轨道交通重型内燃机车大型薄壁转向架铸钢件的研制与应用

原创李敏，等中铸协铸钢委

1. 引言

随着科技的迅速发展，内燃机车的行驶速度和承载能力显著提高，其安全性、稳定性和经济性也日益重要起来。转向架，即内燃机车车头底盘，是铁道车辆上最重要的部件之一，它直接承载车体自重和载重，引导车辆沿铁路轨道运行，保证车辆顺利通过弯道，并具有减缓来自车辆运行时带来震动和冲击的作用，因此转向架的安全性和稳定性也直接决定了车辆的安全性和稳定性。

目前世界上应用的转向架有两种，一种是采用铆焊的方式，将铸件或者结构件焊接成型的转向架，其造价高昂，且因为抗焊接疲劳性能较差，服役时间受限，一般在5年左右；而采用整体铸造成型的转向架，生产成本低，但是由于整体铸造，具有较好的强度、优良的抵抗冲击性能、应力分布均匀、良好的柔韧性和减震性能，服役时间大大延长，一般为20年左右。美国通用电气轨道交通公司（以下简称GET）生产的内燃机车车头是世界上最先进的，普遍采用整体铸造转向架，目前北美、欧洲的内燃机车均采用这种机车车头，如图1所示。

图1 GET生产的大马力内燃机车车头

由于整铸转向架制造难度大、工艺复杂，国内目前还没有厂家生产，重载机车用整铸转向架属于国内空白。国内主要的机车生产均采用结构焊的转向架。如果能够解决整铸转向架的铸造关键技术问题，掌握重载机车用整铸转向架的生产技术，将来能够服务于国内重型内燃机车，对于尽快实现铁路货运重载化和快速化的目标有十分重要的意义。

整体铸造的转向架是目前制约大马力内燃机车发展的主要影响因素。由于结构的复杂性带来铸造工艺的复杂性，很多铸造技术关键问题仍未解决，形成的大量缺陷只能通过焊补的方式消除，不能保证铸件的原始质量，而且生产周期较长，生产成本居高不下。转向架部件已经成为制约GET内燃机车发展的瓶颈问题。

国外在整铸转向架的研究起步较早，目前也形成了批量生产，但是产品的质量也不是全部靠工艺保证的，很大程度上需要后续的精整修复过程保证质量符合GET的采购质量要求。国内在整铸转向架方面的研究也很少，GET在全球仅有极少数供应商可以生产整铸转向架。

福鞍研发的整铸转向架有三个类型：“标准转向架”、“客货两用转向架”、“改进型转向架”三种型号，“标准转向架”（立体图如图2所示）服役于货用机车，设计较早，技术相对比较成熟、稳定，目前国外供应商已有批量生产。“客货两用转向架”（立体图如图3所示）属于客货两用机车关键零部件，因此其安全性和稳定性要求更高，由于其结构的特殊性，实际造型难度大，下芯难度大，且更容易变形，目前只在福鞍重工研制生产。而最新型号的“改进型转向架”（立体图如图4所示），属于试验型机车用转向架，基于福鞍重工研制生产的“标准转向架”的高质量，国外客户将全球仅有的首2件“改进型转向架”的订单放在了福鞍重工进行试制，如果将来装配后试验成功，将会完全取代“标准转向架”。

图2 标准转向架立体草图

图3 客货两用转向架立体草图

图4 改进型转向架立体草图

2. 整体铸造转向架的成分设计

重型大马力内燃机车转向架是内燃机车车头用的关键大型高端部件。转向架整体为中空结构，壁厚不均匀，最薄处13mm，最厚处110mm，成分和性能要求严格，需要根据性能指标进行成分设计和热处理工艺优化。

