軌道交通重型內(nèi)燃機車大型薄壁轉(zhuǎn)向架鑄鋼件的研制與應(yīng)用

原創(chuàng) 李敏，等中鑄協(xié)鑄鋼委

1. 引言

隨著科技的迅速發(fā)展，內(nèi)燃機車的行駛速度和承載能力顯著提高，其安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟性也日益重要起來。轉(zhuǎn)向架，即內(nèi)燃機車車頭底盤，是鐵道車輛上最重要的部件之一，它直接承載車體自重和載重，引導(dǎo)車輛沿鐵路軌道運行，保證車輛順利通過彎道，并具有減緩來自車輛運行時帶來震動和沖擊的作用，因此轉(zhuǎn)向架的安全性和穩(wěn)定性也直接決定了車輛的安全性和穩(wěn)定性。

目前世界上應(yīng)用的轉(zhuǎn)向架有兩種，一種是采用鉚焊的方式，將鑄件或者結(jié)構(gòu)件焊接成型的轉(zhuǎn)向架，其造價高昂，且因為抗焊接疲勞性能較差，服役時間受限，一般在5年左右；而采用整體鑄造成型的轉(zhuǎn)向架，生產(chǎn)成本低，但是由于整體鑄造，具有較好的強度、優(yōu)良的抵抗沖擊性能、應(yīng)力分布均勻、良好的柔韌性和減震性能，服役時間大大延長，一般為20年左右。美國通用電氣軌道交通公司（以下簡稱GET）生產(chǎn)的內(nèi)燃機車車頭是世界上最先進的，普遍采用整體鑄造轉(zhuǎn)向架，目前北美、歐洲的內(nèi)燃機車均采用這種機車車頭，如圖1所示。

圖1 GET生產(chǎn)的大馬力內(nèi)燃機車車頭

由于整鑄轉(zhuǎn)向架制造難度大、工藝復(fù)雜，國內(nèi)目前還沒有廠家生產(chǎn)，重載機車用整鑄轉(zhuǎn)向架屬于國內(nèi)空白。國內(nèi)主要的機車生產(chǎn)均采用結(jié)構(gòu)焊的轉(zhuǎn)向架。如果能夠解決整鑄轉(zhuǎn)向架的鑄造關(guān)鍵技術(shù)問題，掌握重載機車用整鑄轉(zhuǎn)向架的生產(chǎn)技術(shù)，將來能夠服務(wù)于國內(nèi)重型內(nèi)燃機車，對于盡快實現(xiàn)鐵路貨運重載化和快速化的目標有十分重要的意義。

整體鑄造的轉(zhuǎn)向架是目前制約大馬力內(nèi)燃機車發(fā)展的主要影響因素。由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性帶來鑄造工藝的復(fù)雜性，很多鑄造技術(shù)關(guān)鍵問題仍未解決，形成的大量缺陷只能通過焊補的方式消除，不能保證鑄件的原始質(zhì)量，而且生產(chǎn)周期較長，生產(chǎn)成本居高不下。轉(zhuǎn)向架部件已經(jīng)成為制約GET內(nèi)燃機車發(fā)展的瓶頸問題。

國外在整鑄轉(zhuǎn)向架的研究起步較早，目前也形成了批量生產(chǎn)，但是產(chǎn)品的質(zhì)量也不是全部靠工藝保證的，很大程度上需要后續(xù)的精整修復(fù)過程保證質(zhì)量符合GET的采購質(zhì)量要求。國內(nèi)在整鑄轉(zhuǎn)向架方面的研究也很少，GET在全球僅有極少數(shù)供應(yīng)商可以生產(chǎn)整鑄轉(zhuǎn)向架。

福鞍研發(fā)的整鑄轉(zhuǎn)向架有三個類型：“標準轉(zhuǎn)向架”、“客貨兩用轉(zhuǎn)向架”、“改進型轉(zhuǎn)向架”三種型號，“標準轉(zhuǎn)向架”（立體圖如圖2所示）服役于貨用機車，設(shè)計較早，技術(shù)相對比較成熟、穩(wěn)定，目前國外供應(yīng)商已有批量生產(chǎn)?！翱拓泝捎棉D(zhuǎn)向架”（立體圖如圖3所示）屬于客貨兩用機車關(guān)鍵零部件，因此其安全性和穩(wěn)定性要求更高，由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，實際造型難度大，下芯難度大，且更容易變形，目前只在福鞍重工研制生產(chǎn)。而最新型號的“改進型轉(zhuǎn)向架”（立體圖如圖4所示），屬于試驗型機車用轉(zhuǎn)向架，基于福鞍重工研制生產(chǎn)的“標準轉(zhuǎn)向架”的高質(zhì)量，國外客戶將全球僅有的首2件“改進型轉(zhuǎn)向架”的訂單放在了福鞍重工進行試制，如果將來裝配后試驗成功，將會完全取代“標準轉(zhuǎn)向架”。

