钢轨淬火数值模拟研究

　　1.课题背景

　　自世界上第一条高速铁路在日本成功运营后，预计到2015年世界高速铁路里程将达到3万多公里。高速铁路能够得到如此迅猛的发展，主要是由于它适应了现代社会、经济的发展和人类社会活动的需要，具有其他交通方式难以比拟的优越性[1]。其优点为：运能大、速度快、安全、能耗低、污染轻、占地少、投资省、正点率高、效益高、不受天气影响、能综合利用资源等。

　　我国地域辽阔，人口众多，资源分布不均，地区经济发展不平衡。因此，铁路长期以来在中国的交通运输体系中一直起着骨干作用，铁路运输担负着全国60%-70%的货运总量和50%-60%的客运总量。要走可持续的发展道路，从土地资源利用上说，因为我国人均耕地仅有1.4亩，节约建设用地显得十分重要。4道高速公路路基面占地宽26m，每公里用地105亩;双线高速铁路路基面占地宽为11m，每公里用地35亩，故高速铁路占地为高速公路1/3左右，发展高速铁路能使土地资源利用既充分又合理。从能源方面来看：我国石油资源比较紧张，公路和航空运输耗油量大，每万人公里平均耗油600kg左右，据1987年资料：铁路内燃机车牵引完成每万吨公里货物周转量的平均耗油为25.9kg，而汽车货运每万吨公里油量达554.8kg，为铁路的21.4倍，采用高速电气化铁道，能耗还可进一步降低。从环境方面来看：一架喷气式客机平均每小时排放46.8kgCO2、635kgCO、15kg酸雨，高速电气化铁路基本上消除了粉尘、油烟和其他废气污染，噪声比高速公路低5-10分贝。

　　由于高速铁路都具有曲线半径大、列车运行速度高的共同特点，因此对钢轨质量都有很高的要求。钢轨高的表面质量保证高速列车运行的平稳性和旅客的舒适性，同时，超长无缝线路要求良好的焊接性能。钢轨淬火是提高钢轨韧性和耐磨性的主要途径之一。实践证明，在钢轨轨头使用淬火热处理的钢轨不仅提高了钢轨的强度和使用寿命，而且大大提高了安全使用性能。此外，全长淬火钢轨比热轧高强轨具有更优良的安全使用性能。中国铁道部技术政策明确规定，凡60kg/m及以上钢轨要求全部淬火。本文通过计算机模拟技术，可以有效地预测材料的温度场，防止钢轨淬火不理想而发生掉块、开裂，或者硬度不够的情况。对于钢轨零件，淬火过程中加热温度高、尺寸较大、淬火时间短，很难在实际中逐一检测淬火各阶段热处理工艺。因此，运用计算机对其进行模拟分析显得非常重要。

　　本论文主要以某钢厂淬火钢轨为研究对象，对其温度场进行有限元分析。依据传热原理，建立钢轨的三维模型，运用有限元方法研究了钢轨轨头在淬火过程中的温度场分布，并结合热模拟实验，为实际生产的正常运行提供理论依据。