高速列車貼地而“飛”，離不開“風(fēng)火輪”——高速車輪，它直接影響高鐵的安全性與舒適性，是世界公認(rèn)技術(shù)要求高、生產(chǎn)難度大的車輪尖端產(chǎn)品。
如今，中國研制的高鐵車輪不僅用于國內(nèi)高鐵，還出口海外。
7月24日，又傳來一則令人振奮的消息：G6410次復(fù)興號列車駛?cè)腴L沙南站，穩(wěn)穩(wěn)?？吭谡九_，整車裝用復(fù)興號動車組上的國產(chǎn)高速車輪實(shí)現(xiàn)安全服役60萬公里的階段目標(biāo)。
高速車輪研發(fā)究竟難在哪兒？經(jīng)歷了怎樣的艱辛過程？日前，記者探訪掌握了一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的輪軸生產(chǎn)制造核心技術(shù)的中國寶武旗下馬鞍山鋼鐵股份有限公司。
核心技術(shù)是買不來的
2006年，從東北大學(xué)畢業(yè)的趙海來到馬鋼實(shí)習(xí)。第二年，就趕上一件大事：首列時速300公里國產(chǎn)CRH2－300型和諧號動車組列車問世，中國自此有了自己的高鐵。
當(dāng)時，中國已掌握動車組列車的總成、車體、轉(zhuǎn)向架、牽引電機(jī)、牽引變壓器、牽引變流器、牽引控制、列車網(wǎng)絡(luò)控制和制動系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)及10項(xiàng)主要配套技術(shù)，構(gòu)建起國產(chǎn)動車組系列產(chǎn)品技術(shù)平臺，但仍有關(guān)鍵技術(shù)尚未突破。
在中國鐵路大提速背景下，2008年，由科技部、原鐵道部共同組織實(shí)施并啟動“十一五”國家科技支撐計(jì)劃“中國高速列車關(guān)鍵技術(shù)研究及裝備研制”重大項(xiàng)目，高速車輪就是其中之一。
在1963年和1964年，馬鋼先后成功軋制出中國第一件輪箍和輾鋼整體車輪，結(jié)束了中國只能用“洋箍”“洋輪”的歷史。作為新中國最早生產(chǎn)火車車輪的企業(yè)，馬鋼肩負(fù)起高速車輪研發(fā)重任。
對馬鋼來說，盡管有普通列車車輪生產(chǎn)基礎(chǔ)，但生產(chǎn)高速車輪，一切都得從頭來。
據(jù)悉，一節(jié)高鐵車廂重達(dá)五六十噸，每一對車輪需要長期承受十幾噸的往復(fù)循環(huán)載荷，還要保證在復(fù)雜條件下高速安全運(yùn)行，這對車輪的純凈度、韌性、硬度、精度等都有嚴(yán)苛的技術(shù)要求，與制造普通火車車輪難度不可同日而語。
“高速車輪是高技術(shù)、高質(zhì)量和高風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)品，也是高速列車系統(tǒng)中公認(rèn)的‘塔尖’產(chǎn)品，相關(guān)國家和企業(yè)堅(jiān)持‘不申報(bào)專利、不發(fā)表論文、不接受交流參觀’，沒有任何經(jīng)驗(yàn)可以借鑒?！壁w海已成長為馬鋼技術(shù)中心首席研究員，“核心技術(shù)是買不來的，創(chuàng)新不是一蹴而就的，我們靠自己的智慧和雙手去拼出一片新天地。如今，馬鋼在高速車輪設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、檢測評價(jià)等方面，擁有一批自主知識產(chǎn)權(quán)?！?
從眾多排列組合中尋找答案
高速車輪是一種碳素微合金鋼制品，無論是鋼材配方還是工藝控制，參數(shù)調(diào)整牽一發(fā)而動全身。任何一點(diǎn)成分和溫度的微小變化都會引發(fā)性能的改變，進(jìn)而影響成品質(zhì)量?！把邪l(fā)人員要從眾多工藝的排列組合中找出答案?！壁w海說。
中國幅員遼闊，地域溫差大，這給高速車輪研發(fā)提出了更高要求——高速列車要行駛在復(fù)雜多變的環(huán)境中，車輪材料硬度要高，壽命才能更長；同時還要保證韌性，滿足不同氣候環(huán)境下的行車安全。趙海說：“只能靠反復(fù)摸索，我們把市面上見到的高速車輪反復(fù)分析配方、性能，做實(shí)驗(yàn)、找差距，在此過程中研發(fā)團(tuán)隊(duì)建立起對高速車輪標(biāo)準(zhǔn)體系的認(rèn)知?！?
