如今，由中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司研制的“復(fù)興號”動車組，正在京滬高鐵線上運(yùn)營。一個400多噸的龐然大物，為什么能夠以350公里的時速，異常平穩(wěn)地飛馳在兩條巴掌寬的鋼軌上？這要?dú)w功于高速動車組九大關(guān)鍵技術(shù)之一的轉(zhuǎn)向架。
該公司的“時速250公里動車組高速轉(zhuǎn)向架及應(yīng)用”獲得國家科技進(jìn)步一等獎，搭載該高速轉(zhuǎn)向架的CRH380A高速列車獲得國家科技進(jìn)步特等獎。
△工人正在檢測“復(fù)興號”CR400AF動車組轉(zhuǎn)向架的輪對。（圖片由中車四方股份公司提供）
日前，記者走近世界商業(yè)運(yùn)營速度最高的高速動車組——“復(fù)興號”CR400AF動車組，近距離感受世界上最先進(jìn)的高速列車轉(zhuǎn)向架制造技術(shù)。
轉(zhuǎn)向架是高鐵走行核心裝置，被形象稱為高速列車的“腿”，主要作用是承載車體重量，保證列車安全運(yùn)行和乘坐舒適性。中車青島四方股份公司自主研制的高速列車轉(zhuǎn)向架在國內(nèi)市場占有率達(dá)到40%以上。
在中車青島四方股份公司轉(zhuǎn)向架開發(fā)部副部長張振先帶領(lǐng)下，記者來到轉(zhuǎn)向架車間。只見生產(chǎn)線上機(jī)器轟鳴，切削液噴涌。“這是在加工轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架。”再往里走，是一排排組裝成型的轉(zhuǎn)向架。由該公司研發(fā)生產(chǎn)的“復(fù)興號”CR400AF動車組轉(zhuǎn)向架，外形如同金屬制的四輪小車，每個轉(zhuǎn)向架都配有一個構(gòu)架、兩組輪對、懸掛裝置、牽引裝置和制動裝置等組件。在轉(zhuǎn)向架頂部，有兩個鍋蓋一樣的裝置，下方連著類似汽車輪胎的空氣彈簧，這就是用于減振降噪的懸掛裝置。“高速列車轉(zhuǎn)向架設(shè)置兩級懸掛裝置，自下而上，逐級隔離來自輪軌的振動。”
據(jù)了解，從研發(fā)到制造完成，CR400AF動車組轉(zhuǎn)向架經(jīng)過了28項(xiàng)仿真試驗(yàn)、16項(xiàng)試制試驗(yàn)和56項(xiàng)研究性試驗(yàn)。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)要對懸掛系統(tǒng)涉及的20多項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行復(fù)雜組合匹配，建立計(jì)算機(jī)仿真動力學(xué)模型，模擬列車在0-350km/h不同速度級運(yùn)行，并采用實(shí)際測試的各種軌道譜進(jìn)行激擾，分析轉(zhuǎn)向架運(yùn)行安全性能、減振效果及列車平穩(wěn)性能指標(biāo)。在幾十種參數(shù)組合方案中進(jìn)行優(yōu)選，并對優(yōu)選方案采用取滾振試驗(yàn)對比，確定最終的懸掛參數(shù)。
2015年，在西南交大的高速滾振試驗(yàn)臺上，CR400AF動車組轉(zhuǎn)向架進(jìn)行了失穩(wěn)臨界速度測試。以10km/h為單位，測試速度不斷向上疊加，轉(zhuǎn)向架下的滾動輪轉(zhuǎn)得越來越快。“眼看下面的鐵軌在轟響中振動，但車體卻始終紋絲不動，這是讓我們研發(fā)團(tuán)隊(duì)最驕傲的時刻。”他說。
最終，“復(fù)興號”CR400AF型動車組轉(zhuǎn)向架的最高失穩(wěn)臨界速度達(dá)到了試驗(yàn)臺的測試能力極限600km/h。
此后，轉(zhuǎn)向架又經(jīng)受住了嚴(yán)格的線路試驗(yàn)，其中，在鄭徐高鐵的列車交匯動力學(xué)試驗(yàn)中，創(chuàng)下了單車時速420公里交匯運(yùn)行的世界紀(jì)錄。
“根據(jù)乘客舒適性體驗(yàn)試驗(yàn)，我國制定了列車客室平穩(wěn)性指標(biāo)評價標(biāo)準(zhǔn)，小于2.5即為優(yōu)級，我國高速動車組均要求達(dá)到優(yōu)級，而時速350公里中國標(biāo)準(zhǔn)動車組線路試驗(yàn)平穩(wěn)性指標(biāo)在2以下，乘坐起來非常舒適。這其中，高質(zhì)量的轉(zhuǎn)向架起到關(guān)鍵作用。”
高承載能力＋高度輕量化：完美融于一身
對轉(zhuǎn)向架而言，既要保證足夠大的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，又要力求實(shí)現(xiàn)車體輕量化目標(biāo)。而高承載能力和高度輕量化，恰恰又是一對永恒的矛盾體，對此，中車青島四方股份公司是如何解決的呢？
