轨道交通装备 “三基”技术现状与展望

前言

装备制造业自主创新战略目标

机械基础件

基础制造工艺

基础材料

技术跟随技术引领

New CSR New Creation 时代列车南车创造

轨道交通“三基”的范畴和发展现状轨道交通“三基”的范畴和发展现状第一部分

轨道交通“三基”的技术创新成果轨道交通“三基”的技术创新成果第二部分

与国外“三基”差距比较与国外“三基”差距比较第三部分

轨道交通“三基”亟待解决的技术问题轨道交通“三基”亟待解决的技术问题第四部分

“三基”发展建议“三基”发展建议第五部分

第一部分轨道交通“ ”三基的范畴和发展现状

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基础零部件是组成轨道交通装备的不可拆分或具有关键功能的基本单位。包括：车体、轮对、齿轮箱、轴承、 IGBT 元件等。

基础工艺是指轨道交通装备生产过程中量大面广、通用性强的铸造、锻造、焊接、热处理、试验检测

工艺等。

基础材料是指轨道交通装备工业制造中所需的小批量、特种优质专用材料，包括：高分子材料及制品、轻合金、高强度钢、特种绝缘材料等。

轨道交通“三基”范畴


高铁技术成为“新中国成立以来在工程技术领域少有的、系统性的能够在全球获得领先地位的技术”，主机产品及集成技术取得了重大突破！

国家政策及轨道交通装备国产化要求，给予轨道交通装备“三基”产业政策的有力支持，推动轨道交通装备“三基”产业持续提升。

先进基础材料、先进基础制造工艺还未取得实质性突破，关键系统和核心零部件产品性能质量和可靠性与国外知名品牌差距明显，基础工业体系已经制约了轨道交通装备产业的进一步发展。