2010年，馬鋼研發(fā)的D1高速車輪在時速200—250公里和諧號動車組上實(shí)現(xiàn)小批量裝車試驗(yàn)，完成了64萬公里運(yùn)用考核，表現(xiàn)優(yōu)異。
研發(fā)的腳步始終沒有停下。隨著中國高鐵再次提速，2014年，時速350公里的中國標(biāo)準(zhǔn)動車組輪軸設(shè)計(jì)研究啟動，馬鋼重點(diǎn)負(fù)責(zé)車輪開發(fā)。
經(jīng)過多年歷練，趙海成長為車輪研發(fā)團(tuán)隊(duì)骨干和青年技術(shù)帶頭人。在老一輩科研人員的精心指導(dǎo)下，趙海和團(tuán)隊(duì)成員起早貪黑開展上百次試驗(yàn)。爐臺前、熱處理操作室、機(jī)加工現(xiàn)場，到處可以看到他們忙碌的身影。
有了D1材質(zhì)車輪的基礎(chǔ)，這次研發(fā)進(jìn)程順利很多。8個月，團(tuán)隊(duì)就完成了材料研發(fā)和關(guān)鍵制造工藝設(shè)計(jì)，開發(fā)的時速350公里D2材質(zhì)車輪通過權(quán)威機(jī)構(gòu)檢測，綜合性能優(yōu)于進(jìn)口ER8材質(zhì)車輪。
通過檢測后，接下來要進(jìn)行的是60萬公里裝車考核。大西線、鄭徐線、哈大線……為了考察車輪的適應(yīng)性，要在國內(nèi)不同的線路上試驗(yàn)。車跑到哪兒，“趙海們”就跟到哪兒。
60萬公里的跟蹤考察讓他們掌握了高速車輪的關(guān)鍵應(yīng)用數(shù)據(jù)，“趙海們”發(fā)表了多篇論文?？疾旖Y(jié)果顯示，馬鋼高速車輪性能優(yōu)異，表現(xiàn)穩(wěn)定。
2017年1月，馬鋼時速350公里高速車輪獲得CRCC（中鐵檢驗(yàn)認(rèn)證中心）認(rèn)證，成為國內(nèi)第一家具備高速車輪商業(yè)化資質(zhì)的企業(yè)，中國在高速車輪產(chǎn)品和技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了完全自主可控。
經(jīng)過論證，2021年馬鋼高速車輪獲準(zhǔn)在復(fù)興號高鐵上擴(kuò)大運(yùn)用測評。這次測評，主機(jī)廠提出了加嚴(yán)要求。研發(fā)人員對高速車輪全流程生產(chǎn)工序進(jìn)行梳理，發(fā)現(xiàn)熱處理工序是提升產(chǎn)品性能的瓶頸，并設(shè)計(jì)出多套熱處理試驗(yàn)方案，組織生產(chǎn)試驗(yàn)。經(jīng)性能數(shù)據(jù)對比，優(yōu)選最佳工藝方案，產(chǎn)品達(dá)到主機(jī)廠的加嚴(yán)要求。
經(jīng)馬鋼和第三方機(jī)構(gòu)檢驗(yàn)，新工藝國產(chǎn)化高速車輪合格率100%！
“車輪是高鐵上安全風(fēng)險(xiǎn)最高的零部件，其跟蹤驗(yàn)證周期漫長?！壁w海說。按照國鐵集團(tuán)統(tǒng)一部署，馬鋼高速車輪先裝配在綜合檢測車進(jìn)行考核驗(yàn)證，也就是每天發(fā)出的第一輛在高鐵線路上空載運(yùn)行的車輛，待累積安全行駛一定公里數(shù)后，再批量整車裝配載客運(yùn)營車上運(yùn)行。
向輪軸領(lǐng)軍企業(yè)邁進(jìn)
今年元旦，整列裝用國產(chǎn)高速車輪的復(fù)興號長編組動車組從武漢站駛向天津，馬鋼高速車輪就此進(jìn)入中國高鐵整列小批量裝車應(yīng)用階段。
