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列車的“腳”：轉(zhuǎn)向架的材料和技術(shù)

轉(zhuǎn)向架是列車的“腳”，對(duì)于以運(yùn)送為天職的列車來說，它的重要性不言而喻。可以說，轉(zhuǎn)向架就是火車的方向盤。

這是一個(gè)外形很像小車的部件，主體是4個(gè)車輪2根軸1個(gè)鋼鐵框架，高鐵列車的電機(jī)等重要部件也會(huì)安裝在轉(zhuǎn)向架上。

雖然轉(zhuǎn)向架的體形要比車體小了太多，但它的確是太關(guān)鍵了，關(guān)系到整個(gè)車輛安全性。轉(zhuǎn)架必須滿足安全、運(yùn)行舒適度以及耐磨損、易檢修等要求。對(duì)轉(zhuǎn)向架而言，既要保證足夠大的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，又要力求實(shí)現(xiàn)車體輕量化目標(biāo)。而高承載能力和高度輕量化，恰恰又是一對(duì)永恒的矛盾體。

中國(guó)高鐵多采用優(yōu)質(zhì)碳素鋼、低合金低碳高強(qiáng)度鋼、耐候鋼制造的構(gòu)架。近來研究熱點(diǎn)為高分子復(fù)合材料和鋁合金制造的構(gòu)架。而采用碳纖維復(fù)合材料制成的轉(zhuǎn)向架整體比普通鋼制構(gòu)架能減輕30％，能夠同時(shí)滿足高承載和高度輕量化。

技術(shù)的創(chuàng)新，工藝的改進(jìn)，如同高鐵研發(fā)生產(chǎn)的“兩只手”，密切配合，匠心打磨，共同造就了追求極致的中國(guó)高鐵轉(zhuǎn)向架。以“復(fù)興號(hào)”CR400AF型動(dòng)車組為例：

轉(zhuǎn)向架應(yīng)用

轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架采用了薄壁箱型結(jié)構(gòu)焊接，最薄鋼板僅6毫米。為實(shí)現(xiàn)輕量化重量控制，設(shè)計(jì)師進(jìn)行了精細(xì)的重量規(guī)劃，可以說細(xì)到一顆螺栓的重量，并在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中嚴(yán)格執(zhí)行。

轉(zhuǎn)向架的定位臂，是精度要求極高、需要手工研磨的部件。如果把轉(zhuǎn)向架稱為列車的“腿”，定位臂就相當(dāng)于“腳踝”，是轉(zhuǎn)向架的核心部位。

經(jīng)過機(jī)器粗加工后，留給手工研磨的空間只有0.05毫米左右，相當(dāng)于一根細(xì)頭發(fā)絲的大小。磨少了，貼合率達(dá)不到要求，磨多了，動(dòng)輒十幾萬元的部件可能報(bào)廢。如此嚴(yán)苛的工藝標(biāo)準(zhǔn)要求，成功破解了長(zhǎng)期制約轉(zhuǎn)向架批量制造的瓶頸難題，保證了高速列車轉(zhuǎn)向架的高質(zhì)量、高產(chǎn)量。

目前，包括“復(fù)興號(hào)”CR400AF在內(nèi)，搭載該轉(zhuǎn)向架的高鐵列車?yán)塾?jì)運(yùn)營(yíng)里程已超過4.4億公里，并于2010年創(chuàng)造了486.1公里/小時(shí)的世界鐵路運(yùn)營(yíng)試驗(yàn)最高速紀(jì)錄。

挑戰(zhàn)速度：高性能車輪材料

車輪是鐵路運(yùn)輸中的重要構(gòu)件之一,它有以下作用:

