ZD6系列电动转辙机主挤切销性能优化及制造工艺控制

李旺龙

天津铁路信号有限责任公司，天津 300300

摘要：为了适应我国铁路运输提吨、提速发展要求，保证主挤切销在使用过程程中既能有效连接转辙机动作杆转换和锁闭道岔，又能在道岔发生挤岔故障时可靠断裂保护道岔及转辙机不被损伤并给出挤岔信号，对ZD6系列电动转辙机主挤切销性能进行了优化改进。通过现有主挤切销原材料和力-位移曲线测试分析，确定了主挤切销的优化改进方案，采用优质低碳合金钢，利用热处理技术对原材料表面和内部的显微组织结构进行强化处理，提高了材料的强韧性。同时对主挤切销生产工艺进行了优化和控制，降低了制造出的挤切销力值离散性，将挤切销的剪切力值控制在标准范围中值至上限范围内。

关键词：转辙机、挤切销、力学性能、合金钢、制造工艺

ZD6 series Electric Switch Machine Main Extrusion Pin Performance Optimization and Manufacturing Process Control

Abstract：In order to meet the requirements of China's railway transportation tonnage lifting and speeding up development, to ensure that the main extrusion pin can not only effectively connect the switch machine action rod conversion and lock the turnout during the use process, but also can reliably break and protect the turnout and switch machine from being damaged and give the squeeze signal when the turnout fails, the performance of the main extrusion pin of ZD6 series electric switch machine is optimized and improved. Through the test and analysis of the existing main extrusion pin raw materials and force-displacement curve, the optimization and improvement scheme of the main extrusion pin was determined, and the high-quality low carbon alloy steel was used to strengthen the microstructure structure on the surface and inside the raw material by heat treatment technology, so as to improve the strength and toughness of the material. At the same time, the production process of the main extrusion pin is optimized and controlled, which reduces the discreteness of the extrusion pin value and controls the shear force value of the extrusion pin within the middle to upper limit of the standard range.

Key words：Turning machine, Extrusion pin, Mechanical properties, Alloy steel, Manufacturing process

一、引言

挤切销是ZD6系列电动转辙机的关键零件，其主要作用是将齿条块与动作杆连接在一起，完成转辙机的转换、锁闭工作。在发生挤岔时，当列车轮缘作用在尖轨上的力超过挤切销剪切力规定值时，挤切销被切断，保护道岔和转辙机不被损坏，同时给出挤岔表示。近年来随着列车提速、提吨对道岔的冲击加大，正常运用的转辙机偶尔会发生挤切销变形、损伤等情况，给铁路运输效率造成一定影响。用户建议对现有挤切销力学性能进行优化改进，以适应目前铁路运输列车高速、重载的需要。

二、挤切销现状分析

2.1挤切销材料分析

目前主挤切销材料采用Q235B原材料不经过热处理直接加工，通过调整内孔直径调节挤切力值，其材料性能见表1。

表1 Q235B材料机械性能及化学成分

机械性能				化学成分（%）
抗拉强度 MPa	屈服强度 MPa	伸长率 %	硬度范围	C	Mn	Si	S	P
235	375～460	26	120 HB～140HB	≤0.20%	≤1.4%	≤0.35%	≤0.045	≤0.045

Q235B属于普通碳素结构钢，含碳量0.06-0.22%，以小于0.25%最为常用，属于低碳钢。与优质碳素钢相比，对含碳量、性能范围以及磷、硫和其他残余元素含量的限制较宽。我国和某些国家根据交货的保证条件，把普通碳素钢分为三类：甲类钢（A类钢），只保证力学性能，不保证化学成分，乙类钢（B类钢），只保证化学成分，不保证力学性能；特类钢（C类钢），既保证化学成分，又保证力学性能。

2.2挤切销力-位移曲线测试分析

在试验机上对挤切销剪切力值进行了测试，利用测试软件采集的数据绘制了力-位移曲线，如图1所示。

图1 原Q235B挤切销力-位移曲线

挤切销屈服点低，表面硬度低，易发生塑性变形，导致挤切销发生应变疲劳，最终断裂。对目前使用的Q235B主挤切销进行了测试，Q235挤切销屈服点较低，大约在14kN时发生屈服，根据材料力学原理，材料发生屈服时产生无法恢复的塑性变形。Q235挤切销表面硬度低，经测量大约在HB120左右，因此用20kN力挤压之后表面有明显压痕，经测量在20kN力作用下形变量1.1mm左右。通过对现场断裂的挤切销形貌统计分析，发生断裂的挤切销绝大多数都是先变形，后断裂。

三、挤切销优化方案及测试结果

3.1 挤切销优化方案

通过对Q235B挤切销的原材料和力-位移测试曲线分析，对ZD6系列电动转辙机主挤切销优化方案如下：

1）选用特级优质低碳合金钢，与中碳钢相比，中碳合金钢淬火后随回火温度（中高温）的降低，硬度与强度提高，但韧性下降，断裂韧性也随之下降。在较高强度时，中碳钢调质处理后的断裂韧性与塑性低于低碳钢，不适合作为挤切销材料，而使用低碳钢可以使其强韧性达到较好的匹配。