转向架采用的材质为B级，成分要求如表1所示，性能要求如表2所示。

表1 转向架的化学成分（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 转向架机械性能指标

Rp_0.2

/MPa

/％

硬度

/HBW

AkV

/（-10℃）（J）

≥262

≥482

≥24

≥36

137-208

≥20

根据转向架的成分范围和性能要求，我们设计了内控成分要求（如表3所示）。在冶炼时，为了使碳当量满足要求，要严格控制残余元素含量符合表3要求；为了使气体含量满足要求，防止析出性气孔的出现，需要严格控制熔毕碳量、钢水气体含量、严格遵守终脱氧和白渣出钢的要求；为了防止铸件出现严重冷隔缺陷，要严格控制出钢温度。根据以上要求，形成了《转向架冶炼操作重点》，每炉钢都严格按照该规范进行冶炼。

表3 转向架内控化学成分（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

当成分一定时，为了达到要求的性能，必须确定最佳热处理工艺参数。为了确定最佳热处理工艺参数，进行了A_C1和A_C3温度点的测定，升温速率0.05℃/s, 升温到1000℃，测定结果如图5所示。实测A_C1温度为816.6℃，A_C3温度为854.3℃。

图5 热膨胀曲线

根据相变点和性能要求，结合壁厚的特点，确定了转向架的最佳奥氏体化温度、保温时间和出炉温度；为了保证性能的均匀性，采用薄处保温的方式，尽量做到各处冷却条件一致。目前按照此热处理工艺和作业规程生产的每件转向架性能都能满足要求，而且性能指标稳定，如表4所示。

表4 福鞍生产的转向架机械性能结果

Rp_0.2

/MPa

/％

硬度

/HBW

A_KV

/（-10℃）（J）

295～325

495～530

31～37

55～63

145～165

35～60

3. 铸造工艺参数优化

整铸转向架内部质量要求射线检查，关键区域按照ASTM E446，E186中的4级要求验收，非关键区域按照5级验收。按照ASTM E-709进行磁粉探伤，表面不能有线性显示或其他超标宏观缺陷。由于转向架壁薄且不均匀，不利于补缩；为中空箱体框架结构，不利于排气，凝固时容易产生裂纹，因此铸造缺陷如冷隔、气孔、裂纹、粘砂较多。如何消除内部超标缺陷、提高表面质量、提高尺寸精度、减少焊补量和矫形，是批量生产此类铸件的关键技术所在。

从以上质量要求出发，结合转向架自身的结构特点，进行了整铸转向架的铸造工艺设计，包括：金属型模具结构参数、铸造变形量、结构尺寸收缩率、排气系统、防止裂纹工艺措施、冒口尺寸设计、准确测量铸件型腔的设计。利用世界先进的Magma模拟软件，对转向架铸造工艺的流动场、温度场以及缺陷分布情况进行模拟分析，模拟结果如图6所示。通过反复优化和实践验证，确定了最佳铸造工艺参数。

图6 缺陷分布模拟结果

从图6-3的缺陷分布模拟结果来看，绝大部分的铸造缺陷位于冒口中，少量零星分布于转向架本体上，符合射线探伤验收标准。实际生产中，利用此铸造工艺制作的转向架，首次就通过了射线检测，再次说明了铸造工艺设计得合理、可靠。

4. 矫直热处理工艺研究

根据规范要求，转向架的形位尺寸公差为±1.5mm，毛坯公差执行ISO8062 CT13级，对于这种结构复杂、壁厚不均的箱式结构铸件，公差要求十分严格。由于过程的复杂性和生产条件的局限性，该种铸件很容易产生扭曲变形，当变形量较大时必须矫正。传统的矫形方法是利用矫形机进行冷矫形，冷矫形后进行烘烤、焊接拉筋，并进热处理炉进行消应力。这种常规矫形方法过程复杂，矫形成本也较高。且在矫形后热处理前，铸件温度与环境温度差比较大，加热或冷却时容易产生应力，影响铸件质量。

