高速动车组交通领域异形件3D打印研配构想分析

高速动车组交通领域异形件3D打印研配构想分析

郭锐 栾福辉 程辉 刘峰欣 周国栋 杜永进

中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东 青岛266111

摘要：为了解决高速动车组交通领域异形件组装、检修时所遇到的工艺难题,以高速动车组交通领域异形件融覆修复为例提出改变传统的检修修复制造工艺,论证3D打印机制作、修复高速列车及配套产品异形件的可行性,预测3D打印技术在动车组制造、检修等领域中的应用会越来越广泛。

关键词：高速动车组；转向架；技术解析

3D打印是快速成型技术的一种，通过构建数字模型文件，并使用金属或塑料粉末制品等可粘合材料，将其逐层打印制作目标产品。与传统制造技术相比，3D打印可以实现复杂结构加工和无模具制造、个性化定制、多零部件和多材料的整合，同时减少了材料的浪费。3D打印技术发展迅速，在航空航天、汽车、石油化工、精密制造及医疗产品开发等领域已得到广泛应用。3D打印的技术优势使得研究人员开始关注3D打印技术与轨道交通领域的有效结合。这一过程仍处在探索阶段，在实际应用方面鲜有报道。利用3D打印技术来强化轨道及列车部件性能，延长维修周期，快速制造、修复易磨损零部件（钢轨、道岔、闸瓦、轮对等），从而降低轨道交通系统的成本，提高工作效率，具有重要的实用价值。本文拟通过概括介绍3D打印的技术优势，对其在轨道交通相关领域的研究进展、应用于轨道交通领域尚需解决的问题等进行分析讨论，并对今后的发展趋势做出展望。

1、高速动车组转向架技术常见问题及改进措施

1.1 转向架构架问题及措施

高速动车组转向架构架应该具备足够大的强度，一般来说其使用寿命在30年。一般情况下，高速动车转向架构架不容易产生裂纹，在产生裂纹时也易出现在焊缝处，所以在日常维护检修时，除了要对转向架构架整体进行检查，还需要对易出现裂纹的焊缝出进行针对性检查，确保构架不会出现安全隐患。

1.2 车轮和车轴问题及措施

内部缺陷或踏面缺陷为车轮中最常见安全问题。高速动车组在每行驶10万公里时就要对车轮进行超声波探伤检修，当车轮存在超过直径3 mm的缺陷或深度超过1 mm的缺陷时，就要及时对其进行更换[2]。

而车轴中最常见的问题是空心车轴表面缺陷，当高速动车组行驶超过10万公里时，就要对其空心车轴进行检查，当出现超过1 mm深度的缺陷时，需要立即更换。

1.3 空气弹簧问题及措施

空气弹簧在动车组行驶过程中具有非常重要的作用。在日常维护过程中其最常见的问题遭到异物击打，导致橡胶产生裂纹，而其由于自身老化引起的裂纹现象极少发生。空气弹簧内部帘线层承受压力，空气弹簧的强度、硬度和耐久性由内部帘线参数决定。当裂纹深至帘线层后，帘线与空气长期接触会导致老化，从而降低其强度，所以需要对其及时更换;当裂纹未使帘线与空气直接接触时，空气弹簧仍可以继续使用。

1.4 减震器问题及措施

转向架上减震器多采用油压型减震器，它主要吸收冲击所产生的振动能量，并起到缓冲连接部位的作用力。在对减震器日常维护中最常见问题其一是减震器在遭受异物击打时会产生形变，需要维护人员判断其是否影响动车运行;其二是减震器表面发生渗油现象，这就需要检修人员评测其漏油严重程度。对减震器日常检修的标准有：减震器应不存在裂纹，部件完整无缺失;减震器应不存在滴油现象;检查螺栓防松标记是否完整，若不完整应立即进行更换处理。

1.5 轮盘问题及措施

在车轮两侧的轮盘，由于经常产生单面摩擦，所以在摩擦制动情况下会产生高温而引起形变。而制动盘又是靠螺栓固定在靠近轮座处（盘的内圆附近），因此没有被固定的制动盘外圆部分会朝着车轮范防线发生形变。另一个容易产生的问题是轮盘存在异物而导致运行时产生刻痕，若其刻痕深度超过1 mm，就会造成安全隐患，应立即对其进行更换。

2、3D打印在高速动车组交通领域的研究进展

   2.1激光宽带融覆技术改变钢轨耐磨性

钢轨作为轨道交通的重要组成部分，引导列车轮对沿着既有轨道前进，与轮对直接接触并承受来自轮对的巨大压力。钢轨在长时间工作下，便会出现影响其使用性能的伤损，如折断、裂纹和磨损等。为了尽可能的减少钢轨损伤，改善钢轨的材质，提高钢轨耐磨性是有效的方法之一。例如，高硬稀土轨的耐磨性是普通刚轨的2倍左右，淬火轨的耐磨性为普通钢轨的1倍以上。整个钢轨都使用高耐磨性材料则成本较高。使用激光宽带熔覆技术，对普通钢轨表面进行强化，效果明显。激光熔覆其本质是在钢轨表面附加高耐磨性材料而改善其耐磨性。通过在钢轨表面添加高耐磨型材料，并在高能量密度的激光束作用下与钢轨表面薄层一起熔凝的方法，可在钢轨表面构建一层高耐磨性的熔覆层。在对钢轨表面强化时需将自熔性Fe基粉末以同步送粉的方式输送到钢轨表面，进行激光熔覆。这一技术可使用3D打印机完成，并适用于轨道交通系统中对耐磨性有较高要求的其它零部件。