1.支撐車體的重量

2.將驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力傳遞給鐵軌

3.在踏面剎車的車輛中,車輪能吸收剎車時(shí)因制動(dòng)輪滑動(dòng)而產(chǎn)生的摩擦熱,而且還具有散熱的功能

從材料的角度來看,車輪在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中,因支撐車體的重量或車輪制動(dòng)會(huì)與鐵軌產(chǎn)生摩擦而造成各種磨損和擦傷。當(dāng)車輪制動(dòng)時(shí),除產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦以外,還會(huì)產(chǎn)生熱裂紋。因此,對(duì)車輪用材料來說,既要求高強(qiáng)度、高硬度和耐磨性,又要求高的韌性和耐熱性等多種性能的組合。

常見的車輪損傷主要有以下幾種類型:踏面剝離、踏面磨損、塑性變形、輪輞裂紋以及輻板裂紋等。對(duì)于高速列車車輪,以踏面剝離為主要損傷形式。研究結(jié)果表明,損傷原因主要與材料的潔凈度、性能以及車輪的使用條件有關(guān)。 

國(guó)內(nèi)外對(duì)車輪踏面剝離的研究結(jié)果認(rèn)為:踏面制動(dòng)時(shí),輪瓦接觸部位或輪軌之間產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng),造成瞬時(shí)高溫,使車輪材料發(fā)生相變,在隨后的冷卻過程中形成所謂熱機(jī)械作用的馬氏體白層,并在輪軌接觸應(yīng)力、熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的作用下發(fā)生碎裂和脫落,從而出現(xiàn)大面積剝落掉塊。此時(shí),馬氏體的碎裂實(shí)際上成為一種裂紋源。如果馬氏體層較薄(<0.01 mm),則在運(yùn)行中可能被剪切或磨耗掉;如果馬氏體層厚度大于0.08 mm,則在正常使用過程中不易被磨耗,因而存留于踏面下,從而導(dǎo)致裂紋和剝離的產(chǎn)生。

隨著列車運(yùn)輸向高速化發(fā)展,現(xiàn)有車輪的損傷情況特別是剝離問題逐漸增加,影響了列車的安全運(yùn)行,嚴(yán)重阻礙了列車向高速化發(fā)展。為改善車輪的抗損傷性能,各國(guó)對(duì)新型車輪用材料進(jìn)行了大量的研究,并取得了一定的進(jìn)展。

目前，馬鋼股份是我國(guó)最大的生產(chǎn)高鐵車輪的鋼鐵企業(yè)，而太原重工也同樣生產(chǎn)高鐵車輪。早在1990年,馬鋼根據(jù)國(guó)家“七五”計(jì)劃攻關(guān)項(xiàng)目目標(biāo),參照前蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)研制了含釩微合金化車輪用鋼,其成分(%)為:C0.49,Si0.63,Mn 1.28,P 0.020,S 0.025,V 0.152。研究表明,該鋼種各項(xiàng)性能指標(biāo)都優(yōu)于原CL60鋼。

2000年,馬鋼技術(shù)中心與西安交通大學(xué)聯(lián)合研制了微合金化車輪用鋼,用于時(shí)速200 km的列車。該鋼種降低了原鋼種的碳含量,提高了合金元素的含量,并用釩進(jìn)行微合金化。研究結(jié)果表明,新鋼種的強(qiáng)度和硬度較高,其它各項(xiàng)性能指標(biāo)均比原鋼種好。可見,降低材料的碳含量并進(jìn)行微合金化,可以改善車輪用材料的性能,對(duì)改善材料的抗裂損性能有一定的幫助。

2014年，馬鋼又收購(gòu)了世界四大高鐵輪軸制造商之一的法國(guó)瓦頓公司。馬鋼還將在中國(guó)鐵總的支持下與中國(guó)鐵道科學(xué)院聯(lián)手，利用瓦頓技術(shù)平臺(tái)，在馬鋼建立世界一流的高鐵輪軸裝配和維修生產(chǎn)線，并在此基礎(chǔ)上成立研發(fā)中心，全面延伸、提高國(guó)產(chǎn)高鐵制造產(chǎn)業(yè)鏈和自主核心技術(shù)研發(fā)能力。

