发明中第一卡具的俯视图；

图2a是本发明中第二卡具的主视图；

图2b是本发明中第二卡具的左视图；

图2c是本发明中第二卡具的俯视图；

图3a是本发明中顶具的主视图；

图3b是本发明中顶具的左视图；

图3c是本发明中顶具的俯视图；

图3d是本发明中固定座垫片的结构示意图；

图4是本发明中钢轨残余应力实验卡具的使用状态图；

图5是本发明中钢轨试样的标记示意图；

图6是本发明中钢轨试样的轨腰锯切残余应力示意图。

具体实施方式

下面参考示例实施方式对本发明技术方案作详细说明。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明更全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。

钢轨残余应力实验卡具，包括：固定卡具和旋紧卡具。固定卡具用于顶紧钢轨试样5的端部和轨底，旋紧卡具用于顶紧钢轨试样5的切口端部和轨头。

第一卡具1、第二卡具2属于固定卡具，顶具3、第三卡具4属于旋紧卡具。

如图1a所示，是本发明中第一卡具1的主视图；如图1b所示，是本发明中第一卡具1的左视图；如图1c所示，是本发明中第一卡具1的俯视图。

第一卡具1用于固定钢轨试样5的端部，其结构包括：第一卡具固定底板11、第一卡具顶板12、第一卡具加强筋板13；第一卡具固定底板11开有两个第一固定条形孔14，第一卡具顶板12设置(焊接)在第一卡具固定底板11的侧边上，第一卡具加强筋板13连接在第一卡具固定底板11、第一卡具顶板12之间，并位于第一卡具固定底板11、第一卡具顶板12的端部位置。

第一固定条形孔14的长度为80mm，宽度为10mm，两个第一固定条形孔14之间相距160mm。

在锯床台面上钻Ф8mm的螺栓孔，距离锯条位置750～800mm，使用Ф8的螺栓将第一卡具1固定在锯床台面上，并可在一定程度上调整距离。

如图2a所示，是本发明中第二卡具2的主视图；如图2b所示，是本发明中第二卡具2的左视图；如图2c所示，是本发明中第二卡具2的俯视图。

第二卡具2用于固定钢轨试样5的轨底，其结构包括：第二卡具固定底板21、第二卡具顶板22、第二卡具加强筋板23；第二卡具固定底板21开有两个第二固定条形孔24，第二卡具顶板22设置(焊接)在第二卡具固定底板21的侧边上，第二卡具加强筋板23连接在第二卡具固定底板21、第二卡具顶板22之间，并位于第二卡具固定底板21、第二卡具顶板22的端部位置。

第二固定条形孔24的长度为70mm，宽度为10mm。第二卡具2固定在在锯床台面上，位于第一卡具1的侧部。在在锯床台面上钻3个8mm的螺栓孔，距离锯条分别为700、500、100mm，使用Ф8的螺栓将3个第二卡具2固定在锯床台面上，并可在一定程度上调整距离。

如图3a所示，是本发明中顶具3的主视图；如图3b所示，是本发明中顶具3的左视图；如图3c所示，是本发明中顶具3的俯视图。

顶具3用于固定钢轨试样5切口处的端部，在轨头端部和轨底端部分别安装一个顶具3。

顶具3的结构包括：顶头31、固定座32、螺旋顶杆33；顶头31活动连接在螺旋顶杆33的端部，固定座32开有螺纹通孔35，螺旋顶杆33设置有外螺纹，螺旋顶杆33安装在螺纹通孔35内。

顶头31的背面开有顶头沉孔，螺旋顶杆33的端部安装在顶头沉孔内。固定座32的底部设置有固定板37，固定板37开有第三固定条形孔34。在固定板37和固定座32之间连接有固定座加强筋板38。螺旋顶杆33另一个端部设置有旋紧把手39。

第三卡具4用于固定钢轨试样5的轨头，由于有托举的作用，在顶头31的底部设置有第三卡具托板36。

第三卡具4固定在在锯床台面上，位于第一卡具1的侧部，并且与第二卡具2相对。第三固定条形孔34的长度为70mm，宽度为10mm，在锯床台面上钻有3个8mm的螺栓孔，距离锯条分别为700、500、100mm，可使用Ф8的螺栓将3个第三卡具固定在锯床台面上，并可在一定程度上调整距离。

如图3d所示，是本发明中固定座垫片的结构示意图。

根据不同轨型，可将不同厚度的固定座垫片垫于固定板37与锯床台面之间，以保持钢轨水平。

固定座垫片设置有开口，开口的位置与第三固定条形孔34的位置相对应。

如图4所示，是本发明中钢轨残余应力实验卡具的使用状态图；如图5所示，是本发明中钢轨试样5的标记示意图；如图6所示，是本发明中钢轨试样5的轨腰锯切残余应力示意图。

钢轨残余应力的实验方法，具体步骤如下：

1、钢轨试样5的标记；

从轨梁厂取样，在距离成品轨端头尽量远的地方(≥3m)取610mm长的钢轨试样5，在钢轨试样5中轴线的轨头、轨底处做标记，轨头标记为A、B、C、D、E，轨底标记为A′、B′、C′、D′、E′；使用游标卡尺测量切口前钢轨断面所标识的各点间距，A、B、C、D、E之间以及A′、B′、C′、D′、E′的间距为10mm，A、B、C、D、E距轨顶距离为6mm，A′、B′、C′、D′、E′距轨底距离为6mm。

