列车的“脚”：转向架的材料和技术

转向架是列车的“脚”，对于以运送为天职的列车来说，它的重要性不言而喻。可以说，转向架就是火车的方向盘。

这是一个外形很像小车的部件，主体是4个车轮2根轴1个钢铁框架，高铁列车的电机等重要部件也会安装在转向架上。

虽然转向架的体形要比车体小了太多，但它的确是太关键了，关系到整个车辆安全性。转架必须满足安全、运行舒适度以及耐磨损、易检修等要求。对转向架而言，既要保证足够大的结构强度，又要力求实现车体轻量化目标。而高承载能力和高度轻量化，恰恰又是一对永恒的矛盾体。

中国高铁多采用优质碳素钢、低合金低碳高强度钢、耐候钢制造的构架。近来研究热点为高分子复合材料和铝合金制造的构架。而采用碳纤维复合材料制成的转向架整体比普通钢制构架能减轻30％，能够同时满足高承载和高度轻量化。

技术的创新，工艺的改进，如同高铁研发生产的“两只手”，密切配合，匠心打磨，共同造就了追求极致的中国高铁转向架。以“复兴号”CR400AF型动车组为例：

转向架应用

转向架的构架采用了薄壁箱型结构焊接，最薄钢板仅6毫米。为实现轻量化重量控制，设计师进行了精细的重量规划，可以说细到一颗螺栓的重量，并在整个设计过程中严格执行。

转向架的定位臂，是精度要求极高、需要手工研磨的部件。如果把转向架称为列车的“腿”，定位臂就相当于“脚踝”，是转向架的核心部位。

经过机器粗加工后，留给手工研磨的空间只有0.05毫米左右，相当于一根细头发丝的大小。磨少了，贴合率达不到要求，磨多了，动辄十几万元的部件可能报废。如此严苛的工艺标准要求，成功破解了长期制约转向架批量制造的瓶颈难题，保证了高速列车转向架的高质量、高产量。

目前，包括“复兴号”CR400AF在内，搭载该转向架的高铁列车累计运营里程已超过4.4亿公里，并于2010年创造了486.1公里/小时的世界铁路运营试验最高速纪录。

挑战速度：高性能车轮材料

车轮是铁路运输中的重要构件之一,它有以下作用:

1.支撑车体的重量

2.将驱动力和制动力传递给铁轨

3.在踏面刹车的车辆中,车轮能吸收刹车时因制动轮滑动而产生的摩擦热,而且还具有散热的功能

从材料的角度来看,车轮在运转过程中,因支撑车体的重量或车轮制动会与铁轨产生摩擦而造成各种磨损和擦伤。当车轮制动时,除产生滑动摩擦以外,还会产生热裂纹。因此,对车轮用材料来说,既要求高强度、高硬度和耐磨性,又要求高的韧性和耐热性等多种性能的组合。

常见的车轮损伤主要有以下几种类型:踏面剥离、踏面磨损、塑性变形、轮辋裂纹以及辐板裂纹等。对于高速列车车轮,以踏面剥离为主要损伤形式。研究结果表明,损伤原因主要与材料的洁净度、性能以及车轮的使用条件有关。 

国内外对车轮踏面剥离的研究结果认为:踏面制动时,轮瓦接触部位或轮轨之间产生相对滑动,造成瞬时高温,使车轮材料发生相变,在随后的冷却过程中形成所谓热机械作用的马氏体白层,并在轮轨接触应力、热应力和组织应力的作用下发生碎裂和脱落,从而出现大面积剥落掉块。此时,马氏体的碎裂实际上成为一种裂纹源。如果马氏体层较薄(<0.01 mm),则在运行中可能被剪切或磨耗掉;如果马氏体层厚度大于0.08 mm,则在正常使用过程中不易被磨耗,因而存留于踏面下,从而导致裂纹和剥离的产生。

随着列车运输向高速化发展,现有车轮的损伤情况特别是剥离问题逐渐增加,影响了列车的安全运行,严重阻碍了列车向高速化发展。为改善车轮的抗损伤性能,各国对新型车轮用材料进行了大量的研究,并取得了一定的进展。

目前，马钢股份是我国最大的生产高铁车轮的钢铁企业，而太原重工也同样生产高铁车轮。早在1990年,马钢根据国家“七五”计划攻关项目目标,参照前苏联标准研制了含钒微合金化车轮用钢,其成分(%)为:C0.49,Si0.63,Mn 1.28,P 0.020,S 0.025,V 0.152。研究表明,该钢种各项性能指标都优于原CL60钢。

