动车组自主化轮轴关键技术研究及应用

中国铁道科学研究院集团有限公司

我国是铁路大国，也是铁路机车车辆轮轴生产和需求量最大的国家，动车组轮轴作为走行系统的关键部件对列车起着重要的承载、导向作用，是列车安全运行的基石。

针对高铁轮轴关键材料、结构设计、制造工艺、检测评估和标准体系，项目团队开展系统攻关，全面攻克了高铁轮轴成分优化及配比、材料纯净均质化调控、高安全裕量结构设计、高精度一体化成型及安全可靠性评估等系列难题，形成了包括高铁轮轴材料和结构设计、生产工艺控制、产品综合性能评测、轮轴安全评估在内的一整套技术体系，成功研制出具有国内领先、国际先进水平的高铁轮轴产品，构建了系统完善的产品质量评价及安全保障体系，实现了高铁轮轴自主化，为我国铁路轮轴自主创新和高端装备自主可控奠定了坚实技术基础。

一、主要科技创新

1. 首创适用于中国高速铁路复杂运用工况的高铁轮轴新钢种，自主化轮轴的材料更加纯净、组织更加均匀、性能更加优异。

车轮材料设计采用微合金化技术路线，利用硅元素固溶强化、钒元素细化晶粒和析出强化的特点，形成了有效改善车轮磨损均匀性、接触疲劳、抗热损伤性能的中碳硅钒合金化车轮钢；车轴材料设计采用元素合金化+调质热处理技术路线，研发综合改善低温适应性、抗疲劳性能、抗冲击性能的车轴钢；突破了材料有害夹杂物改性处理技术，采用渣控为主、复合脱氧方式并同步实施有害夹杂物塑性包裹，实现轮轴钢坯的超低氧含量，大幅提升高铁轮轴钢的纯净度水平，提高轮轴产品疲劳可靠性。

图1   复兴号动车组轮轴结构设计

 

2. 创新提出轮轴全尺寸精细化数值重构设计方法，自主设计安全裕量大、重量轻的动车组轮轴结构，已成为复兴号系列动车组的标配。

首次应用谐单元技术完成轮轴全尺寸精细化数值重构，突破了有限元样条曲线形状优化的二次修正难点；攻克Mises应力作为性能参数时轮轴疲劳性能优化效果不佳的难题；创新设计了重量更轻、安全裕量更高的高铁轮轴结构，填补了国内高铁轮轴结构设计空白。设计的高铁轮轴结构已成为复兴号系列高铁轮轴的标配，其接口尺寸具有通用性，满足高铁轮轴互换性要求。

3. 突破了高铁轮轴在锻轧热成型、热处理工艺和机加工控制等方面关键技术，同步建立了完善的产品质量控制体系，保障了自主化轮轴批次质量一致性和稳定性。

首次突破了高铁轮轴在锻轧热成型、热处理工艺和机加工控制等方面关键技术，实现一种大变形量、高精尺寸控制的车轮锻轧热成型技术；研发高性能、长寿命的车轴锻造型砧，提出车轴快锻技术，极大提升了高铁车轴的锻造质量和效率。

 

图2   复兴号动车组轮轴制造技术攻关

首次构建完善的轮轴产品质量控制体系，同步升级各环节制造装备，实现信息化管理和质量追溯，保证了高铁自主化轮轴产品质量稳定性和一致性。

4. 提出轮轴材料塑性应变累积诱导组织转变的相场模型，深化铁路轮轴基础理论研究，推动了铁路轮轴技术发展。   

通过轮轴受力分析、疲劳裂纹萌生及扩展规律、裂纹损伤容限方面的基础研究，提出轮轴材料塑性应变累积诱导组织转变的相场等模型，深化铁路轮轴基础理论研究的同时，完善了轮轴可靠性试验技术，推动了铁路轮轴技术发展。

5. 建立世界先进的轮轴综合检测评估试验平台，形成了涵盖轮轴材料检测、结构强度评定及综合性能评估的自主技术标准体系。

首次建立了集轮轴三坐标、无损检测、实物疲劳和1:1滚动台等大型试验设备于一体的综合测试验证平台，首次构建了适合我国高铁实际的自主标准体系。

二、项目评价

项目实现了我国高铁轮轴自主化，在复兴号动车组上服役的轮轴，先后在京广、武广、京哈等主要线路完成了累计千余万公里实车验证，随车成功开展了时速453公里高速试验。

三、成果及效益

经济效益方面，自主化轮轴逐步进入市场，有力降低了采购及运维成本，有效提高了动车组轮轴运用维护效率；社会效益方面，打破了国外技术垄断，有效化解了“卡脖子”风险，筑牢了我国铁路高端装备产业链供应链安全防线，实现自主可控。