轨道交通装备“三基” 发展现状

机械基础件轴承：精度保持性和可靠性低，高端轴承制造能力严重不足，导致 200公里以上的动车组配套的高铁轴承基本依赖高价进口。

轨道交通变流控制系统的IGBT：突破大功率芯片技术，延伸至智能电网、电动汽车等领域。


高速动车车体的大型结构铝型材：建立起国内先进、完整、配套的高性能大型结构铝型材的生产工艺体系。

表面工程技术：用于修复零部件加工磨损超差和表面的改性、强化和防护，拓展应用于船舶等各行各业。

齿轮材料用钢依赖高牌号钢与进口钢，造成齿轮制造成本较高等问题。

促进

轨道交通装备“三基”与我国“三基”的协同发展

制约






第一部分轨道交通“三基”的范畴和发展现状轨道交通“三基”的范畴和发展现状

1952-1996 年，全纤维曲轴、活塞、高磷闸瓦等为代表的一批关键成果，支撑起机车的铁路装备体系。

1997～ 2007 年的六次大提速，成功地开发出空心车轴、大缸径柴油机、高速齿轮箱、蠕铁制动盘等基础产品。

2004 年至今，自动车组、大功率机车引进消化吸收和再创新至今，其核心关键零部件逐步实现国产化， “三基”产业持续稳定增长。

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第二部分 “ ”轨道交通三基的技术创新成果

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发展历程

IGBTIGBT

基础零部件

齿轮驱动装置齿轮驱动装置

车钩缓冲装置车钩缓冲装置

制动盘制动盘


轮对轮对

基础零部件我国轨道交通基础零部件历经“引进、消化、吸收和自主创新”过程后，掌握了大部分核心关键技术，如成功开发：齿轮驱动装置、 IGBT 、基础制动装置等。

时速 350 公里及以上高速齿轮箱已研制成功，最高试验运行速度达到 420km/h ，正在 CRH380A 高速列车上装车运用考核。

基础零部件


功率重量比 1.42kW/kg ，轴承最高温度不超过 80℃，实测振动速度 <12mm/s ，噪声

<85dB 。密封处线速度 70m/s ，齿轮箱

零泄漏。

制动盘、闸片、夹钳在大功率机车及动车组上得到部分应用。

基础零部件


材料精炼技术多级浮动弹性调整闸片结构设计技术在基体中添加 Sn 、 Ni 等强化元素提高闸片的强度

制动盘和制动闸片摩擦磨损匹配性技术

建立了系统完整的基础制动装置仿真分析和试验验证体系。产品综合性能达到国际先进水平。

大功率 IGBT已成功应用于大功率交流传动机车、地铁等轨道交通装备，并在 500Km/h超高速试验列车上得到应用

基础零部件


开发出新的 SPT+ 芯片结构开发基于单面拱 AlSiC 基板与高可靠性

AlN衬板的低机械应力封装结构

降低了导通压降； IGBT器件耐受温度冲击的能力提高了 5倍

引进消化吸收国外的先进设备和先进技术，结合轨道交通产品的特点，实施再创新，建立了工艺体系，搭建了工艺仿真平台，满足了目前轨道交通装备的需求，可靠地保证了产品的质量稳定性。

高强度铝合金及型材的搅拌摩擦焊等新工艺成为轨道交通焊接制造的主流，成功应用于铝合金地铁轻轨车体的焊接，几十米长的车体焊缝可以一次成型。

基础工艺

国内首创金属材料和特殊表面的电刷镀工艺，成功运用于柴油机机体、转子轴颈、主轴瓦等的损伤修复。


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2 、规范了工艺设计仿真流程，优化了工艺仿真边界参数的设置，提高了工艺仿真的精确度

20世纪 90年代末开始，轨道交通开展了铸造、焊接、锻造工艺仿真技术研究，积累了大量的仿真数据和经验，工艺仿真在工艺辅助设计与验证方面发挥了巨大作用。

1. 建立了铸造、焊接、锻造工艺仿真模板，实现了工艺仿真结果的数据库管理。1. 建立了铸造、焊接、锻造工艺仿真模板，实现了工艺仿真结果的数据库管理。

3 、成功地运用于动车组铝合金齿轮箱铸造工艺仿真模拟以及转向架构架焊接工艺仿真，优化了产品的制造工艺，提高了产品质量。

3 、成功地运用于动车组铝合金齿轮箱铸造工艺仿真模拟以及转向架构架焊接工艺仿真，优化了产品的制造工艺，提高了产品质量。

工艺仿真

第二部分轨道交通“三基”的技术创新成果

Please write down of contents explanation for Business Area.

高牌号钢：配套轨道交通货车摇枕、侧架和车钩、钩尾框用全新 B级钢、 C 级钢、 B+级钢和 E 级钢以及动车用密接式车钩以及制动夹钳的新型铸钢材料。

电机绝缘材料：突破了牵引电机绝缘材料浸渍漆的分子设计和配方技术，应用于地铁和城轨的直线电机生产，正在向大功率牵引机车和高速动车组用牵引电机上推广。

弹性减振材料：应用于空气弹簧上，在欧洲高速车用空气弹簧市场上，具备了与一流竞争对手同台竞技的能力。

高强度铝合金型材和板材：大断面，轻量化，满足了高速列车对大型结构铝型材高强度、抗疲劳、耐应力腐蚀的要求。

基础材料

近年来随着轨道交通装备整体制造水平的不断提高，重大装备所需的基础材料配套水平大幅提升。

第二部分轨道交通“三基”的技术创新成果

第三部分与国外“三基”发展的差距比较

国外制造业发展方向

抗疲劳、耐腐蚀、高可靠性、轻量化、减免维修方向发展抗疲劳、耐腐蚀、高可靠性、轻量化、减免维修方向发展

机械基础件

基础工艺

向轻质合金、复合材料、新型工程材料方向发展向轻质合金、复合材料、新型工程材料方向发展

基础材料

与国外“三基”发展的差距比较

从满足常规产品、传统制造向满足高技术产品、现代制造及超常态制造发展

在基础性、前瞻性方面，与国外先进水平仍存在较大差距。

研发验证手段相对落后，产品质量、性能和使用寿命与国外先进水平还有较大差距。我国的轮轴、基础制动装置等很多轨道交通关键基础零部件还必须依赖国外进口。

第三部分与国外“三基”发展的差距比较

以使用传统的工艺手段为主，生产工艺装备落后，对一些先进的新工艺的引用和推广不足；自动化、数字化装备的普及程度不高，能源消耗、材料利用率及污染排放与国际先进水平相比差距较大。

