从全球研发热点看轨道车辆转向架构架铸造技术的发展
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摘 要：转向架是轨道车辆车身与车轮之间的连接部件，转向架构架是构成转向架的基础结构部件，轨道车辆的转向架构架主要采用铸造工艺生产，其技术的进步也反映着轨道车辆技术的发展与进步。本文基于轨道车辆转向架构架铸造工艺，对全球范围内涉及这一特定研究方向的技术进行分析，阐述轨道车辆转向架构架铸造技术的研究现状和发展趋势，对典型技术进行说明。
关键词：转向架构架;侧架;摇枕;铸造;造型;组型;浇铸
转向架是轨道车辆车身与车轮之间的连接部件，属于车底走行系统的重要部件，转向架构架一般包括侧架与摇枕，是构成转向架的基础结构部件。轨道车辆的转向架构架主要采用铸造工艺生产，要求铸件不但要具有较高的成型精度和表面质量，还要具有足够的强度和抗疲劳性能，对其铸造过程中的材料成分、造型工艺、浇注系统及浇注工艺设计等环节均提出较高要求。
一般来说，转向架构架的铸造遵循铸造工艺的一般流程，其技术核心为造型方案与浇铸工艺的设计，决定着铸件是否能够获得符合要求的外观质量和工作强度。从全球范围来看，转向架构架（侧架和摇枕）的造型方案存在组芯方案和整体芯方案两种，且均被广泛采用，浇铸工艺则存在普通重力铸造、V法负压浇铸、消失模铸造等多种工艺，上述工艺在铸件的充型补缩、顺序凝固、尺寸控制以及生产节奏和效率方面各有优缺点，基于翻箱造型的重力铸造方式仍然是目前应用于转向架构件的最为成熟的一类铸造技术。
专利技术通常代表一个行业的核心技术，通过对全球专利库进行检索可以发现，涉及轨道车辆转向架构架铸造专利技术的全球申请数量逾400篇。通过对专利申请人和申请年代进一步分析可以发现，2006年以前该领域全球专利申请者多为来自美洲的公司，例如美国AMSTED（安施德）公司。2006以后随着中国轨道交通技术的发展，技术原创国为中国的专利申请开始增多，具有代表性的申请人如齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司、中国南车集团眉山车辆厂等。2012年后随着全球经济一体化进程加速，该领域全球专利申请也呈现出多元化趋势，即包含美国NEVIS（内维斯）公司等申请人，也包含了中国的南车长江车辆有限公司等申请人。
下面针对转向架构架造型工艺和浇铸工艺两方面的技术发展状况和研究热点展开探讨。
1 造型工艺
根据前面的介绍，转向架构架的造型工艺存在组芯方案和整体芯方案两种。组芯方案是指分层、分段制芯后在型腔中将各砂芯进行组合形成整体铸件模型，这种方案的优点是单个砂芯形状简单、制造方便，对制芯设备要求低，操作性好，但其缺点也显而易见，由于是多段砂芯组合在一起，结合部位存在不易控制的间隙，会导致铸造产品飞边、披缝、皮下气孔、微裂纹等缺陷，另外由于下芯时定位困难造成铸件精度差，大量芯撑的使用对浇铸过程产生各种不利影响。整体芯方案则是指将多元化砂芯整合为单元化，采用整体制芯工艺制芯，这种制芯工艺避免了组芯工艺中因砂芯的配合和定位问题潜在的缺陷，外观和内在品质均佳，但整体芯的制造具有较高的技术难度。
近年来，我国轨道车辆转向架构架生产厂家热衷研究整体芯铸造技术，南车集团旗下公司基于该技术曾申请国际专利，而国外生产厂家则仍然比较热衷于采用技术比较成熟的组芯制造方案，但其在砂芯结构的简化、组芯方案规划方面不断取得进步，制芯工艺也精益求精。例如，美国NEVIS（内维斯）公司于2012年申请的WO2012158713A1等一系列“有轨车辆转向架的侧架和摇枕及其制造方法”国际专利是综合运用了优选造型材料、制芯下芯的公差配合、砂箱及冒口尺寸的控制、浇注系统的优化等技术手段来致力于产品质量的提高和生产成本的降低。值得注意的是，组芯造型和整体芯造型两种工艺并不是孤立的，国内外许多厂家对组芯造型中砂芯结构的不断优化改进其实正是在这两种方案中寻找结合点，以期获得最高产品质量和最佳生产效率。例如，巴西AMSTED MAXION（阿姆斯特德-马克西翁）公司2008年申请的WO2008154712A1国际专利涉及一种用于轨道转向架侧架的铸造方法，采用的仍然是组芯造型工艺，但通过對铸造模型的改进消除了定位于底座空间和中央空间中的型腔形成元件，从而在铸造方法中省略了中央型芯和底座型芯，这种减少型芯数量的思路与整体芯思路有异曲同工之妙。
2 浇铸工艺
对于转向架构架的浇铸，无论是国内还是国外，研究热点仍然是基于翻箱造型的常规砂型铸造工艺，这与侧架、摇枕铸件结构特点相适应，经过几十年实践，中外厂家在翻箱造型、制芯、浇注系统设计、定向凝固及补缩控制等环节均获得了成熟的发展，因此，该技术仍然是全球应用和研究的主流技术。
V法负压浇铸、消失模铸造等特种铸造工艺在充型补缩、顺序凝固、尺寸精度控制等方面具有特殊的优点，但对于转向架构架这样的大型铸件，采用特种铸造工艺时，设备和浇注系统的设计与制造则比较复杂，工艺操作上也具有更高的要求，目前并非应用主流，但也有厂家进行这方面的尝试。例如重庆汉华汽车零部件制造有限公司2013年申请的CN103212671A中国专利涉及采用消失模铸造铁路机车摇枕与侧架的工艺，主要利用振动造型后从浇冒口点燃泡塑模型，等泡塑模型烧烬后进行真空浇注的技术手段，结合浇注过程中持续振动砂箱来实现铸件精度控制和缺陷控制。
特种铸造工艺应用时一般有特别关注点，随着造型工艺进一步成熟，造型与浇铸技术进一步融合，特种铸造工艺有望解决传统铸造中难以解决的问题。
综上，轨道车辆制造工业是高度集中化的工业，未来技术研发必然继续延续向少数国家、少数公司集中的趋势，这取决于该技术的复杂性和技术的传承性，也取决于优势企业在研究广度和深度上的不断延伸。通过对造型工艺和浇铸工艺国内外研究热点和典型技术进行分析可以看出，传统技术不一定是落后技术，传统行业蕴含新动能，新技术要经过自身的不断完善，实现与传统技术的深入融合才能成为驱动社会进步的无限动力。
参考文献：
[1]Dale Monsell.北美铁路货车转向架的发展.国外铁道车辆，2000（4）.
[2]杨爱国.我国货车转向架的现状与发展趋势.铁道车辆，2005，43（6）.
作者简介：张建明（1983-），男，汉族，山东泰安人，本科，审查员，助理研究员，主要从事发明专利实质审查和PCT专利国际检索工作。
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