2000年,马钢技术中心与西安交通大学联合研制了微合金化车轮用钢,用于时速200 km的列车。该钢种降低了原钢种的碳含量,提高了合金元素的含量,并用钒进行微合金化。研究结果表明,新钢种的强度和硬度较高,其它各项性能指标均比原钢种好。可见,降低材料的碳含量并进行微合金化,可以改善车轮用材料的性能,对改善材料的抗裂损性能有一定的帮助。

2014年，马钢又收购了世界四大高铁轮轴制造商之一的法国瓦顿公司。马钢还将在中国铁总的支持下与中国铁道科学院联手，利用瓦顿技术平台，在马钢建立世界一流的高铁轮轴装配和维修生产线，并在此基础上成立研发中心，全面延伸、提高国产高铁制造产业链和自主核心技术研发能力。

国内高速车轮用钢发展的主要趋势是降低碳含量并结合微合金化，在碳含量基本确定的情况下,研究Cr、V、Mo、Nb等微合金的固溶强化机理,从碳当量的角度综合考虑Si、Mn、Ni对车轮材料的强韧指标的影响,确定C及微合金元素的最佳成分匹配,使材料性能满足高速列车车轮运行的技术指标要求。这一技术路线已有一定的研究基础,如何提高钢的强韧性,以提高高速车轮的运行安全,仍是高速车轮用钢的重要研究方向。

复杂环境下无缝铁轨技术

乘坐火车时“哐当哐当哐当……”的声音，是很多人难以忘却的经历和回忆。

不过，如今的高铁，再难听到车轮与铁轨间有节奏的“哐当”声响。坐在高速运行的火车上，不用担心车厢的摇摇晃晃，连满杯的开水都不会因为颠簸而溢出。

千真万确！高速铁路都是无缝铁轨。长度可以达到几十公里甚至上百公里的整个钢轨没有轨缝接头。

无缝线路是消除了轨缝的长钢轨与其下部复杂结构共同适应热胀冷缩、保持强度与稳定性的线路，是保障高速线路高安全、高平顺、高可靠的核心技术。中国高铁研究人员，历经十余年的理论与技术创新，形成了具有自主知识产权的复杂环境下高速铁路无缝线路关键技术及应用体系。

1.创建了复杂温度下高速无缝道岔精细化分析理论和技术，攻克了复杂气候条件适应性难题。促使我国成为高速通过性能优良、温度适应能力最强的高速无缝道岔制造国。

2.创立了长大桥梁、高架站无缝线路协同分析理论与成套应用技术，突破了与复杂线下基础协调性难题。促使桥长数百公里、跨度上千米的桥梁都可实现线路无缝化。

3.研发了多手段智能融合的无缝线路系统实时在线监测及预警技术，实现了安全服役状态的可控性。

通过成套技术的研究，形成了从设计、制造、铺设到维护的无缝线路技术体系，真正实现了无论线路有多长，都能够通过无缝化实现全线连续、高速、安全、平稳、舒适运行。

高速铁路区别于一般铁路最主要的特点是曲率半径大、应变速率高、轴重轻和牵引力大，钢轨的磨耗较小，疲劳损伤相对突出，因此对钢轨材料的选择要求较高。

对于钢轨材料而言，欧洲铁路一直在合金钢轨上进行研究，如非热处理的Cr-Mo，合金钢轨除了有较高的循环软化抗力外，也有较好的抵杭短波磨损的能力，是今后钢轨材料的重点选择对象之一。此外，还应从钢轨钢的强韧化和纯净化方面进行努力，大力发展全长热处理钢轨、稀土钢轨和降噪降振新钢轨。

目前，国外正在研究的贝氏体钢抗剥离性能优于珠光体钢，不过尚处于试验阶段。为了减重，德国正研究组合车轮，即轮心采用FRP，再套上钢质轮和轮箍。

无砟轨道及相关材料

京沪高铁全长1318km，多采用高架桥的形式,桥梁的长度约1140km,占正线长度86.5%。如此多的高架，也保证了将不同地基状况的影响降到了最低。

在此基础上，京沪高铁全程采取的无砟轨道（Ballastless track），是当今世界先进的轨道技术。

与有砟轨道相比，无砟轨道避免了飞溅道砟，平顺性好，稳定性好，使用寿命长，耐久性好，维修工作少，列车运行时速可达350千米以上。

无砟轨道采用自身稳定性较好的混凝土或沥青道床代替有砟道床来传递行车时的动、静荷载，而行车时需要的弹性变形主要由设置在钢轨或扣件下精确定义的单元材料提供。无砟轨道结构设计要求其具有足够的抗冻安全性，特别是对其下部结构在铺轨完成后出现的后续沉降变形要求十分严格。所以，无砟轨道线路的长期稳定性较好，特别是在高速行车条件下，属于一种正常情况下很少需要维修的上部结构形式。