2.2 易磨损零部件的修复

钢轨、道岔、闸瓦、轮对等在使用过程中发生各种伤损难以避免，其伤损会直接降低正常功能，在反复交变载荷作用下，零部件因使用过度而疲劳，从而引起损伤，对行车安全造成一定的影响。常规的解决方式是更换新部件，耗时长、成本高。随着对铁路运能要求的不断提升，对于铁路施工效率的要求也越来越高。若能实现钢轨局部的3D打印修复，可不用拆卸待修复钢轨，直接切削钢轨表面的破损、裂缝部位，利用3D技术在钢轨切削表面上进行打印修复，避免拆卸钢轨，可以缩短工期，降低成本。前期的一些研究为该设想提供了一定的理论和技术基础。3D成形修复技术的提出突破了激光熔覆技术仅能在规则曲面上涂覆熔合层的技术局限，实现了表面凹凸不平或复杂/异形结构零件表面成形修复/修补；探讨了基于3D打印激光成形修复技术在矿机易损设备修复的应用范围及应用前景，认为3D打印激光修复设备易损零部件具备可行性，可达到仿形精确修复并提高矿用设备易损件使用寿命的目的；在产生裂缝、细纹或破损的钢轨接触面上切削一定的厚度，利用3D打印技术在切削后的工件表面打印高性能的合金材料，从而达到改善钢轨性能、延长使用寿命的目的。此外，对于缺损部件，可尝试采用数字化扫描设备对切削后的零部件进行三维重建，利用3D打印技术在切削后的表面上打印强度、硬度和耐磨性都较高的合金材料，从而提高上述零部件的耐磨性。

2.3 辅助研发和制造

在新结构设计验证阶段，采用塑料材料打印出模型，打印速度快，成本低。在设计完成后即可使用3D打印技术进行模型制造，去除了开模试制组装试件环节，从而节省了模型试制时间。此外，如果装配中发现问题，可立即修改设计并再次快速制成模型。铁科院铁建所三维打印技术实验室使用3D打印设备打印1∶1零部件模型，进行组装，验证装配尺寸和合理性，并首次将3D打印技术应用于铁垫板试件制造，其流程是直接用3D打印机打印出铸造砂模，然后在铸造车间浇铸成试件。整个过程用时15小时，比传统工艺制造周期缩短了25天，节省成本近2万元。利用3D打印技术生产制造限位块模具型芯，打破了传统的模具设计与制造方法，实现了绿色、快速模具制造。采用选区激光烧结和三维喷印两种工艺快速打印出铁路典型铸钢件砂芯，铸件形位尺寸精确、表面光洁，达到试制要求。此外，已有学者提出利用3D打印技术强化轨道部件性能，快速制造铁路阔大货物模型并进行模拟教学、试运测试和装载加固等设想，并分析讨论了其理论可行性和实际应用价值。

2.4 提高轨道列车检修效率

我国轨道列车检修采用计划预防修制度，即先通过统计分析车辆零部件损耗的相关数据，推算出不同零件的损伤规律、速度以及损伤极限，科学地有计划地将零部件划分成若干组，并制定相应的检修期限和检修范围。以我国CRH系列高速动车组为例，将检修分为5个等级：一级和二级检修是指日常的运用检修，三至五级检修是指定期的更高级别检修，检修周期根据列车运行的里程或时间的长短确定。列车每次入库均须进行一级检修，包括机车设备、车厢设施、车载信息系统、车顶设备及其它性能试验；列车运行3万公里后须进行二级检修，包括清洗列车外部，检查电气设备及车体等机械部件的状态，并进行其它性能的试验。由于一二级检修频率较高、总修时较短，传统的工厂制作耗时较长。列车一二级检修涉及的零部件种类较多，全部备齐的同时又难以避免浪费。针对轨道交通形态各异的零部件，3D打印的优势在于小部件加工精准、快速，利用3D打印技术来制造易磨损、加工工序复杂的零部件，能够实现即刻设计、即可生产，若未来可以实现大规模的使用3D打印技术生产零部件，将极大提高高铁列车检修效率。

3、结语

伴随着动车铁路专线的增加，动车组速度的提升，人们对其安全性、快捷性、舒适性都提出了更高的要求。快速检修是高速动车组基本的任务之一，成熟的3D打印技术能大大提高动车组的零部件修复及研配工作效率，满足高速动车组检修部门对高速动车组日常检修的基本要求。

参考文献：

[1]霍长存.高速动车组转向架技术研究[J].中国周刊，2020（4）

[2]胡凤剑.动车组转向架构架加工技术分析[J].汽车博览，2020（3）

[3]高传风，尉晓文，张建政.高铁转向架防松技术研究[J].科学与信息化，2019（3）