什么是當下中國最亮眼的國家名片？高鐵在其中絕對不會缺席。

據(jù)媒體報道，2024年，CR450高速動車今年完成樣車制造并開展型式試驗，最高時速可達450公里。2017年，“復(fù)興號”列車在京滬高鐵實現(xiàn)350公里時速運營，中國成為世界上高鐵商業(yè)運營速度最快的國家，次年7月1日開始，全國鐵路實行新的運行圖，“復(fù)興號”高鐵列車的投放比例進一步增加，長編組“復(fù)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(wěn)跑出350公里的時速，離不開高質(zhì)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(shù)要求高、生產(chǎn)難度大的尖端產(chǎn)品，此前中國一直依賴進口。經(jīng)過近些年的努力攻關(guān)，目前 “藍海豚”和“金鳳凰”兩款型號的“復(fù)興號”高鐵車輪都實現(xiàn)了中國制造，改寫了國外廠家壟斷中國高鐵車輪市場的歷史。

“復(fù)興號”高鐵

火車車輪的運行，就是一個搭起小車托著大車跑的過程

與汽車不同，火車是沒有方向盤的，那么它是如何前進甚至實現(xiàn)拐彎的呢？主要靠轉(zhuǎn)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(nèi)側(cè)面接觸，互相擠壓產(chǎn)生導(dǎo)向力，并由導(dǎo)向力引起導(dǎo)向力矩，使轉(zhuǎn)向架相對線路產(chǎn)生轉(zhuǎn)動。

轉(zhuǎn)向架實際上就是一個構(gòu)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(xiàn)一定程度的轉(zhuǎn)動。每節(jié)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，由于轉(zhuǎn)向架安裝在車廂下面，通常我們很難看到它長什么樣。

兩對車輪和一個構(gòu)架組成的火車轉(zhuǎn)向架托起了車廂

鐵路軌距是固定的，在曲線上外軌長、內(nèi)軌短。當火車的輪對通過曲線時，輪對向外移動后，外軌與車輪接觸點的直徑大，走行距離長，內(nèi)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(zhuǎn)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，因而車輪在復(fù)雜應(yīng)力的狀態(tài)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(huán)境和承受的壓力可想而知，車輪質(zhì)量直接關(guān)系著列車的運行安全和旅客生命財產(chǎn)的安全。1998年，德國ICE-1高速列車脫軌，造成101人死亡、105人受傷，究其原因，正是由于車輪不過關(guān)導(dǎo)致。

列車車輪外鋼圈因疲乏爆裂是引發(fā)德國高速列車脫軌事故的主因

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

在高速運行條件下，快速啟動和制動以及車輪運行過程中的滾滑現(xiàn)象都會導(dǎo)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，可使踏面表面溫度上升1000℃以上，導(dǎo)致踏面表面剝離缺陷的產(chǎn)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(chǎn)生不良影響，所產(chǎn)生的輪軌噪聲還構(gòu)成環(huán)境問題。

車輪踏面剝離缺陷

高鐵車輪技術(shù)：不申報專利、不發(fā)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(fā)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(fā)展同步，高鐵車輪的生產(chǎn)技術(shù)也得到飛速發(fā)展。到20世紀末，高鐵車輪生產(chǎn)技術(shù)在國際上已是成熟技術(shù)，由法國、日本、德國、意大利的四家公司壟斷。

高鐵車輪生產(chǎn)的關(guān)鍵是保證鐵路運輸?shù)陌踩?。在高速條件下，隨著速度效應(yīng)的增強和制動方式的變化，車輪的受力狀態(tài)較之常規(guī)使用條件發(fā)生很大變化，助長了在疲勞條件下極小缺陷的發(fā)展，小至0.2mm的內(nèi)部缺陷都有可能在運行過程中導(dǎo)致疲勞裂紋的萌生。

新的使用條件對車輪的外形結(jié)構(gòu)和內(nèi)在質(zhì)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(zhì)量好，首先車輪鋼的質(zhì)量要好。車輪鋼用電爐或轉(zhuǎn)爐冶煉后，要經(jīng)爐外精煉后再連鑄成圓坯，車輪鋼潔凈度要求很高，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(zhì)含量極低且分布均勻。