國(guó)內(nèi)高速車輪用鋼發(fā)展的主要趨勢(shì)是降低碳含量并結(jié)合微合金化，在碳含量基本確定的情況下,研究Cr、V、Mo、Nb等微合金的固溶強(qiáng)化機(jī)理,從碳當(dāng)量的角度綜合考慮Si、Mn、Ni對(duì)車輪材料的強(qiáng)韌指標(biāo)的影響,確定C及微合金元素的最佳成分匹配,使材料性能滿足高速列車車輪運(yùn)行的技術(shù)指標(biāo)要求。這一技術(shù)路線已有一定的研究基礎(chǔ),如何提高鋼的強(qiáng)韌性,以提高高速車輪的運(yùn)行安全,仍是高速車輪用鋼的重要研究方向。

復(fù)雜環(huán)境下無縫鐵軌技術(shù)

乘坐火車時(shí)“哐當(dāng)哐當(dāng)哐當(dāng)……”的聲音，是很多人難以忘卻的經(jīng)歷和回憶。

不過，如今的高鐵，再難聽到車輪與鐵軌間有節(jié)奏的“哐當(dāng)”聲響。坐在高速運(yùn)行的火車上，不用擔(dān)心車廂的搖搖晃晃，連滿杯的開水都不會(huì)因?yàn)轭嶔ざ绯觥?/p>

千真萬確！高速鐵路都是無縫鐵軌。長(zhǎng)度可以達(dá)到幾十公里甚至上百公里的整個(gè)鋼軌沒有軌縫接頭。

無縫線路是消除了軌縫的長(zhǎng)鋼軌與其下部復(fù)雜結(jié)構(gòu)共同適應(yīng)熱脹冷縮、保持強(qiáng)度與穩(wěn)定性的線路，是保障高速線路高安全、高平順、高可靠的核心技術(shù)。中國(guó)高鐵研究人員，歷經(jīng)十余年的理論與技術(shù)創(chuàng)新，形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的復(fù)雜環(huán)境下高速鐵路無縫線路關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用體系。

1.創(chuàng)建了復(fù)雜溫度下高速無縫道岔精細(xì)化分析理論和技術(shù)，攻克了復(fù)雜氣候條件適應(yīng)性難題。促使我國(guó)成為高速通過性能優(yōu)良、溫度適應(yīng)能力最強(qiáng)的高速無縫道岔制造國(guó)。

2.創(chuàng)立了長(zhǎng)大橋梁、高架站無縫線路協(xié)同分析理論與成套應(yīng)用技術(shù)，突破了與復(fù)雜線下基礎(chǔ)協(xié)調(diào)性難題。促使橋長(zhǎng)數(shù)百公里、跨度上千米的橋梁都可實(shí)現(xiàn)線路無縫化。

3.研發(fā)了多手段智能融合的無縫線路系統(tǒng)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)及預(yù)警技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了安全服役狀態(tài)的可控性。

通過成套技術(shù)的研究，形成了從設(shè)計(jì)、制造、鋪設(shè)到維護(hù)的無縫線路技術(shù)體系，真正實(shí)現(xiàn)了無論線路有多長(zhǎng)，都能夠通過無縫化實(shí)現(xiàn)全線連續(xù)、高速、安全、平穩(wěn)、舒適運(yùn)行。

高速鐵路區(qū)別于一般鐵路最主要的特點(diǎn)是曲率半徑大、應(yīng)變速率高、軸重輕和牽引力大，鋼軌的磨耗較小，疲勞損傷相對(duì)突出，因此對(duì)鋼軌材料的選擇要求較高。

對(duì)于鋼軌材料而言，歐洲鐵路一直在合金鋼軌上進(jìn)行研究，如非熱處理的Cr-Mo，合金鋼軌除了有較高的循環(huán)軟化抗力外，也有較好的抵杭短波磨損的能力，是今后鋼軌材料的重點(diǎn)選擇對(duì)象之一。此外，還應(yīng)從鋼軌鋼的強(qiáng)韌化和純凈化方面進(jìn)行努力，大力發(fā)展全長(zhǎng)熱處理鋼軌、稀土鋼軌和降噪降振新鋼軌。

