项目名称
整体芯B+级钢摇枕、侧架制造技术
主要完成单位
南车长江车辆有限公司
中国北车齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司
南车眉山车辆有限公司
南车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司
晋西车辆有限责任公司
天瑞集团铸造有限公司
中国铁道科学研究院金属及化学研究所
内蒙古第一机械制造（集团）有限公司
南车二七车辆有限公司
主要完成人
焦 辉 景 丹 刘文中 陈 雷 王春山 董 雯 岳国志 付顺利 张厚胜 樊安国 郝思奇 刘成勇 刘胜田 李 竹 马庆林 黄永巍 朱正锋 刘俊岭 宋仲明 王金朋
摇枕、侧架是铁路货车转向架中十分重要的零部件，不仅涉及转向架的性能，而且直接关系到铁路运输的安全。因此，摇枕、侧架制造技术和产品质量一直受到世界各国铁路主管部门、制造商和运营商的高度重视，成为铁路货车行业关注的热点。
在铁道部有关技术政策的支持以及主管部门的大力推动下，从20世纪90年代至2005年，我国的摇枕、侧架制造技术得到较大幅度提升，初步改变了我国摇枕、侧架制造技术落后的局面，产品质量也有了进一步提高。但随着我国铁路货车重载提速运输的逐步实施，原有摇枕、侧架制造技术所带来的质量缺陷和安全隐患日益突出。只有创新制造技术，大幅提升我国摇枕、侧架的制造技术水平和产品质量，才能进一步提高摇枕、侧架在铁路重载提速条件下的安全可靠性，适应我国铁路运输发展的新形势。
然而，在传统管理模式下，国内各研究制造企业一直以来各自为战、资源分散、势力薄弱，技术发展过程漫长而艰难，难以赶超世界先进水平，也难免落入发展中国家容易出现的技术发展中的追赶陷阱，最终制约我国铁路运输事业的发展。因此，我国要在短期内大幅度提高摇枕、侧架的制造技术水平和产品质量，并赶超世界领先水平，只有创新管理模式，才能快速而稳妥地实现发展战略目标。
在铁道部运输局的领导下，各研究制造企业突破传统的管理和发展模式，采取各企业之间 （横向）和企业内部 （纵向）矩阵式战略联结的方式，集中优势技术力量，成立了由南车长江车辆有限公司为组长单位，中国北车齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司、南车眉山车辆有限公司等主要货车制造企业以及南车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司、中国铁道科学研究院金属及化学研究所等科研院所组成的联合攻关组，从2006年开始对摇枕、侧架制造技术进行了创新攻关，形成了整体芯B+级钢摇枕、侧架制造技术，取得了重要突破和瞩目成就。
该项技术从2007年下半年开始全面推广，经过4年装车运用，取得了显著成效。从2008年下半年开始，外商指定采用该技术生产的摇枕、侧架大量出口至俄罗斯、美国、澳大利亚等十几个国家。该项目的研制投产和在国内外的成功运用，适应了我国铁路重载提速运输的需求，并为世界铁路重载运输和低温环境下的安全运输作出了重要贡献，标志着我国摇枕、侧架制造技术水平和产品质量达到了世界领先水平。
主要技术内容
1.在世界范围内率先研制开发和推广采用摇枕、侧架整体芯制芯技术。摇枕、侧架采用整体芯工艺和整体芯机器人自动下芯技术，实现了铸件内腔关键部位平顺无披缝、无台阶、无芯撑、无裂纹，减少了砂眼等铸造缺陷，提高了铸件的尺寸精度。大幅度提高了我国铸钢摇枕、侧架的制造技术水平和产品质量。
2.通过系统研究低合金铸钢材料的成分、组织和性能，研制出适应我国国情和货车重载提速运输需要的低合金高强度B＋级钢。
3.推广采用偏心炉底出钢电弧炉+LF双联炉、钢包吹氩+喂丝等钢水精炼技术，大幅减少了钢水中的气体和杂物，提高了铸钢件的质量。
4.通过对新造和服役摇枕、侧架的大量射线探伤、疲劳试验和实物解剖验证，对摇枕、侧架射线照相检验技术进行了系统研究，确定了缺陷定性和定量标准、射线照相检验标准图谱和检验技术条件，为改进铸造工艺和过程质量提供了依据。
5.研究开发和推广采用连续热处理工艺，提高铸件金相组织均匀性。
6.开展了无暗室湿法荧光磁粉整体探伤工艺研究以及紫外线辐照度与环境白光强度之间对应关系的研究。
7.探索铸件内部缺陷特征与超声波反射传播之间的关系，开发和推广应用了摇枕、侧架超声波探伤技术。
8.推广采用三座标测量仪测量摇枕、侧架的形位尺寸，采用超声波测厚仪测量壁厚尺寸。