与国外“三基”发展的差距比较



轨道交通与国外“三基”差距比较轨道交通与国外“三基”差距比较第三部分




车轴、车轮

解决轮、轴用钢的冶炼、热处理技术和空心车轴的

加工和轮饼成形技术

轴承

解决高速重载工况下对轴承高可靠性和延长使用寿命的要求

减振器

活塞杆制造工艺密封系统设计技术

钩缓

车辆动力学碰撞分析技术小屈服范围的吸能材料和热处理工艺

基础零部件

第四部分轨道交通 “三基” 亟待解决的技术问题

基础零部件


—基础零部件轴承

动车组用轴承，特别是电机轴承、轴箱轴承及齿轮箱轴承，作为高速动车组最核心的旋转部件，在高速运行下其动载荷显著加剧。时速超过 160 公里的动车组用轴承，目前仍需进口。因而必须开展适用于高速动车组运营条件的电机轴承、轴箱轴承及齿轮箱轴承的研究，研究高纯净度轴承用钢的冶金及热处理技术，解决高速重载工况下对轴承高可靠性和延长使用寿命的要求，并提高批量生产的工艺稳定性。同时开展轴承在高速运行工况下的动态监测及故障预测技术研究，实现对轴承剩余寿命的准确预测。


—基础零部件基础制动装置（制动盘、闸片）

加强制动盘材料研究、失效机理研究、热裂纹研究。加强闸片结构优化设计、粉末原料礼花性能、材料相变机理研究、分布加压烧结工艺研究，不同材料配方的摩擦副性能对比研究、摩擦磨损试验验证研究等。


—基础零部件车钩缓冲装置

为了进一步提高轨道交通装备被动安全性和旅客乘坐舒适性，研究钩缓冲装置的过载保护装置。通过车辆动力学碰撞分析，确定各级吸能装置能量分配原则；研究过载保护装置中能量体积比更大的结构设计、材料及制造工艺。


—基础零部件油压减震器

根据目前铁路趋势，各型车辆免保养周期在持续增长，这就对油压减振器长时间免维护使用提出了更高的要求。需提升活塞杆制造工艺，对表面活塞杆表面特性进行优化；结合活塞杆表面进行配套的密封系统设计；合理设置导向系统中的耐磨导向、衬套等部件，从而优化磨耗副摩擦特性、节点耐久性能，提升油压减振器免维护时间。

锻钢、轻质合金等材料的精密锻造

研究适用于中小模数齿轮的双频感应热处理技术，大断面高强度铝合金型材的热处理技术等

实现激光焊接和搅拌摩擦焊接等焊接工艺在高速动车组车体、城轨车体上的大面积应用

激光烧结技术实现无模化铸造

金属型低压铸造技术绿色铸造

精密锻造

焊接技术

热处理技术

基础工艺


基础工艺—铸造工艺


铸造工艺广泛应用于在轨道交通装备大中型关键零部件上，目前由于铸造工艺模拟仿真、铸造合金净化、造型材料等技术不成熟，造成铸件非金属杂质及内部缺陷较多，成品率较低。在造型方法方面，金属型铸造等先进的铸造方法运用较少，造成铸件抗拉强度和屈服强度较低，并产生较大的污染。

基础工艺—锻造工艺


目前锻造工艺在轨道交通装备中主要应用于曲轴、连杆、活塞、车轮、车轴、制动盘、轴箱体、钩尾框、支撑座等关键承载件的毛坯制造，由于仿真软件应用、工艺设计水平、模具材料和制造工艺以及锻造和加热设备等方面的原因，与国外先进的锻造水平相比，生产的锻件尺寸相对精度低、表面质量差，耗能费材。

基础工艺—焊接工艺


焊接技术在轨道交通装备工业得到广泛应用，车体、构架等关键零部件都是由碳钢板、不锈钢板、铝合金型材等金属板材通过电阻与电弧焊接而成。不锈钢电阻焊存在表面焊接压痕大、变形大、速度低，焊接部密封性差、焊点太多等薄弱环节。铝合金弧焊同样存在焊接变形、收缩和变色较大，焊缝机械性能低，外观质量差，对焊接环境要求高等缺点；从而影响了整车的质量、寿命和运营的可靠性。