目前，國(guó)外正在研究的貝氏體鋼抗剝離性能優(yōu)于珠光體鋼，不過尚處于試驗(yàn)階段。為了減重，德國(guó)正研究組合車輪，即輪心采用FRP，再套上鋼質(zhì)輪和輪箍。

無砟軌道及相關(guān)材料

京滬高鐵全長(zhǎng)1318km，多采用高架橋的形式,橋梁的長(zhǎng)度約1140km,占正線長(zhǎng)度86.5%。如此多的高架，也保證了將不同地基狀況的影響降到了最低。

在此基礎(chǔ)上，京滬高鐵全程采取的無砟軌道（Ballastless track），是當(dāng)今世界先進(jìn)的軌道技術(shù)。

與有砟軌道相比，無砟軌道避免了飛濺道砟，平順性好，穩(wěn)定性好，使用壽命長(zhǎng)，耐久性好，維修工作少，列車運(yùn)行時(shí)速可達(dá)350千米以上。

無砟軌道采用自身穩(wěn)定性較好的混凝土或?yàn)r青道床代替有砟道床來傳遞行車時(shí)的動(dòng)、靜荷載，而行車時(shí)需要的彈性變形主要由設(shè)置在鋼軌或扣件下精確定義的單元材料提供。無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求其具有足夠的抗凍安全性，特別是對(duì)其下部結(jié)構(gòu)在鋪軌完成后出現(xiàn)的后續(xù)沉降變形要求十分嚴(yán)格。所以，無砟軌道線路的長(zhǎng)期穩(wěn)定性較好，特別是在高速行車條件下，屬于一種正常情況下很少需要維修的上部結(jié)構(gòu)形式。

高鐵軌道水泥枕、鐵軌和地基間的連接處均以聚氨酯彈性體填隙、密封，一則使連接穩(wěn)固，不因受氣候變化而位移；二則可起防震和消除噪音作用，增添旅客乘車舒適感。

聚氨酯枕木

支撐鐵軌的枕木一般采用木材和混凝土制作。由于采用木質(zhì)枕木對(duì)環(huán)保不利，現(xiàn)在越來越多的鐵路制造商采用聚氨酯復(fù)合材料作為替代品。這種材料與其他材料相比，制作的枕木使用壽命非常長(zhǎng)，同時(shí)相應(yīng)的生命周期成本更低。

聚氨酯樹脂枕木的彎曲強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于木材，即使在使用超過15年以后，這已經(jīng)在周期性彎曲及長(zhǎng)期負(fù)荷的試驗(yàn)中證明的。而一些被測(cè)試的木制枕木，通常承受不住5萬次40兆帕斯卡的負(fù)荷，所有測(cè)試的聚氨酯枕木則可承受一百萬次超過兩倍的負(fù)荷（約94兆帕斯卡）。由于這些優(yōu)良的力學(xué)性能，這些材料還適用于建設(shè)高速鐵路，就新干線鐵路來講，它們被證明能使用超過20年。聚氨酯材料的加工可以使用木材加工中使用的工具，可以鋸，碾壓，用螺絲擰緊，釘牢，它比木材更加堅(jiān)固。

博格板

博格板是博格板式無砟軌道系統(tǒng)的核心部件，無砟軌道系統(tǒng)為德國(guó)聯(lián)邦鐵路公司的一種軌道結(jié)構(gòu)類型，于1979年在德國(guó)卡爾斯費(fèi)爾德—達(dá)毫的鐵路線上進(jìn)行了第一次試驗(yàn)鋪設(shè)，博格公司在研究分析了各種無砟軌道形式的優(yōu)缺點(diǎn)后，經(jīng)過不斷的研發(fā)和完善，研發(fā)出博格板，并獲得了德國(guó)聯(lián)邦管理局頒發(fā)的許可證，已成功應(yīng)用在德國(guó)紐倫堡至英戈?duì)柺┧氐男陆ㄨF路上。