9.推广采用抛丸表面强化处理技术对摇枕、侧架进行抛丸强化处理，提高了铸件表面质量，并降低了产生早期疲劳裂纹的几率。
10.为规范技术管理行为，提高技术管理水平，制订了摇枕、侧架生产技术管理要点，对策划、设计、试制和生产过程和环节的技术管理要点作出了详细规定，并下发执行。
11.修订产品技术条件，达到优质铸件标准。
技术经济指标
1.摇枕、侧架采用整体芯工艺和B+级钢制造，大幅度提高了我国摇枕、侧架的制造技术水平和产品质量，彻底扭转了以前摇枕、侧架运用断裂事故较为频繁的被动局面，为实现我国铁路货车重载提速运输，打下了坚实的基础。
2.摇枕、侧架疲劳强度大幅提高，远高于AAR等发达国家标准要求。整体芯B+级钢摇枕、侧架在组合载荷试验条件下的疲劳强度比原工艺和原材质提高20%以上。
3.显著提高了铁路运输的安全性，延长了摇枕、侧架的厂修周期和使用寿命，提高了摇枕、侧架和车辆寿命期内的综合经济效益。
4.减少了人为因素对产品质量的影响，提高了产品质量的稳定性，废品率降低约2%，并显著改善了劳动条件。
5.大幅度提升了我国铁路货车制造行业的全球竞争能力和国际地位。
项目研制与应用情况
一、项目研制
自主研发大型整体芯制芯技术。
摇枕、侧架采用整体砂芯工艺，制芯采用金属芯盒硬化后取模等精确成型制造技术，实现铸件内腔关键部位平顺无披缝、台阶，提高了铸件壁厚尺寸的均匀性，减少了砂眼等铸造缺陷。
开发有机酯-改性水玻璃砂连续制芯生产工艺。有机酯-改性水玻璃砂具有强度高、高温退让性好、容易清砂等优点，但由于有机酯的水解反应受有机酯种类、加入量、型砂水分、气候等诸多因素的影响，水玻璃砂硬化速度极不稳定，因而传统的有机酯硬化水玻璃砂制芯和造型工艺无法用于大批量连续生产，国内外制造企业通常仅将之用于小批量手工生产。为了利用有机酯-改性水玻璃砂生产优质的摇枕、侧架整体砂芯和砂型，攻关组根据有机反应的特点进行了大量的试验研究。项目组通过技术创新，破解了有机酯水解速度随机性大、无法用于大批量连续生产的技术难题。攻关组首次研制和推广了连续制芯生产线，成功地将有机酯硬化水玻璃砂工艺应用于摇枕、侧架的大批量连续生产。
实现自动下芯。采用机器人自动下芯技术，大幅提高了产品壁厚和尺寸精度，大量减少了砂眼等缺陷。在规范炼钢工艺的基础上，项目组采用钢包吹氩、喂丝、LF炉外精炼等钢水精炼工艺，进一步降低了有害元素的含量和非金属夹杂物，使钢件全部达到优质钢标准。
研制和运用B＋级钢。根据我国的资源情况，项目组通过系统研究低合金铸钢材料的化学成分、热处理工艺，研制出B+级钢新型铸钢材料，并制订了有关工艺技术规范。经试验和生产验证，项目组研制的B+级钢优于AARM-201标准要求，并使摇枕、侧架的力学性能提高了一个等级。2007年2月，B+级钢的研制通过了部级鉴定；鉴定意见认为，项目组研制的B+级铸钢材料达到了国际先进水平。
实现自动控制连续热处理。项目组采用自动控制连续式热处理生产线，保温精度高、自动化程度高，热处理后冷却速度快、金相组织和力学性能均匀、良好，进一步提高了摇枕、侧架的可靠性。
采用无暗室湿法荧光磁粉探伤工艺，提高表面探伤灵敏度。为了进一步提高铸件表面缺陷的探伤灵敏度，攻关组开展了将原有湿法黑色磁粉整体探伤改进为无暗室湿法荧光磁粉整体探伤工艺研究以及紫外线辐照度与环境白光强度之间对应关系的研究，试验测试和绘制白光强度与紫外线辐照强度关系曲线图，为无暗室荧光磁粉探伤提供了理论和实践依据。经部级鉴定，该项目已达到国际先进水平。
实施摇枕、侧架关键部位内部探伤的超声波日常检查和X射线的定期检测。攻关组开展了铸件内部缺陷特征与超声波反射传播之间的关系研究以及内部缺陷与疲劳强度的关系的研究。通过对服役和新造摇枕、侧架的大量内部探伤检验、疲劳试验和实物解剖验证，项目组积累了数以万计的基础数据，获得了摇枕、侧架关键部位各类缺陷的大量图片，系统研究了摇枕、侧架超声波探伤技术、射线照相检验技术，确定了缺陷定性、定量标准及射线照相检验标准图谱，编制了有关技术规范。
提高壁厚和尺寸检测水平。项目组采用三座标测量仪测量整体芯摇枕、侧架的形位尺寸，采用超声波测厚仪测量铸件壁厚尺寸，进一步保证摇枕、侧架的可靠性。
采用抛丸表面强化处理技术，对摇枕、侧架进行抛丸强化处理。试验表明，该技术不但大大提高了铸件的表面质量，而且进一步提高了铸件的疲劳性能。