近期，新型焊接工艺不断问世，主要包括激光及激光电弧复合热源焊接工艺，搅拌摩擦焊工艺，高精度及大厚度切割工艺，高效电弧焊工艺，等离子喷焊工艺等，其中，激光焊接和搅拌摩擦焊接在国外已被应用于动车组、城轨车辆产品的焊接，效果良好，我国在这方面相对落后。

1 、高强度、抗疲劳、耐应力腐蚀的铝合金材料的研制，满足轨道交通装备进一步轻量化的要求

基础材料


2 、高速动车组车轮、车轴材料研究，突破冶金质量控制、细晶高韧化、热处理工艺等关键技术

3 、高强、高韧、长疲劳寿命转向架构架用钢板研制，满足高速列车运行过程中转向架高可靠性要求

4 、新型的高性能齿轮渗碳钢研制，满足 30t轴重以上重载机车齿轮要求

5 、高粘结性、高绝缘性、高韧性的有机硅绝缘材料研究，满足超大功率 IGBT模块的应用要求

—基础材料低合金高强韧铸钢


低合金高强韧铸钢具有冶金质量高，强韧性好，焊接性能优良的特点，主要用于轨道交通装备关键部件，如车钩、夹钳、钩尾框、支架、轴箱等。

我国铁路货车铸钢厂生产的钢种仍以低合金钢和碳素钢为主，钢中气体及夹杂物含量高，化学成分和力学性能波动范围大，特别是铸钢件的低温冲击韧度与疲劳性能较差。近年来，我国在轨道交通装备国产化的过程中，也相继开发了 ZG18MnNiV、 PQ400NQR1 等一批具有良好的强韧性配合和综合性能的低合金高强韧钢，基本满足了关键部件的使用要求，但与发达国家铸钢件质量相比，在使用性能与寿命方面仍存在一定差距。

—基础材料轻合金（铝合金、镁合金）


广泛应用于在航空、航海、轨道交通装备及汽车等交通运输领域。在轨道交通装备领域中主要应用产品有：高速动车和机车齿轮箱、轴箱、车体、活塞、轮毂等。

国外先进制造业在轻合金材料研究方面起步早，目前高强度铝合金材料已广泛应用于动车组车体，传动齿轮箱、轴箱等关键部件，镁合金材料已广泛应用于座椅、框架等。而我国轻合金材料应用于轨道交通装备行业时间较晚，目前成功开发了一批高强度铸造铝合金，并得到了较广泛的应用。但国产的铸造镁合金在轨道交通装备方面应用仍较少。面向交通运输领域的轻合金研发落后于工业发达国家 , 相关的材料标准老化 , 品种稀少 , 加工工艺标准不完善。

—基础材料牵引电机用特种绝缘材料


轨道牵引电机用特种绝缘材料主要包括聚酰亚胺薄膜、云母带、浸渍漆等原材料，可显著提高轨道交通牵引电机、电器绝缘性能。国外对牵引电机绝缘材料技术进行了大量的理论和实验研究，相关产品体系已在国外高速列车电机应用多年，性能可靠，且高端原材料等被国外垄断。

国内牵引电机绝缘材料研究起步较晚，目前在高速动车组、大功率机车、城轨车辆等高端轨道交通装备牵引电机已有应用，但与国外产品相比，存在电机绝缘结构基础研究不足，材料合成及工程化能力弱，产品性能、可靠性以及生产工艺水平较低等薄弱环节。

—基础材料碳纤维增强材料


碳纤维增韧陶瓷基复合材料，是一种以碳纤维为增强体，以碳、碳化硅为基体的复合材料。具有密度低（约 2.0g/cm3）、耐磨性好、摩擦系数高、制动平稳、抗腐蚀、抗氧化、耐高温、环境适应性强和寿命长等优点，是一种将热防护、结构承载和防氧化结合为一体的新型复合材料。主要用于高端轨道交通装备用摩擦领域，如制动盘、制动闸片等。

碳纤维增韧陶瓷基复合材料技术在国内外属于新兴的技术，目前，仅有国外少数几家企业具有批量生产陶瓷基复合材料制动副的能力，该材料目前只应用于航空、赛车等高端装备领域，在轨道交通装备行业尚无应用，属于前沿基础材料，代表未来轨道交通高速、重载、轻量化、环保化的发展方向。国内在该领域研究尚属于起步阶段。