高铁轨道水泥枕、铁轨和地基间的连接处均以聚氨酯弹性体填隙、密封，一则使连接稳固，不因受气候变化而位移；二则可起防震和消除噪音作用，增添旅客乘车舒适感。

聚氨酯枕木

支撑铁轨的枕木一般采用木材和混凝土制作。由于采用木质枕木对环保不利，现在越来越多的铁路制造商采用聚氨酯复合材料作为替代品。这种材料与其他材料相比，制作的枕木使用寿命非常长，同时相应的生命周期成本更低。

聚氨酯树脂枕木的弯曲强度远远高于木材，即使在使用超过15年以后，这已经在周期性弯曲及长期负荷的试验中证明的。而一些被测试的木制枕木，通常承受不住5万次40兆帕斯卡的负荷，所有测试的聚氨酯枕木则可承受一百万次超过两倍的负荷（约94兆帕斯卡）。由于这些优良的力学性能，这些材料还适用于建设高速铁路，就新干线铁路来讲，它们被证明能使用超过20年。聚氨酯材料的加工可以使用木材加工中使用的工具，可以锯，碾压，用螺丝拧紧，钉牢，它比木材更加坚固。

博格板

博格板是博格板式无砟轨道系统的核心部件，无砟轨道系统为德国联邦铁路公司的一种轨道结构类型，于1979年在德国卡尔斯费尔德—达毫的铁路线上进行了第一次试验铺设，博格公司在研究分析了各种无砟轨道形式的优缺点后，经过不断的研发和完善，研发出博格板，并获得了德国联邦管理局颁发的许可证，已成功应用在德国纽伦堡至英戈尔施塔特的新建铁路上。

我国在京津城际轨道交通工程上引进了该项技术，包括桥梁上和路基上两种类型。实际使用过程中博格板是一块块长6.45米、高20厘米、重达9.6吨的混凝土承轨台，每一块的长、宽、高误差都被严格控制在3毫米以内。实际上，每块博格板就相当于连成一体的10块枕木。博格板全部铺设完成后，钢轨就被直接固定在博格板上。与普通有砟轨道相比，京津城轨的线路平顺性、稳定性、安全性都大大提高，从而满足列车高速行驶的需要，同时还能明显降低列车行驶产生的噪音。

聚脲弹性体涂层

由于高铁采用无碴轨道，要求防护层不仅具有防水、防渗和抗裂等基本性能，还要能经受火车高速行驶带来的高速、重载、交变冲击等作用。聚脲涂层无接缝，粘结力强，真正做到了整体防水，同时还具有优异的耐磨性、抗冲击、抗开裂、耐紫外光和耐高低温性能，可满足高铁的特殊要求。

减振､降噪材料

列车的高速运行会带来冲击、振动和噪声的加剧，采用减振降噪元件，例如勃弹性能、耐疲劳、耐老化性能更优的橡胶元件，能够保证乘客乘坐的安全舒适。

橡胶元件已在高速列车上广泛应用于防振、缓冲、隔音、密封、绝缘，以及弹性偶合件和空气橡胶簧等方面，尤其是减振降噪作用特别显著，对高速列车的舒适平稳具有无可取代的作用。

橡胶元件最引人瞩目的应用是转向架上的六连杆橡胶关节。20世纪50年代初，国外就开始采用橡胶材料作为钢轨垫件；70 年代随列车速度的提高，在轨道结构中采用了天然橡胶、氯丁橡胶、聚氨酯橡胶等弹性体作为钢轨夹垫、撑垫和轨枕的垫件；80年代，低发泡聚氨酯弹性材料已广泛应用于轨道结构材料。日本对百余种弹性材料的筛选认为，用反应注射成形法生产的低发泡聚氨酯材料最适合用作高速轨道材料。

结语

高铁产业代表一个国家高端制造业的水平。京沪高铁的上市，意味着市场对于中国制造的全面肯定。中国材料行业龙头企业，凭借强大的技术研发和产品生产实力，必将迎来更多的发展机遇和市场空间。

未来，中国还将在目前高铁的基础上，采用云计算、物联网、大数据、北斗定位、下一代移动通信、人工智能等先进技术。通过新一代信息技术与高速铁路技术的集成融合，实现高铁智能建造、智能装备、智能运营技术水平全面提升。使得高速铁路运营更加安全高效、更加绿色环保、更加便捷舒适。

这对于开启中国高铁智能化发展、推动中国高铁综合技术创新持续领跑世界，具有十分重要的意义。

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