高鐵車輪熱處理線及其生產(chǎn)實(shí)踐

趙振永，任學(xué)藝，寶 江

（1.特諾恩技術(shù)（天津）有限公司，天津300192；2.太原重工軌道交通設(shè)備有限分公司，山西 太原030032）

火車車輪是列車傳動系統(tǒng)中的關(guān)鍵零部件，具有載重、導(dǎo)向、傳遞牽引力和制動力的作用。隨著世界上鐵路運(yùn)輸?shù)闹剌d化、高速化和多元化發(fā)展，對列車車輪的質(zhì)量要求日益提高，而車輪熱處理就是車輪生產(chǎn)的一道至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。2013年由德國LOI公司為國內(nèi)某公司設(shè)計制造的國內(nèi)第一條高鐵車輪熱處理生產(chǎn)線各項性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計要求，經(jīng)過這幾年的生產(chǎn)實(shí)踐，證明這條生產(chǎn)線無論從技術(shù)性能上，還是在質(zhì)量及使用壽命上，都經(jīng)受住了時間的考驗(yàn)，該生產(chǎn)線生產(chǎn)的高鐵車輪正行駛在祖國大地上。

這條生產(chǎn)線在熱處理行業(yè)屬于高度自動化的生產(chǎn)線，是一條符合中國制造2025或德國工業(yè)4.0的自動化車輪生產(chǎn)線。

1 熱處理線的主要設(shè)備組成

該熱處理線實(shí)物概貌見圖1。主要由下列設(shè)備組成。

圖1 熱處理線實(shí)景圖

1.1 等溫退火爐

等溫退火爐作用主要是去氫，以防工件發(fā)生氫脆。爐型采用爐車式隧道爐，設(shè)有加熱區(qū)和保溫區(qū)。采用普通燃?xì)鉄?、脈沖燃燒控制。

1.2 淬火加熱爐

淬火加熱爐主要用于淬火前加熱。爐型同等溫爐，設(shè)有加熱區(qū)和保溫區(qū)。但淬火爐對爐溫均勻性的要求更高，因此，采用自身預(yù)熱燒嘴、脈沖燃燒控制，來達(dá)到要求的溫度均勻性。

1.3 淬火臺

該生產(chǎn)線共設(shè)置了8個淬火臺（見圖2），以滿足所需產(chǎn)量要求。淬火臺位于淬火加熱爐出口側(cè)。車輪淬火是車輪熱處理的核心，對改善和穩(wěn)定車輪的金相組織和力學(xué)性能、提高車輪耐磨性及使用壽命，起著非常關(guān)鍵的作用。由于對高鐵車輪不同部位的機(jī)械性能有不同的要求，所以，不能實(shí)施整體淬火，必須對要求的部位做可控淬火。淬火時，通過淬火機(jī)械手將完成淬火加熱的車輪輸送到淬火臺上，車輪內(nèi)側(cè)面朝上水平放置，淬火臺自動將車輪固定、旋轉(zhuǎn)，按照預(yù)定工藝對車輪進(jìn)行可控水量及水壓的噴水淬火，淬火完成后由機(jī)械手將車輪移走。調(diào)試結(jié)果及多年使用證明，由德國LOI供貨的淬火臺，完全滿足生產(chǎn)中各種工藝的淬火要求，且多個淬火臺的淬火一致性非常好。

圖2 淬火臺實(shí)景圖

1.4 回火爐

回火爐用于車輪的回火處理?；鼗馉t位于淬火臺的下游。通?；鼗鹱鳛楣ぜ淖罱K熱處理，因此，對回火爐的溫度均勻性要求更高，為此，除采用分區(qū)控溫及脈沖燃燒外，在回火爐的爐頂上設(shè)有循環(huán)風(fēng)機(jī)，通過加大氣流循環(huán)，提高溫度均勻性。

1.5 輸送系統(tǒng)

鏈?zhǔn)捷斔屠浯?、機(jī)械手、爐車推動裝置、橫向輸送車(含爐車?yán)鲅b置)、空爐車輸送裝置（爐車返回線及爐車輸送線）、儲料臺等構(gòu)成了整條生產(chǎn)線的輸送線。