2）严格控制钢材中有害化学成分的含量，降低材料的脆性。磷（P）元素是钢中的有害元素之一，磷溶于铁素体，虽然能提高钢的强度和硬度，但偏析严重，增加了回火脆性，显著降低钢材的塑性和韧性，增加钢的冷脆性，降低塑性，使冷弯性能变差，因此通常情况下要求钢材中的含磷量应严格控制，一般含量不大于0.030%～0.040%。金属材料中的硫（S）元素使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。通常要求硫含量小于0.055%，优质钢要求小于0.040%。材料中含有少量铜（Cu）元素可以提高材料的强度和韧性，还可以提高材料的耐大气腐蚀能力。缺点是热加工时容易产生热脆，铜含量超过0.5%时材料塑性显著降低。

ZD6系列电动转辙机挤切销试制用材料采用GB/T 3077-2015《合金结构钢》中特级优质钢（棒料Φ25），其他各项指标及要求均按标准中特级优质钢的规定执行。

3）采用调质热处理过程，提高主挤切销的表面硬度及抗疲劳性能，将材料的硬度提高至HB250以上。低碳合金钢经过热处理后，具有较高的硬度与强度，又有较高的韧性，特别是材料的强度与塑性复合抗力指标断裂韧性提高。

4）挤切销在转辙机转换锁闭过程中与动作杆配合的段受到弯剪组合载荷，为了降低该部位的弯曲应力，将主挤切销段变短，减少动作杆销孔作用到主挤切销上的弯曲应力。与齿条块、动作杆配合的、段配合尺寸不变，保证与原主挤切销能够互换。

3.2 挤切销优化后测试结果及分析

按照前文所述的挤切销优化方案生产了挤切销，对其进行了剪切力测试，并绘制了力位移曲线，如图2所示。

图2 优化后合金钢挤切销力-位移曲线

从图2中的合金钢挤切销力-位移曲线可见，优化后挤切销最大剪切力值保持在标准要求范围内，但力值曲线斜率增大，过渡平滑，无明显屈服现象，并且挤切销的抗变形能力增强，20kN时对应的变形量小于0.5mm。Q235B挤切销与优化后合金钢挤切销力-位移对比曲线见图3。

图3 原Q235B挤切销与优化后合金钢挤切销力-位移曲线对比

四、挤切销制造工艺过程控制

按照《普速铁路信号维护规则》（TG/XH101-2015）中关于ZD6系列电动转辙机挤切销更换周期的要求，正线转辙机半年更换一次，其他线路转辙机一年更换一次，挤切销的需求量极大。挤切销的生产过程挤切销力检验为破坏性检验，因此不能对挤切力进行全检，而是采取每批批量生产前试加工进行定孔试验，确定中心孔直径，批量加工完成后再抽检的方式。根据挤切销挤切力计算公式F=，式中为材料抗剪强度，D为挤切销外径，d为挤切销中心孔直径，可见影响挤切力值的主要因素为挤切销的原材料机械性能和几何尺寸。

为了保证挤切销的外径和中心孔尺寸，挤切销的机加工过程全部材料数控车床加工，确保每次定孔试验后成批生产的挤切销几何尺寸一致性。为了保证每批生产的挤切销力值均符合标准范围要求，对挤切销原材料的机械性能一致性提出了更高的要求。

由于挤切销原材料需要经过调质处理后对其机械性能进行改善，因此挤切销的热处理过程控制是保证挤切力值的关键。通过反复试验和分析，制定了挤切销热处理工艺曲线，挤切销需要经过先淬火，再回火处理。如图4所示，图中T1为淬火温度，T2为回火温度。

图4 挤切销热处理（调质）工艺曲线

热处理过程为特殊工序，热处理后材料的机械性能受炉温、保温时间、冷却介质及温度等因素影响，因此保证热处理过程中关键参数均在要求范围内十分重要，淬火、回火过程中的炉温保持在标准温度范围内±10℃。为此，建议挤切销热处理过程在自动化热处理车间进行，这样可以保证热处理关键参数符合要求，有条件的生产厂家在淬火过程中尽量使用盐浴炉。

通过对挤切销生产过程进行优化和严格控制，目前生产的挤切销挤切力值可以保持在标准要求的范围（29420±1961）N的中上偏差范围内，避免生产出力值偏低的挤切销。

五、结语

通过对原通过现有ZD6转辙机主挤切销原材料和力-位移曲线测试分析，确定了主挤切销的优化改进方案，采用优质低碳合金钢，利用热处理技术对原材料表面和内部的显微组织结构进行强化处理，提高了材料的强韧性。同时对主挤切销生产工艺进行了优化和控制，降低了制造出的挤切销力值离散性，将挤切销的剪切力值控制在标准范围中值至上限范围内。优化后的新型合金钢主挤切销已在全路推广使用，替代了原有的Q235B挤切销，有效降低了挤切销受力变形断裂的几率。

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