我國(guó)在京津城際軌道交通工程上引進(jìn)了該項(xiàng)技術(shù)，包括橋梁上和路基上兩種類型。實(shí)際使用過程中博格板是一塊塊長(zhǎng)6.45米、高20厘米、重達(dá)9.6噸的混凝土承軌臺(tái)，每一塊的長(zhǎng)、寬、高誤差都被嚴(yán)格控制在3毫米以內(nèi)。實(shí)際上，每塊博格板就相當(dāng)于連成一體的10塊枕木。博格板全部鋪設(shè)完成后，鋼軌就被直接固定在博格板上。與普通有砟軌道相比，京津城軌的線路平順性、穩(wěn)定性、安全性都大大提高，從而滿足列車高速行駛的需要，同時(shí)還能明顯降低列車行駛產(chǎn)生的噪音。

聚脲彈性體涂層

由于高鐵采用無碴軌道，要求防護(hù)層不僅具有防水、防滲和抗裂等基本性能，還要能經(jīng)受火車高速行駛帶來的高速、重載、交變沖擊等作用。聚脲涂層無接縫，粘結(jié)力強(qiáng)，真正做到了整體防水，同時(shí)還具有優(yōu)異的耐磨性、抗沖擊、抗開裂、耐紫外光和耐高低溫性能，可滿足高鐵的特殊要求。

減振?降噪材料

列車的高速運(yùn)行會(huì)帶來沖擊、振動(dòng)和噪聲的加劇，采用減振降噪元件，例如勃彈性能、耐疲勞、耐老化性能更優(yōu)的橡膠元件，能夠保證乘客乘坐的安全舒適。

橡膠元件已在高速列車上廣泛應(yīng)用于防振、緩沖、隔音、密封、絕緣，以及彈性偶合件和空氣橡膠簧等方面，尤其是減振降噪作用特別顯著，對(duì)高速列車的舒適平穩(wěn)具有無可取代的作用。

橡膠元件最引人矚目的應(yīng)用是轉(zhuǎn)向架上的六連桿橡膠關(guān)節(jié)。20世紀(jì)50年代初，國(guó)外就開始采用橡膠材料作為鋼軌墊件；70 年代隨列車速度的提高，在軌道結(jié)構(gòu)中采用了天然橡膠、氯丁橡膠、聚氨酯橡膠等彈性體作為鋼軌夾墊、撐墊和軌枕的墊件；80年代，低發(fā)泡聚氨酯彈性材料已廣泛應(yīng)用于軌道結(jié)構(gòu)材料。日本對(duì)百余種彈性材料的篩選認(rèn)為，用反應(yīng)注射成形法生產(chǎn)的低發(fā)泡聚氨酯材料最適合用作高速軌道材料。

結(jié)語(yǔ)

高鐵產(chǎn)業(yè)代表一個(gè)國(guó)家高端制造業(yè)的水平。京滬高鐵的上市，意味著市場(chǎng)對(duì)于中國(guó)制造的全面肯定。中國(guó)材料行業(yè)龍頭企業(yè)，憑借強(qiáng)大的技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)品生產(chǎn)實(shí)力，必將迎來更多的發(fā)展機(jī)遇和市場(chǎng)空間。

未來，中國(guó)還將在目前高鐵的基礎(chǔ)上，采用云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、北斗定位、下一代移動(dòng)通信、人工智能等先進(jìn)技術(shù)。通過新一代信息技術(shù)與高速鐵路技術(shù)的集成融合，實(shí)現(xiàn)高鐵智能建造、智能裝備、智能運(yùn)營(yíng)技術(shù)水平全面提升。使得高速鐵路運(yùn)營(yíng)更加安全高效、更加綠色環(huán)保、更加便捷舒適。

這對(duì)于開啟中國(guó)高鐵智能化發(fā)展、推動(dòng)中國(guó)高鐵綜合技術(shù)創(chuàng)新持續(xù)領(lǐng)跑世界，具有十分重要的意義。

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