圖2 標準轉(zhuǎn)向架立體草圖

圖3 客貨兩用轉(zhuǎn)向架立體草圖

圖4 改進型轉(zhuǎn)向架立體草圖

2. 整體鑄造轉(zhuǎn)向架的成分設(shè)計

重型大馬力內(nèi)燃機車轉(zhuǎn)向架是內(nèi)燃機車車頭用的關(guān)鍵大型高端部件。轉(zhuǎn)向架整體為中空結(jié)構(gòu)，壁厚不均勻，最薄處13mm，最厚處110mm，成分和性能要求嚴格，需要根據(jù)性能指標進行成分設(shè)計和熱處理工藝優(yōu)化。

轉(zhuǎn)向架采用的材質(zhì)為B級，成分要求如表1所示，性能要求如表2所示。

表1 轉(zhuǎn)向架的化學(xué)成分（wt.%）

C	Si	Mn	P	S	CE
0.15～0.35	0.5～1.5	0.5～0.90	≤0.04	≤0.04	≤0.765

表2 轉(zhuǎn)向架機械性能指標

Rp_0.2

/MPa

/％

硬度

/HBW

AkV

/（-10℃）（J）

≥262

≥482

≥24

≥36

137-208

≥20

根據(jù)轉(zhuǎn)向架的成分范圍和性能要求，我們設(shè)計了內(nèi)控成分要求（如表3所示）。在冶煉時，為了使碳當量滿足要求，要嚴格控制殘余元素含量符合表3要求；為了使氣體含量滿足要求，防止析出性氣孔的出現(xiàn)，需要嚴格控制熔畢碳量、鋼水氣體含量、嚴格遵守終脫氧和白渣出鋼的要求；為了防止鑄件出現(xiàn)嚴重冷隔缺陷，要嚴格控制出鋼溫度。根據(jù)以上要求，形成了《轉(zhuǎn)向架冶煉操作重點》，每爐鋼都嚴格按照該規(guī)范進行冶煉。

表3 轉(zhuǎn)向架內(nèi)控化學(xué)成分（wt.%）

C	Si	Mn	P	S	Cr	Cu	Ni	Mo	Al
0.22～0.25	0.40～0.70	0.75～0.90	-	≤0.015	≤0.25	≤0.25	≤0.15	≤0.10	0.035～0.040

當成分一定時，為了達到要求的性能，必須確定最佳熱處理工藝參數(shù)。為了確定最佳熱處理工藝參數(shù)，進行了A_C1和A_C3溫度點的測定，升溫速率0.05℃/s, 升溫到1000℃，測定結(jié)果如圖5所示。實測A_C1溫度為816.6℃，A_C3溫度為854.3℃。

圖5 熱膨脹曲線

根據(jù)相變點和性能要求，結(jié)合壁厚的特點，確定了轉(zhuǎn)向架的最佳奧氏體化溫度、保溫時間和出爐溫度；為了保證性能的均勻性，采用薄處保溫的方式，盡量做到各處冷卻條件一致。目前按照此熱處理工藝和作業(yè)規(guī)程生產(chǎn)的每件轉(zhuǎn)向架性能都能滿足要求，而且性能指標穩(wěn)定，如表4所示。

表4 福鞍生產(chǎn)的轉(zhuǎn)向架機械性能結(jié)果

Rp_0.2

/MPa

/％

硬度

/HBW

A_KV

/（-10℃）（J）

295～325

495～530

31～37

55～63

145～165

35～60

3. 鑄造工藝參數(shù)優(yōu)化

整鑄轉(zhuǎn)向架內(nèi)部質(zhì)量要求射線檢查，關(guān)鍵區(qū)域按照ASTM E446，E186中的4級要求驗收，非關(guān)鍵區(qū)域按照5級驗收。按照ASTM E-709進行磁粉探傷，表面不能有線性顯示或其他超標宏觀缺陷。由于轉(zhuǎn)向架壁薄且不均勻，不利于補縮；為中空箱體框架結(jié)構(gòu)，不利于排氣，凝固時容易產(chǎn)生裂紋，因此鑄造缺陷如冷隔、氣孔、裂紋、粘砂較多。如何消除內(nèi)部超標缺陷、提高表面質(zhì)量、提高尺寸精度、減少焊補量和矯形，是批量生產(chǎn)此類鑄件的關(guān)鍵技術(shù)所在。

