坐過那麼多次高鐵，你知道高鐵車輪有多難造嗎？_風聞

作者| 一聞，鋼鐵行業研究人員

　　什麼是當下中國最亮眼的國家名片？高鐵在其中絕對不會缺席。

　　去年，“復興號”列車在京滬高鐵實現350公里時速運營，中國成為世界上高鐵商業運營速度最快的國家，今年7月1日開始，全國鐵路實行新的運行圖，“復興號”高鐵列車的投放比例進一步增加，長編組“復興號”動車組列車也首次在京滬高鐵亮相。

　　被譽為金名片的中國高鐵，能夠平穩跑出350公里的時速，離不開高質量車輪的支撐，高鐵車輪就像一雙“跑鞋”，為高鐵飛騰插上了翅膀。

　　高鐵車輪是世界上公認的技術要求高、生產難度大的尖端產品，此前中國一直依賴進口。經過近些年的努力攻關，目前 “藍海豚”和“金鳳凰”兩款型號的“復興號”高鐵車輪都實現了中國製造，改寫了國外廠家壟斷中國高鐵車輪市場的歷史。

“復興號”高鐵

（一）火車車輪的運行，就是一個搭起小車託着大車跑的過程

　　與汽車不同，火車是沒有方向盤的，那麼它是如何前進甚至實現拐彎的呢？主要靠轉向架。

　　當車輛以一定速度開始進入曲線時，前輪對的外輪輪緣與外軌的內側面接觸，互相擠壓產生導向力，並由導向力引起導向力矩，使轉向架相對線路產生轉動。

　　轉向架實際上就是一個構架+兩對車輪組成的“小車”，火車車廂就趴在這個“小車”上，通過“小車”實現一定程度的轉動。每節火車車廂下面有兩個這樣的“小車”，共同托起大火車，奔馳在鐵軌上。

　　不過，由於轉向架安裝在車廂下面，通常我們很難看到它長什麼樣。

兩對車輪和一個構架組成的火車轉向架托起了車廂

　　鐵路軌距是固定的，在曲線上外軌長、內軌短。當火車的輪對通過曲線時，輪對向外移動後，外軌與車輪接觸點的直徑大，走行距離長，內軌與車輪接觸點的直徑小，走行距離短，這樣便可以順利通過曲線。

　　整個轉向架中唯一與鐵軌接觸的就是車輪，它們把車輛承受的載荷傳遞到鋼軌，在機車制動時又承受閘瓦的作用，因而車輪在複雜應力的狀態下工作。而且，輪軌間的作用力是以速度的平方增長的，當列車速度由120 km/小時提高到220 km／小時、300 km／小時時，輪軌作用力分別增大3倍、6倍。

　　在時速超過300公里的情況下，高鐵車輪的工作環境和承受的壓力可想而知，車輪質量直接關係着列車的運行安全和旅客生命財產的安全。1998年，德國ICE-1高速列車脱軌，造成101人死亡、105人受傷，究其原因，正是由於車輪不過關導致。

列車車輪外鋼圈因疲乏爆裂是引發德國高速列車脱軌事故的主因

　　剝離、磨損和熱裂是火車車輪失效的三大主要原因，對高鐵車輪來説，剝離缺陷尤為突出。

　　在高速運行條件下，快速啓動和制動以及車輪運行過程中的滾滑現象都會導致車輪踏面（車輪與車軌的接觸面）的表層受到極為劇烈的熱影響。當滑動摩擦劇烈時，可使踏面表面温度上升1000℃以上，導致踏面表面剝離缺陷的產生，踏面表面不平順度提高，進而加劇輪軌間振動，對線路、車輛都產生不良影響，所產生的輪軌噪聲還構成環境問題。

車輪踏面剝離缺陷

（二）高鐵車輪技術：不申報專利、不發表論文、不接受交流參觀

　　自1963年全球首列時速210km的高速列車在日本投運以來，高速列車在日本、法國、德國、英國、荷蘭、比利時等國快速發展。1989年，法國的TGV高速列車最高試驗運行速度已達515.3公里/小時。

　　與高速列車的發展同步，高鐵車輪的生產技術也得到飛速發展。到20世紀末，高鐵車輪生產技術在國際上已是成熟技術，由法國、日本、德國、意大利的四家公司壟斷。

　　高鐵車輪生產的關鍵是保證鐵路運輸的安全性。在高速條件下，隨着速度效應的增強和制動方式的變化，車輪的受力狀態較之常規使用條件發生很大變化，助長了在疲勞條件下極小缺陷的發展，小至0.2mm的內部缺陷都有可能在運行過程中導致疲勞裂紋的萌生。

