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国际金属加工网 2018年08月08日

高铁车轮是世界上公认的技术要求高、生产难度大的尖端产品,此前中国一直依赖进口。经过近些年的努力攻关,目前“蓝海豚”和“金凤凰”两款型号的“复兴号”高铁车轮都实现了中国制造,改写了国外厂家垄断中国高铁车轮市场的历史。

(“复兴号”高铁)

铁路轨距是固定的,在曲线上外轨长、内轨短。当火车的轮对通过曲线时,轮对向外移动后,外轨与车轮接触点的直径大,走行距离长,内轨与车轮接触点的直径小,走行距离短,这样便可以顺利通过曲线。

整个转向架中唯一与铁轨接触的就是车轮,它们把车辆承受的载荷传递到钢轨,在机车制动时又承受闸瓦的作用,因而车轮在复杂应力的状态下工作。而且,轮轨间的作用力是以速度的平方增长的,当列车速度由120km/小时提高到220km/小时、300km/小时时,轮轨作用力分别增大3倍、6倍。

在时速超过300公里的情况下,高铁车轮的工作环境和承受的压力可想而知,车轮质量直接关系着列车的运行安全和旅客生命财产的安全。1998年,德国ICE-1高速列车脱轨,造成101人死亡、105人受伤,究其原因,正是由于车轮不过关导致。

(列车车轮外钢圈因疲乏爆裂是引发德国高速列车脱轨事故的主因)

剥离、磨损和热裂是火车车轮失效的三大主要原因,对高铁车轮来说,剥离缺陷尤为突出。

在高速运行条件下,快速启动和制动以及车轮运行过程中的滚滑现象都会导致车轮踏面(车轮与车轨的接触面)的表层受到极为剧烈的热影响。当滑动摩擦剧烈时,可使踏面表面温度上升1000℃以上,导致踏面表面剥离缺陷的产生,踏面表面不平顺度提高,进而加剧轮轨间振动,对线路、车辆都产生不良影响,所产生的轮轨噪声还构成环境问题。

(车轮踏面剥离缺陷)

自1963年全球首列时速210km的高速列车在日本投运以来,高速列车在日本、法国、德国、英国、荷兰、比利时等国快速发展。1989年,法国的TGV高速列车最高试验运行速度已达515.3公里/小时。

与高速列车的发展同步,高铁车轮的生产技术也得到飞速发展。到20世纪末,高铁车轮生产技术在国际上已是成熟技术,由法国、日本、德国、意大利的四家公司垄断。

高铁车轮生产的关键是保证铁路运输的安全性。在高速条件下,随着速度效应的增强和制动方式的变化,车轮的受力状态较之常规使用条件发生很大变化,助长了在疲劳条件下极小缺陷的发展,小至0.2mm的内部缺陷都有可能在运行过程中导致疲劳裂纹的萌生。

新的使用条件对车轮的外形结构和内在质量都提出了更高的要求,为保证列车运行安全,高铁车轮必须具有更高的强韧性、耐磨性、抗热裂性、抗疲劳性、抗剥离性。

要想车轮质量好,首先车轮钢的质量要好。车轮钢用电炉或转炉冶炼后,要经炉外精炼后再连铸成圆坯,车轮钢洁净度要求很高,氢含量需在百万分之二以下;对夹杂物级别要求也很严格,要求杂质含量极低且分布均匀。

(国外高铁车轮钢的化学成分)

一般来说,高铁车轮都是用模锻——轧制的方法制造。车轮钢材坯经锯切、锻轧、热处理、机加工等若干工序后,制造出车轮成品,然后进行超声波检测、磁粉检测、静平衡测量、喷丸强化、硬度测量、全尺寸测量等全方位严格检测。所有检测合格,方可出厂。

(高铁车轮生产线)

(高铁车轮锻造)

鉴于高铁车轮生产的难度之高,相关国家和企业都将高铁车轮技术列为战略性核心技术高度保密,坚持“不申报专利、不发表论文、不接受交流参观”的三不政策,以防外界获取相关技术的蛛丝马迹。也正是因此,四大高铁车轮制造巨头得以长期垄断全球市场,并按高于普通车轮十余倍的价格出口产品。

如今的中国高铁是世界铁路领域的标杆,不仅拥有全球最长、密度最大的高铁网络,而且在2017年创造了605公里/小时的全球高铁试验速度纪录,拥有了世界上最快的高铁。但是很少有人记得,多年前,中国火车车轮是全部依赖进口的。直到上世纪60年代,中国先后成功轧制出第一个车轮轮箍和辗钢整体车轮,结束了中国只能用“洋箍、洋轮”的历史。

之后,伴随高速铁路的发展,中国又先后开发出KKD快速车轮和CL50材质高速车轮,CL50材质高速车轮在270公里/小时“中华之星”高速试验列车上安全运用60余万公里,最高时速达321.5公里。“纯中国血统”的中国车轮开始展露锋芒,也从此不再受制于人。



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