高铁车轮竟然有这么多秘密

与汽车不同，火车没有方向盘，它的转向与前进都要靠转向架，而转向架唯一与铁轨接触的就是车轮，所以火车要想跑得快，车轮极为关键。到了高铁时代，火车的运行速度动辄每小时两三百公里，高铁是否能安全高速运行，与高铁车轮制造密不可分。本文来自微信公众号： 网易新闻学院 （ID：we_know_media），作者：一闻，编辑：史文慧，原文标题：《涨姿势！高铁车轮竟然有这么多秘密 | 了不起的中国制造》。

什么是当下中国最亮眼的国家名片？高铁在其中绝对不会缺席。

去年，“复兴号”列车在京沪高铁实现350公里时速运营，中国成为世界上高铁商业运营速度最快的国家，今年7月1日开始，全国铁路实行新的运行图，“复兴号”高铁列车的投放比例进一步增加，长编组“复兴号”动车组列车也首次在京沪高铁亮相。

被誉为金名片的中国高铁，能够平稳跑出350公里的时速，离不开高质量车轮的支撑，高铁车轮就像一双“跑鞋”，为高铁飞腾插上了翅膀。

高铁车轮是世界上公认的技术要求高、生产难度大的尖端产品，此前中国一直依赖进口。经过近些年的努力攻关，目前 “蓝海豚”和“金凤凰”两款型号的“复兴号”高铁车轮都实现了中国制造，改写了国外厂家垄断中国高铁车轮市场的历史。

“复兴号”高铁

一、火车车轮的运行，就是一个搭起小车托着大车跑的过程

与汽车不同，火车是没有方向盘的，那么它是如何前进甚至实现拐弯的呢？主要靠转向架。

当车辆以一定速度开始进入曲线时，前轮对的外轮轮缘与外轨的内侧面接触，互相挤压产生导向力，并由导向力引起导向力矩，使转向架相对线路产生转动。

转向架实际上就是一个构架+两对车轮组成的“小车”，火车车厢就趴在这个“小车”上，通过“小车”实现一定程度的转动。每节火车车厢下面有两个这样的“小车”，共同托起大火车，奔驰在铁轨上。

不过，由于转向架安装在车厢下面，通常我们很难看到它长什么样。

两对车轮和一个构架组成的火车转向架托起了车厢

铁路轨距是固定的，在曲线上外轨长、内轨短。当火车的轮对通过曲线时，轮对向外移动后，外轨与车轮接触点的直径大，走行距离长，内轨与车轮接触点的直径小，走行距离短，这样便可以顺利通过曲线。

整个转向架中唯一与铁轨接触的就是车轮，它们把车辆承受的载荷传递到钢轨，在机车制动时又承受闸瓦的作用，因而车轮在复杂应力的状态下工作。而且，轮轨间的作用力是以速度的平方增长的，当列车速度由120 km/小时提高到220 km／小时、300 km／小时时，轮轨作用力分别增大3倍、6倍。

在时速超过300公里的情况下，高铁车轮的工作环境和承受的压力可想而知，车轮质量直接关系着列车的运行安全和旅客生命财产的安全。1998年，德国ICE-1高速列车脱轨，造成101人死亡、105人受伤，究其原因，正是由于车轮不过关导致。

列车车轮外钢圈因疲乏爆裂是引发德国高速列车脱轨事故的主因

剥离、磨损和热裂是火车车轮失效的三大主要原因，对高铁车轮来说，剥离缺陷尤为突出。

在高速运行条件下，快速启动和制动以及车轮运行过程中的滚滑现象都会导致车轮踏面（车轮与车轨的接触面）的表层受到极为剧烈的热影响。当滑动摩擦剧烈时，可使踏面表面温度上升1000℃以上，导致踏面表面剥离缺陷的产生，踏面表面不平顺度提高，进而加剧轮轨间振动，对线路、车辆都产生不良影响，所产生的轮轨噪声还构成环境问题。

车轮踏面剥离缺陷

二、高铁车轮技术：不申报专利、不发表论文、不接受交流参观

自1963年全球首列时速210km的高速列车在日本投运以来，高速列车在日本、法国、德国、英国、荷兰、比利时等国快速发展。1989年，法国的TGV高速列车最高试验运行速度已达515.3公里/小时。

与高速列车的发展同步，高铁车轮的生产技术也得到飞速发展。到20世纪末，高铁车轮生产技术在国际上已是成熟技术，由法国、日本、德国、意大利的四家公司垄断。

高铁车轮生产的关键是保证铁路运输的安全性。在高速条件下，随着速度效应的增强和制动方式的变化，车轮的受力状态较之常规使用条件发生很大变化，助长了在疲劳条件下极小缺陷的发展，小至0.2mm的内部缺陷都有可能在运行过程中导致疲劳裂纹的萌生。