根據(jù)不同的工藝要求，按照設(shè)定的工藝路線，車輪經(jīng)由鏈?zhǔn)捷斔屠浯?、橫向輸送車、推料裝置、出料裝置、機(jī)械手、淬火臺和4座分別用于等溫退火、淬火加熱和回火加熱的爐車式加熱爐、爐車輸送裝置等，完成相應(yīng)的輸送過程。車輪的整條傳輸系統(tǒng)對速度控制、精確定位和啟動的平穩(wěn)性有很高的要求，因此，各傳輸設(shè)備均裝備有增量型感應(yīng)元件和變頻器。特別對于設(shè)備與設(shè)備間傳輸，為實(shí)現(xiàn)精確的位置控制，相應(yīng)的傳感器，如光柵、限位開關(guān)等均被采用。

該輸送系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是定位準(zhǔn)確、速度可調(diào)，并具有故障報警(控制上)功能。這些輸送裝置有的采用減速電機(jī)直接驅(qū)動，有的采用液壓驅(qū)動，有的則是機(jī)械和液壓組合式驅(qū)動。

機(jī)械手，對于高鐵車輪的輸送起著關(guān)鍵作用。尤其對于抓取高溫車輪的淬火機(jī)械手，需考慮高溫對機(jī)械手的影響，因此，需采用耐熱鋼做鉗口，需要對電器元件做遮蔽等。機(jī)械手包括一系列驅(qū)動以完成諸如夾緊、提升、傳動和旋轉(zhuǎn)等動作。其中，淬火機(jī)械手有4個獨(dú)立的夾鉗，可以同時從爐車上夾取4個車輪，然后分別放到4個淬火臺上，淬火完畢后，再將4個車輪從4個淬火臺上輸送到爐車上（見圖3）。而上料機(jī)械手和卸料機(jī)械手均各有一個夾鉗，每次夾取一個車輪，爐車上的4個車輪需分4次夾取輸送。每個夾鉗的載荷可達(dá)1 100 kg。

圖3 淬火機(jī)械手實(shí)景圖

1.6 淬火水系統(tǒng)

淬火水系統(tǒng)主要由淬火水池、供水泵、自動反沖洗過濾器、回水泵、冷卻塔、水加熱系統(tǒng)（冬季用）、淬火水控制閥組、氧化皮清除裝置、水循環(huán)攪拌器、加藥裝置等組成。

淬火水系統(tǒng)的作用就是為淬火臺提供滿足淬火要求的水量、水壓、水溫。

1.7 終冷通道

終冷通道用于熱處理后熱輪的冷卻，并將其送

到后面的設(shè)備，如打標(biāo)貼標(biāo)機(jī)和硬度測量儀。終冷通道為鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，配有冷卻風(fēng)機(jī)及水冷裝置。

1.8 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是現(xiàn)代化設(shè)備不可缺少的一部分。無論是熱工測量與控制，還是各種動作的完成，最終均需控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)其自動化功能，尤其對于這種大型、多種設(shè)備組合的生產(chǎn)線，功能強(qiáng)大的控制系統(tǒng)顯得尤為重要。該控制系統(tǒng)主要由以下各部分組成：

（1）一組用于電氣供電、馬達(dá)驅(qū)動及供電分配的低壓開關(guān)柜，包括變頻器柜。

（2）一組測量-控制柜，包括CPU模塊和各種數(shù)字量模塊和模擬量模塊，以及現(xiàn)場配置的各種儀器儀表。

（3）監(jiān)控和操作系統(tǒng)，配置相應(yīng)的硬件和軟件；包括基于西門子WinCC的人機(jī)界面HMI。

（4）帶PC面板的手動操作臺。

（5）獨(dú)立的淬火工藝配方和數(shù)據(jù)管理計算機(jī)。

2 熱處理線的主要工藝參數(shù)

（1）熱處理線生產(chǎn)能力：～35 t/h

（2）車輪輪緣尺寸

直徑：550～1 400 mm

整體厚度：130～300 mm

重量：275～1 050 kg

材質(zhì)：適用于各種類型車輪材質(zhì)

（3）等溫退火爐

等溫退火溫度：400～650℃

最高爐溫：700℃

（4）淬火加熱爐

淬火加熱溫度：800～900℃

最高爐溫：1 000℃

（5）淬火介質(zhì)：水

淬火水溫：20~40℃

淬火水過濾精度：100 μm

（6）回火爐

回火溫度：450～580℃

最高爐溫：600℃

3 熱處理線的技術(shù)特點(diǎn)

3.1 可控局部淬火

對高鐵車輪或普通車輪進(jìn)行淬火，要求在踏面下35 mm深度在組織轉(zhuǎn)變發(fā)生的溫度范圍要有一個科學(xué)的冷卻速度。所以，車輪的淬火不是整體淬火，而是局部可控淬火。如何將水噴到輪輞上、又不噴（濺）到車輪其它地方，如何控制噴水量以保證恒定的冷卻速度，這些都是設(shè)計的關(guān)鍵。由德國LOI公司設(shè)計、制造的具有高速旋轉(zhuǎn)及升降、夾緊功能，配以流量可調(diào)的多功能噴嘴的淬火臺，均能很好地滿足各種工藝要求。