利用ANSYS软件，进行铸造应力、热处理应力分布模拟。掌握了转向架生产过程中的变形趋势和影响变形的主要因素。模拟结果如图7所示。

图7 应力分析图

图7的应力分析结果表明，转向架受力最大处为封闭端，当开口端有拉筋时，容易发生扭曲变形，这和实际生产验证结果一致。为了控制变形，一方面从影响变形的因素出发，提出了减小转向架变形的工艺方法，并形成操作规范，在实际生产中严格遵守，使得变形情况降低到最小；另一方面，根据转向架的特殊结构，对于不可控变形，发明了专用矫直工艺，并设计了专用托架。为了防止热处理过程中的变形，对装炉位置、升温速度、保温条件、降温速度、出炉温度和冷却环境等制定了兼顾性能和尺寸精度的优化热处理工艺方案，形成了《转向架热处理作业规程》。该种矫直热处理工艺不但保证了尺寸精度，而且节省了矫形成本，缩短了生产周期。此外该种矫形方式还避免了铸件在环境温度下产生内应力的缺点。

5. 研发结果应用情况

通过成分设计、热处理工艺优化、铸造工艺参数优化、矫直工艺优化，转向架的原始质量不断提高和稳定。采用该工艺生产的转向架，性能指标、尺寸精度完全符合客户要求，射线探伤也一次通过。由于质量稳定、交付及时、价格合理，GET给予了充分肯定并加大了采购量。福鞍重工生产的转向架质量达到了国际先进水平，竞争优势十分明显。

批量生产的关键在于铸造，福鞍重工经过两年的努力，已经形成了从铸造、精整到加工、装配的专用生产线，转向架生产线关键工序如图8所示。

图8-1 加工车间图8-2 装配车间

图8-3 检查车间图8-4库存车间

福鞍重工生产的转向架在2012年通过了美国铁路协会AAR认证，并连续通过了焊接、热处理和无损探伤的TPG审核；《GE轨道内燃机车用转向架》于2012年被授予国家火炬计划产业化示范项目；2013年福鞍重工被GET授予“新兴高速成长奖”；2014年申报的《轨道交通重型大马力内燃机车转向架关键技术攻关及产业化》项目已在辽宁省重大专项上顺利立项；在第12届中国国际铸造博览会上展品《重型大马力机车整体铸造转向架》荣获优质铸件金奖。转向架项目的研发已经获得成功，其生产制造技术目前已获得7项国家专利。

整体铸造转向架作为内燃机车转向架未来发展的方向，也是为GET创造高附加值利润的主打产品。福鞍重工也在进行二期厂房改造、新建新增设备和人员，继续扩大生产，增加生产能力，保证高质量批量生产的交货。

目前，美国、俄罗斯、印度、巴西、沙特、伊朗、越南等国家和地区，也陆续推出了轨道交通建设及设备更新换代计划。按照欧洲铁路行业协会（UNIFE）等机构分析预测，到2015年，全球轨道交通装备市场将保持年均3%的增长，年均需求达1000多亿欧元。随着我国国民经济的发展和城市化进程加快，我国轨道交通在未来5～10年仍将保持较快发展，为轨道交通装备产业的发展提供了较大的市场空间^[1]。福鞍重工生产的整铸转向架如果能够应用于国内机车，产品制造技术将填补国内空白，带动行业进步，可以为国内铁路运输重载化和快速化的发展提供可靠的技术支持，市场前景将十分广阔。

参考文献：

1.轨道交通装备产业“十二五”发展规划，第2页

本文作者：李敏，高级工程师，现任辽宁福鞍重工股份有限公司总工程师，被中国铸造协会评为“全国优秀巾帼铸造工作者”、“全国卓越铸造工程师”。兼任中国铸造协会铸钢工作委员会副主任、辽宁省机械工程学会铸造分会副理事长、辽宁省综合专家库专家、辽宁省铸造行业专家。从事铸造工作30余年，主持国家火炬项目、辽宁省科技计划、辽宁省科技创新重大专项等省部级项目6项。开发的多个大型铸钢产品连续多年获得“中国国际铸造博览会（北京）”金奖、特殊金奖。参与著作编写1部、制定协会标准1项，取得发明专利6项，实用新型8项，发表论文4篇。

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