記者了解到，在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度上，“復(fù)興號”CR400AF動車組轉(zhuǎn)向架承載能力設(shè)定了17噸軸重的目標(biāo)（即一個轉(zhuǎn)向架可承載近34噸），設(shè)計(jì)過程中，對每個承載部件進(jìn)行反復(fù)仿真分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對車輪、車軸、構(gòu)架等部件進(jìn)行了1000萬次循環(huán)加載疲勞試驗(yàn)，保證在全壽命周期內(nèi)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全。
另一方面，在轉(zhuǎn)向架制造過程中，采用各種辦法減輕重量。據(jù)張振先介紹，轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架采用了薄壁箱型結(jié)構(gòu)焊接，最薄鋼板僅6毫米。“為實(shí)現(xiàn)輕量化重量控制，設(shè)計(jì)師進(jìn)行了精細(xì)的重量規(guī)劃，可以說細(xì)到一顆螺栓的重量，并在整個設(shè)計(jì)過程中嚴(yán)格執(zhí)行。”
有一次，在對100公斤軸箱體的研制中，軸箱體重量超出計(jì)劃重量2.5公斤，怎么辦？
對此，技術(shù)人員不厭其煩，對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了四次“優(yōu)化-仿真計(jì)算-再優(yōu)化”，并對試制完畢的每一個部件及整個轉(zhuǎn)向架進(jìn)行了稱重控制，最終讓軸箱體成功“瘦身”，完美達(dá)到了設(shè)計(jì)之初的重量要求，使CR400AF型動車組轉(zhuǎn)向架在既定的承載能力目標(biāo)和各速度等級下，整體重量水平達(dá)到了世界先列水平，將高承載能力與高度輕量化完美地融于一身。
高超工藝：讓整件產(chǎn)品渾然一體
當(dāng)你細(xì)細(xì)觀察CR400AF型動車組轉(zhuǎn)向架成品時，會驚嘆于工藝水平之精湛：很多地方完全看不出焊接痕跡，整件產(chǎn)品渾然一體。
張振先告訴記者，技術(shù)的創(chuàng)新，工藝的改進(jìn)，如同高鐵研發(fā)生產(chǎn)的“兩只手”，密切配合，匠心打磨，共同造就了追求極致的中國高鐵轉(zhuǎn)向架。
“在構(gòu)架結(jié)構(gòu)、焊接結(jié)構(gòu)等部件的制造上，需要進(jìn)行極其嚴(yán)格的細(xì)節(jié)控制，每一條焊縫都有詳細(xì)的技術(shù)要求，關(guān)鍵焊縫要進(jìn)行細(xì)致的打磨處理。”按照轉(zhuǎn)向架工程師的說法，這叫“修形”，將轉(zhuǎn)向架打磨出完美的形狀，使結(jié)構(gòu)受力均勻合理，通過極其苛刻的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)和制造，充分保證結(jié)構(gòu)的承載安全。
轉(zhuǎn)向架的定位臂，是精度要求極高、需要手工研磨的部件。如果把轉(zhuǎn)向架稱為列車的“腿”，定位臂就相當(dāng)于“腳踝”，是轉(zhuǎn)向架的核心部位。
“定位臂作為轉(zhuǎn)向架上構(gòu)架與車輪的接觸部位，通過定位節(jié)點(diǎn)，和輪對連為一體。在高速運(yùn)行狀態(tài)下，定位臂的接觸面要承受重達(dá)30噸的沖擊力。為了保證安全可靠，要確保定位臂和輪對節(jié)點(diǎn)有75%以上的貼合率，必須由工人手工研磨。”張振先說。
經(jīng)過機(jī)器粗加工后，留給手工研磨的空間只有0.05毫米左右，相當(dāng)于一根細(xì)頭發(fā)絲的大小。磨少了，貼合率達(dá)不到要求，磨多了，動輒十幾萬元的部件可能報廢。而就是在如此嚴(yán)苛的工藝標(biāo)準(zhǔn)要求下，使轉(zhuǎn)向架車間里涌現(xiàn)出寧允展這樣的“大國工匠”，成功破解了長期制約轉(zhuǎn)向架批量制造的瓶頸難題，保證了高速列車轉(zhuǎn)向架的高質(zhì)量、高產(chǎn)量。
目前，搭載該轉(zhuǎn)向架產(chǎn)品的高鐵機(jī)車?yán)鄯e運(yùn)營里程已超過4.4億公里，并于2010年創(chuàng)造了486.1公里/小時的世界鐵路運(yùn)營試驗(yàn)最高速記錄。同時，該公司還積極進(jìn)行海外專利布局，為我國高鐵“走出去”戰(zhàn)略提供有力專利支撐。