國外高鐵車輪鋼的化學(xué)成分

一般來說，高鐵車輪都是用模鍛——軋制的方法制造。車輪鋼材坯經(jīng)鋸切、鍛軋、熱處理、機加工等若干工序后，制造出車輪成品，然后進行超聲波檢測、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(chǎn)線

高鐵車輪鍛造

鑒于高鐵車輪生產(chǎn)的難度之高，相關(guān)國家和企業(yè)都將高鐵車輪技術(shù)列為戰(zhàn)略性核心技術(shù)高度保密，堅持“不申報專利、不發(fā)表論文、不接受交流參觀”的三不政策，以防外界獲取相關(guān)技術(shù)的蛛絲馬跡。也正是因此，四大高鐵車輪制造巨頭得以長期壟斷全球市場，并按高于普通車輪十余倍的價格出口產(chǎn)品。

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(lǐng)域的標桿，不僅擁有全球最長、密度最大的高鐵網(wǎng)絡(luò)，而且在2017年創(chuàng)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，中國先后成功軋制出第一個車輪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。

之后，伴隨高速鐵路的發(fā)展，中國又先后開發(fā)出KKD快速車輪和CL50材質(zhì)高速車輪，CL50材質(zhì)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余萬公里，最高時速達321.5公里?！凹冎袊y(tǒng)”的中國車輪開始展露鋒芒，也從此不再受制于人。

2002年，裝配國產(chǎn)車輪的“中華之星”創(chuàng)下了321.5公里/小時的速度

而進入新時代，高速列車成為中國走向世界的戰(zhàn)略性高端裝備產(chǎn)業(yè)，但車輪進口導(dǎo)致的知識產(chǎn)權(quán)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，嚴重制約了中國高鐵“走出去”。

為全面掌握高鐵關(guān)鍵裝備的核心技術(shù)，2014年 “動車組關(guān)鍵技術(shù)自主創(chuàng)新深化研究——時速350公里中國標準動車組輪軸設(shè)計研究”重大課題正式立項，其中車輪開發(fā)是項目的重點。通過大量關(guān)鍵技術(shù)的突破與創(chuàng)新，中國最終開發(fā)出了一種中碳Si-V微合金化D2材質(zhì)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，并匹配復(fù)合熱處理技術(shù)，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于進口ER8材質(zhì)車輪。

與國外產(chǎn)品相比，國產(chǎn)高鐵車輪在材料設(shè)計、冶金質(zhì)量、綜合性能、檢測技術(shù)、智能制造方面明顯優(yōu)于同類進口產(chǎn)品，達到國際先進水平。國產(chǎn)高鐵車輪還先后通過了德鐵、韓國等市場資質(zhì)認證，并出口韓國、印度、德國等國家，實現(xiàn)了從依賴進口到對外出口的華麗轉(zhuǎn)變。

2015年，D2車輪裝配于“藍海豚”和“金鳳凰”中國標準動車組；2016年7月15日，裝配著國產(chǎn)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(lián)試驗，跑出讓世界驚嘆的每秒“飛行”117米的“中國速度”；2017年1月，國產(chǎn)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(chǎn)D2車輪

高鐵車輪實現(xiàn)國產(chǎn)化，不僅降低了中國鐵路企業(yè)的采購成本，使進口車輪每件采購價格降低了一半，而且打破了現(xiàn)有高鐵車型因采用進口車輪而不能用于出口的瓶頸約束，有效支撐了中國高鐵產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

結(jié)語

中國制造在全球高鐵領(lǐng)域已經(jīng)成為公認的領(lǐng)頭羊，無論是高鐵技術(shù)還是制造能力都首屈一指，成為中國高端產(chǎn)業(yè)走向世界的“金名片”。以車輪為代表的部分關(guān)鍵零部件的100%國產(chǎn)化，必將讓中國高鐵這張“金名片”更加閃亮。