提升产品技术标准。项目组通过修改产品技术条件，提高产品质量。新的技术条件主要有如下重要变化：降低钢中磷、硫等有害元素的含量，降低钢中氧、氢等气体含量，使钢水达到优质钢标准；增加了金相组织及非金属夹杂物的检测要求，其中Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ型非金属夹杂物比TB/T2451《铸钢中非金属夹杂物金相检验》的要求提高了一个等级。增加了湿法荧光磁粉表面探伤、超声波和X射线内部探伤要求。严格疲劳试验要求，其中摇枕在组合载荷试验条件下应达到120万次以上，远高于AAR标准。
二、应用效果
摇枕、侧架砂芯采用整体芯工艺，大大提高了制造水平和产品质量。采用整体砂芯，消除了分体砂芯带来的内腔裂纹、台阶、芯撑熔合不良、厚度不均等一系列质量缺陷和安全隐患，提高了铸件的尺寸精度，有利于提高转向架的运行性能和安全可靠性。进一步优化了铸造工艺，提高了内部密实度。由于项目组采用了整体芯生产线和机器人自动下芯技术，减少了人为因素的影响，大大提高了产品质量的稳定性，并显著改善了工人的劳动条件。
摇枕、侧架采用B+级钢制造，提升了一个强度等级。钢水质量全部达到优质钢标准，热处理质量稳步提高。摇枕、侧架疲劳强度大幅提高。
整体芯B+级钢摇枕在组合载荷试验中，在按规定完成了100万次循环次数后，加大试验载荷20％继续试验。最终，所有整体芯B+级钢全部通过了120万次试验。
按上述试验和加载方法，试生产的转K6型摇枕极限循环次数累计达184万次，转K5型摇枕累计达200万次无裂纹。比原工艺和原材质提高60万次～80万次，并远远高于AAR等标准。
整体芯B+级钢侧架在按规定完成试验循环次数后，加大试验载荷40％继续试验，累计循环次数分别达到50万次均无裂纹。
这项技术显著提高了产品质量，因而大大提高了铁路运输的安全性，具有显著的社会效益和经济效益；大幅度提高了我国铁路货车和摇枕、侧架制造企业的全球竞争力；降低了人工成本，改善了工人的劳动条件；减少了人为因素对产品质量的影响，提高了产品质量的稳定性。
三、装车运用情况
整体芯B+级钢摇枕、侧架制造技术从2007年下半年开始全面推广，经过了国内25吨轴重转向架全面装车、重载提速运行条件下的多年运用考验、国外最大40吨轴重转向架大批量装车以及极端环境条件下的多年运用考验，充分证明整体芯B+级钢摇枕、侧架质量稳定良好，行车安全可靠；产品质量及安全性明显高于国外同类产品。我国创造的整体芯B+级钢摇枕、侧架制造技术以其突出的优势彰显于世。
项目创新点
攻关组各成员单位通过矩阵式战略联结，已获得多项专利，其中，整体芯B+级钢制造技术项目已获专利13项：中国北车齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司1项、南车眉山车辆有限公司1项、天瑞集团铸造有限公司1项、南车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司1项；南车长江车辆有限公司9项。这些创新技术为提高摇枕、侧架在重载提速运行条件下的安全可靠性提供了可靠的工艺技术保证，为我国摇枕、侧架的制造技术达到世界领先水平提供了强大的动力。
一、主要创新项目
1.摒弃传统工艺设计模式，创新整体芯设计理念及两相流控制整体射芯工艺、挤压锁芯整体制芯工艺、震实挤压整体制芯工艺、壳芯锁芯整体制芯工艺、侧架中央方框整体制芯工艺、大轴重摇枕、侧架全整体芯制芯工艺等6种整体芯制芯技术。
2.有机酯-改性水玻璃砂大批量连续制芯生产技术。
3.摇枕、侧架X射线照相检验标准图谱。
4.无暗室湿法荧光磁粉整体探伤工艺及紫外线辐照度与白光强度关系曲线图。
5.创新管理模式，采用矩阵式战略联结，组织技术攻关。
二、摇枕、侧架制造技术升级项目
1.整体芯工艺和整体芯生产线的全面推广应用。
2.机器人自动下芯技术。
3.钢水炉外精炼技术。
4.自动控制连续热处理。
5.表面缺陷无暗室湿法荧光磁粉探伤。
6.内部缺陷超声波日常探伤和X射线定期检测。
7.三座标尺寸测量和超声波壁厚测量。
8.B+级钢的全面装车运用。
9.表面抛丸强化处理。
10.高能射线实时成像 （DR）和工业CT技术的初步应用。
在整体芯B+级钢制造技术的牵引下，我国摇枕、侧架的制造技术正在朝着高质量、高效益、低能耗、低污染的良性循环方向发展，以整体芯B+级钢制造技术为标志的我国摇枕、侧架整体制造技术和产品质量水平，已经达到世界领先水平。
（《人民铁道》 2012/08/29）