期間，每次高速列車夜間入庫都要對車輪全數(shù)進(jìn)行狀態(tài)檢查，每10萬公里都要對高速車輪進(jìn)行超聲波探傷檢查和磨耗測量。
“這是進(jìn)入批量商業(yè)化運(yùn)用階段前的‘終極考驗(yàn)’?！睂毼漶R鋼軌交材料科技有限公司（簡稱馬鋼交材）技術(shù)中心首席工程師魯松介紹，7月，已有整車裝用復(fù)興號動車組上的國產(chǎn)高速車輪實(shí)現(xiàn)安全服役60萬公里的階段目標(biāo)。
投入上百名研發(fā)人員、進(jìn)行幾十輪工業(yè)試驗(yàn)、實(shí)施多輪技術(shù)改造，馬鋼獲得100多項(xiàng)專利，研發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高速車輪。
跟隨魯松的腳步，記者來到馬鋼科技展示廳。大小各異的軌道交通用車輪模型排成一列，燈光勾勒出復(fù)興號的形狀。低地板彈性車輪、350公里復(fù)興號高速車輪、和諧3型動力機(jī)車輪……這里，最小車輪模型直徑580毫米，最大車輪模型直徑1250毫米，車輪閃著耀眼的光，似在講述這家鋼鐵企業(yè)在中國車輪發(fā)展史上的光輝歷程。
“我們是制造業(yè)單項(xiàng)冠軍示范企業(yè)，綜合研發(fā)制造能力處于世界先進(jìn)水平，產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)譜系全覆蓋，出口全球70多個國家和地區(qū)?！濒斔山榻B。
對馬鋼的科研人員來說，這些成果更像一種激勵。高速車輪的研發(fā)還有很多課題，比如，國產(chǎn)車輪能否支撐中國高鐵再提速？
這正是趙海眼下的任務(wù)?！拔覀円苍趨⑴c新一代時速400公里高速車輪研發(fā)工作。從時速350公里到400公里，最關(guān)鍵的技術(shù)不是能不能跑起來，而是能不能停得住、停得穩(wěn)、停得準(zhǔn)?！壁w海說，“很幸運(yùn)趕上了中國高鐵發(fā)展黃金期，親眼見證并參與國產(chǎn)高速車輪從無到有的進(jìn)程，希望能為中國高鐵發(fā)展貢獻(xiàn)更多力量?！?
再如，“雙碳”目標(biāo)下，如何在車輪制造過程中持續(xù)減碳？“車輪產(chǎn)品生產(chǎn)流程很長，從鐵礦石開采到煉鐵、煉鋼，再到車輪制造，以及后續(xù)運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)，都有能源消耗和碳排放，‘碳足跡’復(fù)雜?！濒斔烧f。
為此，馬鋼協(xié)同上下游采用“鏈長式”低碳管理模式，從降碳設(shè)計(jì)頂層規(guī)劃入手，進(jìn)行產(chǎn)品全生命周期低碳路徑管控，成功開發(fā)出低碳45噸軸重重載車輪，實(shí)現(xiàn)制造全流程降碳20%以上，產(chǎn)品獲得海外客戶認(rèn)可。
面對城市地鐵噪聲擾民難題，馬鋼研發(fā)出適用于地鐵車輛的組合式彈性車輪，率先在合肥地鐵實(shí)現(xiàn)載客運(yùn)行，為城市軌道交通提供了綠色、低噪音的新方案。
魯松表示，以用戶體驗(yàn)為關(guān)注焦點(diǎn)，堅(jiān)持創(chuàng)新驅(qū)動，推動輪軸產(chǎn)業(yè)升級，向輪軸產(chǎn)業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)邁進(jìn)，是他們接下來的目標(biāo)。