新的使用条件对车轮的外形结构和内在质量都提出了更高的要求，为保证列车运行安全，高铁车轮必须具有更高的强韧性、耐磨性、抗热裂性、抗疲劳性、抗剥离性。

要想车轮质量好，首先车轮钢的质量要好。车轮钢用电炉或转炉冶炼后，要经炉外精炼后再连铸成圆坯，车轮钢洁净度要求很高，氢含量需在百万分之二以下；对夹杂物级别要求也很严格，要求杂质含量极低且分布均匀。

国外高铁车轮钢的化学成分

一般来说，高铁车轮都是用模锻——轧制的方法制造。车轮钢材坯经锯切、锻轧、热处理、机加工等若干工序后，制造出车轮成品，然后进行超声波检测、磁粉检测、静平衡测量、喷丸强化、硬度测量、全尺寸测量等全方位严格检测。所有检测合格，方可出厂。

高铁车轮生产线

高铁车轮锻造

鉴于高铁车轮生产的难度之高，相关国家和企业都将高铁车轮技术列为战略性核心技术高度保密，坚持“不申报专利、不发表论文、不接受交流参观”的三不政策，以防外界获取相关技术的蛛丝马迹。也正是因此，四大高铁车轮制造巨头得以长期垄断全球市场，并按高于普通车轮十余倍的价格出口产品。

三、中国高铁车轮，从进口到出口

如今的中国高铁是世界铁路领域的标杆，不仅拥有全球最长、密度最大的高铁网络，而且在2017年创造了605公里/小时的全球高铁试验速度纪录，拥有了世界上最快的高铁。但是很少有人记得，多年前，中国火车车轮是全部依赖进口的。直到上世纪60年代，中国先后成功轧制出第一个车轮轮箍和辗钢整体车轮，结束了中国只能用“洋箍、洋轮”的历史。

之后，伴随高速铁路的发展，中国又先后开发出KKD快速车轮和CL50材质高速车轮，CL50材质高速车轮在270公里/小时“中华之星”高速试验列车上安全运用60余万公里，最高时速达321.5公里。“纯中国血统”的中国车轮开始展露锋芒，也从此不再受制于人。

2002年，装配国产车轮的“中华之星”创下了321.5公里/小时的速度纪录

而进入新时代，高速列车成为中国走向世界的战略性高端装备产业，但车轮进口导致的知识产权问题，以及进口车轮服役过程中暴露出的多边形、寿命短等问题影响到高铁的运行安全和使用成本，严重制约了中国高铁“走出去”。

为全面掌握高铁关键装备的核心技术，2014年 “动车组关键技术自主创新深化研究——时速350公里中国标准动车组轮轴设计研究”重大课题正式立项，其中车轮开发是项目的重点。通过大量关键技术的突破与创新，中国最终开发出了一种中碳Si-V微合金化D2材质车轮。

特别是针对进口车轮服役过程中突出的多边形问题，D2车轮在确保韧性指标的前提下提高了材料硬度和相变点，并匹配复合热处理技术，使得车轮在硬度水平、抗热损伤性能、抗磨损性能等方面均好于进口ER8材质车轮。

与国外产品相比，国产高铁车轮在材料设计、冶金质量、综合性能、检测技术、智能制造方面明显优于同类进口产品，达到国际先进水平。国产高铁车轮还先后通过了德铁、韩国等市场资质认证，并出口韩国、印度、德国等国家，实现了从依赖进口到对外出口的华丽转变。

2015年，D2车轮装配于“蓝海豚”和“金凤凰”中国标准动车组；2016年7月15日，装配着国产高铁车轮的中国标准动车组，完成时速超420公里的世界最高速动车组交会、重联试验，跑出让世界惊叹的每秒“飞行”117米的“中国速度”；2017年1月，国产高铁车轮顺利通过60万公里装车运用，目前已安全运用超过100万公里。

国产D2车轮

高铁车轮实现国产化，不仅降低了中国铁路企业的采购成本，使进口车轮每件采购价格降低了一半，而且打破了现有高铁车型因采用进口车轮而不能用于出口的瓶颈约束，有效支撑了中国高铁产业的发展。

结语

中国制造在全球高铁领域已经成为公认的领头羊，无论是高铁技术还是制造能力都首屈一指，成为中国高端产业走向世界的“金名片”。以车轮为代表的部分关键零部件的100%国产化，必将让中国高铁这张“金名片”更加闪亮。

本文来自微信公众号： 网易新闻学院 （ID：we_know_media），作者：一闻，编辑：史文慧。