從以上質(zhì)量要求出發(fā)，結(jié)合轉(zhuǎn)向架自身的結(jié)構(gòu)特點，進行了整鑄轉(zhuǎn)向架的鑄造工藝設(shè)計，包括：金屬型模具結(jié)構(gòu)參數(shù)、鑄造變形量、結(jié)構(gòu)尺寸收縮率、排氣系統(tǒng)、防止裂紋工藝措施、冒口尺寸設(shè)計、準確測量鑄件型腔的設(shè)計。利用世界先進的Magma模擬軟件，對轉(zhuǎn)向架鑄造工藝的流動場、溫度場以及缺陷分布情況進行模擬分析，模擬結(jié)果如圖6所示。通過反復(fù)優(yōu)化和實踐驗證，確定了最佳鑄造工藝參數(shù)。

圖6 缺陷分布模擬結(jié)果

從圖6-3的缺陷分布模擬結(jié)果來看，絕大部分的鑄造缺陷位于冒口中，少量零星分布于轉(zhuǎn)向架本體上，符合射線探傷驗收標準。實際生產(chǎn)中，利用此鑄造工藝制作的轉(zhuǎn)向架，首次就通過了射線檢測，再次說明了鑄造工藝設(shè)計得合理、可靠。

4. 矯直熱處理工藝研究

根據(jù)規(guī)范要求，轉(zhuǎn)向架的形位尺寸公差為±1.5mm，毛坯公差執(zhí)行ISO8062 CT13級，對于這種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁厚不均的箱式結(jié)構(gòu)鑄件，公差要求十分嚴格。由于過程的復(fù)雜性和生產(chǎn)條件的局限性，該種鑄件很容易產(chǎn)生扭曲變形，當變形量較大時必須矯正。傳統(tǒng)的矯形方法是利用矯形機進行冷矯形，冷矯形后進行烘烤、焊接拉筋，并進熱處理爐進行消應(yīng)力。這種常規(guī)矯形方法過程復(fù)雜，矯形成本也較高。且在矯形后熱處理前，鑄件溫度與環(huán)境溫度差比較大，加熱或冷卻時容易產(chǎn)生應(yīng)力，影響鑄件質(zhì)量。

利用ANSYS軟件，進行鑄造應(yīng)力、熱處理應(yīng)力分布模擬。掌握了轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)過程中的變形趨勢和影響變形的主要因素。模擬結(jié)果如圖7所示。

圖7 應(yīng)力分析圖

圖7的應(yīng)力分析結(jié)果表明，轉(zhuǎn)向架受力最大處為封閉端，當開口端有拉筋時，容易發(fā)生扭曲變形，這和實際生產(chǎn)驗證結(jié)果一致。為了控制變形，一方面從影響變形的因素出發(fā)，提出了減小轉(zhuǎn)向架變形的工藝方法，并形成操作規(guī)范，在實際生產(chǎn)中嚴格遵守，使得變形情況降低到最??；另一方面，根據(jù)轉(zhuǎn)向架的特殊結(jié)構(gòu)，對于不可控變形，發(fā)明了專用矯直工藝，并設(shè)計了專用托架。為了防止熱處理過程中的變形，對裝爐位置、升溫速度、保溫條件、降溫速度、出爐溫度和冷卻環(huán)境等制定了兼顧性能和尺寸精度的優(yōu)化熱處理工藝方案，形成了《轉(zhuǎn)向架熱處理作業(yè)規(guī)程》。該種矯直熱處理工藝不但保證了尺寸精度，而且節(jié)省了矯形成本，縮短了生產(chǎn)周期。此外該種矯形方式還避免了鑄件在環(huán)境溫度下產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力的缺點。