3.2 適應(yīng)多種工藝過程

由于爐車式隧道爐的爐車可以按照設(shè)計的線路進(jìn)行輸送，既可以從熱處理線的起始位置開始輸送，也可以從生產(chǎn)線中的某個位置開始輸送；既可以從生產(chǎn)線的終點(diǎn)下料，也可以從生產(chǎn)線中的某個位置下料，這就為這種爐型提供了靈活多樣的熱處理工藝路徑?？傊?，這條生產(chǎn)線具有非常強(qiáng)大的靈活性，這也是這條生產(chǎn)線的最大特點(diǎn)。

3.3 高度機(jī)械化、自動化的操作

機(jī)械手、輸送車、推（拉）料機(jī)、鏈?zhǔn)捷斔途€等與控制系統(tǒng)的完美結(jié)合，使該生產(chǎn)線成為高度機(jī)械化、自動化的生產(chǎn)線。車間現(xiàn)場不需操作人員，改善了操作環(huán)境，節(jié)省了勞動力。

3.4 根據(jù)工藝需要，采用不同的加熱方式

等溫退火爐：爐溫較低且要求的溫度均勻性也較低，因此，采用普通直焰燒嘴配以脈沖燃燒，即可實(shí)現(xiàn)要求的溫度均勻性；淬火加熱爐：爐溫較高且要求的溫度均勻性也較高，因此，采用自身預(yù)熱燒嘴配以脈沖燃燒，通過燒嘴自身排煙來預(yù)熱空氣，使得每個燒嘴的加熱區(qū)域形成均勻的溫度場；回火爐：爐溫低且要求較高的溫度均勻性，采用普通直焰燒嘴配以脈沖燃燒；此外，爐內(nèi)配備爐頂循環(huán)風(fēng)機(jī)，通過加強(qiáng)對流循環(huán)來實(shí)現(xiàn)要求的溫度均勻性。

3.5 利用鍛造余熱，節(jié)約能源

該熱處理生產(chǎn)線上游為車輪鍛造機(jī)，熱處理線的能力與鍛造機(jī)匹配，車輪鍛后溫度仍有約900℃。根據(jù)熱處理工藝要求，需要將車輪溫度降至約550℃左右，然后進(jìn)入等溫退火爐做等溫處理。因此，車輪具有的約550℃的鍛后余熱可以被保留下來加以利用，從而節(jié)約了能源。這也是連續(xù)鍛造及熱處理生產(chǎn)線的優(yōu)勢。

3.6 強(qiáng)大的自動控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)具有極強(qiáng)的顯示和信息處理能力：從顯示各參數(shù)的測量值、爐內(nèi)車輪的位置，到實(shí)現(xiàn)對當(dāng)前實(shí)際熱處理過程狀態(tài)的全面控制，以及實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動化的操作。

3.7 物料跟蹤系統(tǒng)

為保證產(chǎn)品的高質(zhì)量，生產(chǎn)線采用了全自動物料跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)由PLC控制并通過WinCC人機(jī)界面系統(tǒng)（HMI）進(jìn)行操作。該物料跟蹤系統(tǒng)對生產(chǎn)線上所有單體設(shè)備采取整體控制模式，即自鏈?zhǔn)捷斔屠浯驳膩砹祥_始直至車輪完成熱處理傳送至用戶終端設(shè)備。

所有相關(guān)數(shù)據(jù)，特別是車輪質(zhì)量、生產(chǎn)狀況等重要的數(shù)據(jù)都將會被報告、監(jiān)控和存儲并將永久性地傳送到用戶的MES計算機(jī)以存儲和保護(hù)。

此外，在設(shè)備的重要位置還裝配攝像頭以便操作人員在控制室對上下料操作等實(shí)時監(jiān)控。

4 熱處理線的經(jīng)濟(jì)、社會效益

目前，該車輪熱處理生產(chǎn)線已完全達(dá)產(chǎn)達(dá)效，生產(chǎn)效率位居世界前列，生產(chǎn)線運(yùn)行平穩(wěn)可靠。隨著我國高鐵里程的不斷擴(kuò)大，對高鐵車輪的需求也不斷增加，該車輪熱處理生產(chǎn)線取得了很好的經(jīng)濟(jì)、社會效益。