2、钢轨试样5的锯切；

(1)将钢轨试样5推进锯床台面，并顶在第一卡具1的第一卡具顶板12上；

(2)将轨头放置在第三卡具托板36上，旋转左侧的两个第三卡具4的旋紧把手39，用顶头31将钢轨试样5卡紧在第三卡具4和第二卡具2之间；，右侧的一个第三卡具4不用卡太紧；

(3)旋转旋紧把手39，将两个顶具3的顶头31分别顶在轨头端部和轨底端部，并顶紧；

(4)利用专用立式带锯切割机床在钢轨的中和轴位置沿轨腰方向切割；

切口的开始位置位于两个顶具3之间，不同规格的钢轨的切口位置距轨底高度不同，要求加工范围≥400mm。利用线切割机床进行切割，切口表面质量好，无机械加工中的宏观切削力。钢轨试样5的长度600mm，钼丝选用0.18mm线切割专用钼丝。切割过程采用计算机控制，要求加工速度：100～200mm/h，切口长度400mm。

3、残余应力位移值的测量。

使用平均值法进行残余应力位移值测量，以减少测量误差。用游标卡尺进行测量，要求位移值(+或-)≤3.75mm。

由于偶然因素、测量习惯等因素，产生误差较大。为控制误差，设计在钢轨截面取五段距离进行测量，然后求垂直位移的平均值以减小误差。

根据切口处的标记进行测量，切口在轨高方向位移Δt：

Δt＝1/5(ΔAA′+ΔBB′+ΔCC′+ΔDD′+ΔEE′)

式中，ΔAA′、ΔBB′、ΔCC′为各点在轨高方向位移；

ΔAA′＝AA′切口后-AA′切口前；

ΔBB′＝BB′切口后-BB′切口前；

ΔCC′＝CC′切口后-CC′切口前；

ΔDD′＝DD′切口后-DD′切口前；

ΔEE′＝EE′切口后-EE′切口前；

根据AREMA—2009标准中对钢轨中残余应力的评定方法要求，Δt≤3.75mm的钢轨被视为合格。

本发明所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种钢轨残余应力实验卡具，其特征在于：包括两对固定卡具和旋紧卡具；固定卡具包括固定底板和顶板，顶板设置在固定底板的侧边上；旋紧卡具包括顶头、固定座和螺旋顶杆，顶头活动连接在螺旋顶杆的端部，固定座开有螺纹通孔，螺旋顶杆设置有外螺纹，螺旋顶杆安装在螺纹通孔内，固定座的底部设置有固定板；固定底板和固定板分别开有固定条形孔。

2.如权利要求1所述钢轨残余应力实验卡具，其特征在于：其中一个旋紧卡具的顶头底部设置有卡具托板。

3.如权利要求1所述钢轨残余应力实验卡具，其特征在于：顶头的背面开有顶头沉孔，螺旋顶杆的端部安装在顶头沉孔内。

4.如权利要求1所述钢轨残余应力实验卡具，其特征在于：固定板和固定座之间连接有固定座加强筋板，固定底板和顶板之间连接有卡具加强筋板。

5.如权利要求1所述钢轨残余应力实验卡具，其特征在于：螺旋顶杆另一个端部设置有旋紧把手。

6.如权利要求1所述钢轨残余应力实验卡具，其特征在于：两个固定卡具中，一个固定卡具的固定底板开有两个固定条形孔。

7.一种钢轨残余应力的实验方法，包括：

在钢轨试样的轨头、轨底处做标记；

将钢轨试样推进锯床台面，将一个端部和轨底顶在两个固定卡具上；

将轨头放置在卡具托板上，旋转旋紧卡具的旋紧把手，用顶头将钢轨试样卡紧；旋转旋紧把手，将两个顶头分别顶在轨头端部和轨底端部；利用专用立式带锯切割机床在钢轨的中和轴位置沿轨腰方向切割；

使用平均值法进行残余应力位移值的测量。

8.如权利要求7所述钢轨残余应力的实验方法，其特征在于：根据切口处标记进行测量，切口在轨高方向残余应力位移值来判断钢轨残余应力的大小。

9.如权利要求7所述钢轨残余应力的实验方法，其特征在于：在钢轨截面取五段距离进行测量，然后求垂直位移的平均值以减小误差。

10.如权利要求7所述钢轨残余应力的实验方法，其特征在于：立式带锯切割机床使用切割专用钼丝来进行切割钢轨试样，切口的开始位置位于两个顶具之间。