　　新的使用條件對車輪的外形結構和內在質量都提出了更高的要求，為保證列車運行安全，高鐵車輪必須具有更高的強韌性、耐磨性、抗熱裂性、抗疲勞性、抗剝離性。

　　要想車輪質量好，首先車輪鋼的質量要好。車輪鋼用電爐或轉爐冶煉後，要經爐外精煉後再連鑄成圓坯，車輪鋼潔淨度要求很高，氫含量需在百萬分之二以下；對夾雜物級別要求也很嚴格，要求雜質含量極低且分佈均勻。

國外高鐵車輪鋼的化學成分

　　一般來説，高鐵車輪都是用模鍛——軋製的方法制造。車輪鋼材坯經鋸切、鍛軋、熱處理、機加工等若干工序後，製造出車輪成品，然後進行超聲波檢測、磁粉檢測、靜平衡測量、噴丸強化、硬度測量、全尺寸測量等全方位嚴格檢測。所有檢測合格，方可出廠。

高鐵車輪生產線

高鐵車輪鍛造

　　鑑於高鐵車輪生產的難度之高，相關國家和企業都將高鐵車輪技術列為戰略性核心技術高度保密，堅持“不申報專利、不發表論文、不接受交流參觀”的三不政策，以防外界獲取相關技術的蛛絲馬跡。也正是因此，四大高鐵車輪製造巨頭得以長期壟斷全球市場，並按高於普通車輪十餘倍的價格出口產品。

（三）中國高鐵車輪，從進口到出口

　　如今的中國高鐵是世界鐵路領域的標杆，不僅擁有全球最長、密度最大的高鐵網絡，而且在2017年創造了605公里/小時的全球高鐵試驗速度紀錄，擁有了世界上最快的高鐵。但是很少有人記得，多年前，中國火車車輪是全部依賴進口的。直到上世紀60年代，中國先後成功軋製出第一個車輪輪箍和輾鋼整體車輪，結束了中國只能用“洋箍、洋輪”的歷史。

　　之後，伴隨高速鐵路的發展，中國又先後開發出KKD快速車輪和CL50材質高速車輪，CL50材質高速車輪在270公里/小時“中華之星”高速試驗列車上安全運用60餘萬公里，最高時速達321.5公里。“純中國血統”的中國車輪開始展露鋒芒，也從此不再受制於人。

2002年，裝配國產車輪的“中華之星”創下了321.5公里/小時的速度紀錄

　　而進入新時代，高速列車成為中國走向世界的戰略性高端裝備產業，但車輪進口導致的知識產權問題，以及進口車輪服役過程中暴露出的多邊形、壽命短等問題影響到高鐵的運行安全和使用成本，嚴重製約了中國高鐵“走出去”。

　　為全面掌握高鐵關鍵裝備的核心技術，2014年 “動車組關鍵技術自主創新深化研究——時速350公里中國標準動車組輪軸設計研究”重大課題正式立項，其中車輪開發是項目的重點。通過大量關鍵技術的突破與創新，中國最終開發出了一種中碳Si-V微合金化D2材質車輪。

　　特別是針對進口車輪服役過程中突出的多邊形問題，D2車輪在確保韌性指標的前提下提高了材料硬度和相變點，並匹配複合熱處理技術，使得車輪在硬度水平、抗熱損傷性能、抗磨損性能等方面均好於進口ER8材質車輪。

　　與國外產品相比，國產高鐵車輪在材料設計、冶金質量、綜合性能、檢測技術、智能製造方面明顯優於同類進口產品，達到國際先進水平。國產高鐵車輪還先後通過了德鐵、韓國等市場資質認證，並出口韓國、印度、德國等國家，實現了從依賴進口到對外出口的華麗轉變。

　　2015年，D2車輪裝配於“藍海豚”和“金鳳凰”中國標準動車組；2016年7月15日，裝配着國產高鐵車輪的中國標準動車組，完成時速超420公里的世界最高速動車組交會、重聯試驗，跑出讓世界驚歎的每秒“飛行”117米的“中國速度”；2017年1月，國產高鐵車輪順利通過60萬公里裝車運用，目前已安全運用超過100萬公里。

國產D2車輪

　　高鐵車輪實現國產化，不僅降低了中國鐵路企業的採購成本，使進口車輪每件採購價格降低了一半，而且打破了現有高鐵車型因採用進口車輪而不能用於出口的瓶頸約束，有效支撐了中國高鐵產業的發展。

結語

　　中國製造在全球高鐵領域已經成為公認的領頭羊，無論是高鐵技術還是製造能力都首屈一指，成為中國高端產業走向世界的“金名片”。以車輪為代表的部分關鍵零部件的100%國產化，必將讓中國高鐵這張“金名片”更加閃亮。