布局基础共性技术的创新平台，建设以企业为主体覆盖“三基”的国家级技术创新平台。

1

将具备条件的轨道交通装备基础研究项目列入国家 863、 973计划或科技支撑计划等，并酌情考虑优

先立项。

2

装备制造业率先加强“三基”研究，投入更多的资源开展基础技术、前瞻性技术攻关。

应优先支持国产系统装备的试验验证考核，提高轨道交通基础配套产业的国产化率。

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第五部分 “三基”发展建议

建设第三方公共检测实验平台，形成专业化的检测、试验和服务能力。

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工信部已将常州列为轨道交通装备新型工业示范基地，南车戚研所和南车戚机公司作为龙头企业，将发挥他们的集聚效应和示范作用。建议江苏省对示范基地“三基”产业的发展提供支持、引导和服务，促进常州市、江苏省乃至全国轨道交通产业更好、更快的发展！

工信部已将常州列为轨道交通装备新型工业示范基地，南车戚研所和南车戚机公司作为龙头企业，将发挥他们的集聚效应和示范作用。建议江苏省对示范基地“三基”产业的发展提供支持、引导和服务，促进常州市、江苏省乃至全国轨道交通产业更好、更快的发展！

第五部分 “三基”发展建议

结语

制造业的兴衰，印证的是大国的兴衰，没有强大的创新制造业，就不可能成为经济大国和强国。惟有以建设制造强国为主题，以“三基”规划和“十二五”规划为纲领，以提高自主创新能力为核心，着力加强“三基”产业基础和共性技术研究，推动制造业尽快走上创新驱动的轨道，使我国制造业实现由大变强，真正实现“中国制造”向“中国创造”的转变。

问题

如何保障自主研发的基础零部件运行时的安全性与可靠性 ?

1 、仿真试验？2 、地面试验？3 、线路运行？

基于振动频率信号的基础零部件故障诊断与在途预警技术

1 、轴承、齿轮、轮对踏面等2 、以振动频率信号替代温度信号进行故障识别

基于振动频率信号的基础零部件故障诊断的优势与作用

1 、轨道交通车辆关键零部件的安全监测2 、从定时修和定里程修转变为状态修3 、为自主研发的关键基础零部件提供上车运行考核试验的安全保障4 、在整个基础零部件的全寿命周期中收集相关状态数据，掌握其状态变化规律，为基础零部件的后续完善与改进提供支撑。

关键基础零部件的故障模式（轴承）

麻点剥落麻点剥落

规则片状剥落

不规则片状剥落

条状剥落


条状剥落条状和片状混合的剥落

块状剥落局部应力引起的剥落


擦伤咬死


磨损类失效：电化学腐蚀磨损


断裂类失效

3.断裂类失效3.断裂类失效

套圈档边断裂外圈断裂

关键基础零部件的故障模式（车轮）

1 、踏面裂纹

产生原因 : 空转与滑行


2 、车轮扁疤

产生原因 : 空转与滑行


2 、车轮不圆（多边形）

关键基础零部件故障模式的特点

① 关键旋转部件的寿命离散性大

② 关键旋转部件的故障存在隐蔽性和突发性

③ 现有轴温监测预警存在局限性

④ 关键旋转部件的故障振动监测的合理优越性

⑤ 关键旋转部件工作环境的复杂性

⑥ 关键旋转部件早期故障的多样性和复合性

关键基础零部件检测试验装置

关键基础零部件故障检测系统

关键基础零部件故障诊断的一般技术路线

故障模式机理研究

故障模式模拟试验研究

故障信号突显技术研究

故障特征提取技术研究

故障分类技术研究

分类故障信息融合技术研究

分类故障信息融合技术研究

线路运行试验研究

监测与预警系统的集成研制

关键基础零部件故障诊断的总体方案

故障试验

故障数据

特征提取方法

基于小波的诊断方法

基于 EMD的诊断方法

基于循环平稳的诊断方法

加速度传感器

数据采集

数据传输网络

PC机诊断算法

诊断软件系统

文件管理数据管理诊断方法结果显示数据通讯

轨道交通装备 “三基”技术现状与展望

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