5. 研發(fā)結(jié)果應(yīng)用情況

通過成分設(shè)計、熱處理工藝優(yōu)化、鑄造工藝參數(shù)優(yōu)化、矯直工藝優(yōu)化，轉(zhuǎn)向架的原始質(zhì)量不斷提高和穩(wěn)定。采用該工藝生產(chǎn)的轉(zhuǎn)向架，性能指標、尺寸精度完全符合客戶要求，射線探傷也一次通過。由于質(zhì)量穩(wěn)定、交付及時、價格合理，GET給予了充分肯定并加大了采購量。福鞍重工生產(chǎn)的轉(zhuǎn)向架質(zhì)量達到了國際先進水平，競爭優(yōu)勢十分明顯。

批量生產(chǎn)的關(guān)鍵在于鑄造，福鞍重工經(jīng)過兩年的努力，已經(jīng)形成了從鑄造、精整到加工、裝配的專用生產(chǎn)線，轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)線關(guān)鍵工序如圖8所示。

圖8-1 加工車間圖8-2 裝配車間

圖8-3 檢查車間圖8-4庫存車間

福鞍重工生產(chǎn)的轉(zhuǎn)向架在2012年通過了美國鐵路協(xié)會AAR認證，并連續(xù)通過了焊接、熱處理和無損探傷的TPG審核；《GE軌道內(nèi)燃機車用轉(zhuǎn)向架》于2012年被授予國家火炬計劃產(chǎn)業(yè)化示范項目；2013年福鞍重工被GET授予“新興高速成長獎”；2014年申報的《軌道交通重型大馬力內(nèi)燃機車轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)及產(chǎn)業(yè)化》項目已在遼寧省重大專項上順利立項；在第12屆中國國際鑄造博覽會上展品《重型大馬力機車整體鑄造轉(zhuǎn)向架》榮獲優(yōu)質(zhì)鑄件金獎。轉(zhuǎn)向架項目的研發(fā)已經(jīng)獲得成功，其生產(chǎn)制造技術(shù)目前已獲得7項國家專利。

整體鑄造轉(zhuǎn)向架作為內(nèi)燃機車轉(zhuǎn)向架未來發(fā)展的方向，也是為GET創(chuàng)造高附加值利潤的主打產(chǎn)品。福鞍重工也在進行二期廠房改造、新建新增設(shè)備和人員，繼續(xù)擴大生產(chǎn)，增加生產(chǎn)能力，保證高質(zhì)量批量生產(chǎn)的交貨。

目前，美國、俄羅斯、印度、巴西、沙特、伊朗、越南等國家和地區(qū)，也陸續(xù)推出了軌道交通建設(shè)及設(shè)備更新?lián)Q代計劃。按照歐洲鐵路行業(yè)協(xié)會（UNIFE）等機構(gòu)分析預(yù)測，到2015年，全球軌道交通裝備市場將保持年均3%的增長，年均需求達1000多億歐元。隨著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展和城市化進程加快，我國軌道交通在未來5～10年仍將保持較快發(fā)展，為軌道交通裝備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了較大的市場空間^[1]。福鞍重工生產(chǎn)的整鑄轉(zhuǎn)向架如果能夠應(yīng)用于國內(nèi)機車，產(chǎn)品制造技術(shù)將填補國內(nèi)空白，帶動行業(yè)進步，可以為國內(nèi)鐵路運輸重載化和快速化的發(fā)展提供可靠的技術(shù)支持，市場前景將十分廣闊。

參考文獻：

1.軌道交通裝備產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃，第2頁

本文作者：李敏，高級工程師，現(xiàn)任遼寧福鞍重工股份有限公司總工程師，被中國鑄造協(xié)會評為“全國優(yōu)秀巾幗鑄造工作者”、“全國卓越鑄造工程師”。兼任中國鑄造協(xié)會鑄鋼工作委員會副主任、遼寧省機械工程學(xué)會鑄造分會副理事長、遼寧省綜合專家?guī)鞂＜?、遼寧省鑄造行業(yè)專家。從事鑄造工作30余年，主持國家火炬項目、遼寧省科技計劃、遼寧省科技創(chuàng)新重大專項等省部級項目6項。開發(fā)的多個大型鑄鋼產(chǎn)品連續(xù)多年獲得“中國國際鑄造博覽會（北京）”金獎、特殊金獎。參與著作編寫1部、制定協(xié)會標準1項，取得發(fā)明專利6項，實用新型8項，發(fā)表論文4篇。

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