高铁车轮热处理线及其生产实践

赵振永，任学艺，宝 江

（1.特诺恩技术（天津）有限公司，天津300192；2.太原重工轨道交通设备有限分公司，山西 太原030032）

火车车轮是列车传动系统中的关键零部件，具有载重、导向、传递牵引力和制动力的作用。随着世界上铁路运输的重载化、高速化和多元化发展，对列车车轮的质量要求日益提高，而车轮热处理就是车轮生产的一道至关重要的环节。2013年由德国LOI公司为国内某公司设计制造的国内第一条高铁车轮热处理生产线各项性能指标均达到设计要求，经过这几年的生产实践，证明这条生产线无论从技术性能上，还是在质量及使用寿命上，都经受住了时间的考验，该生产线生产的高铁车轮正行驶在祖国大地上。

这条生产线在热处理行业属于高度自动化的生产线，是一条符合中国制造2025或德国工业4.0的自动化车轮生产线。

1 热处理线的主要设备组成

该热处理线实物概貌见图1。主要由下列设备组成。

图1 热处理线实景图

1.1 等温退火炉

等温退火炉作用主要是去氢，以防工件发生氢脆。炉型采用炉车式隧道炉，设有加热区和保温区。采用普通燃气烧嘴、脉冲燃烧控制。

1.2 淬火加热炉

淬火加热炉主要用于淬火前加热。炉型同等温炉，设有加热区和保温区。但淬火炉对炉温均匀性的要求更高，因此，采用自身预热烧嘴、脉冲燃烧控制，来达到要求的温度均匀性。

1.3 淬火台

该生产线共设置了8个淬火台（见图2），以满足所需产量要求。淬火台位于淬火加热炉出口侧。车轮淬火是车轮热处理的核心，对改善和稳定车轮的金相组织和力学性能、提高车轮耐磨性及使用寿命，起着非常关键的作用。由于对高铁车轮不同部位的机械性能有不同的要求，所以，不能实施整体淬火，必须对要求的部位做可控淬火。淬火时，通过淬火机械手将完成淬火加热的车轮输送到淬火台上，车轮内侧面朝上水平放置，淬火台自动将车轮固定、旋转，按照预定工艺对车轮进行可控水量及水压的喷水淬火，淬火完成后由机械手将车轮移走。调试结果及多年使用证明，由德国LOI供货的淬火台，完全满足生产中各种工艺的淬火要求，且多个淬火台的淬火一致性非常好。

图2 淬火台实景图

1.4 回火炉

回火炉用于车轮的回火处理。回火炉位于淬火台的下游。通常回火作为工件的最终热处理，因此，对回火炉的温度均匀性要求更高，为此，除采用分区控温及脉冲燃烧外，在回火炉的炉顶上设有循环风机，通过加大气流循环，提高温度均匀性。

1.5 输送系统

链式输送冷床、机械手、炉车推动装置、横向输送车(含炉车拉出装置)、空炉车输送装置（炉车返回线及炉车输送线）、储料台等构成了整条生产线的输送线。

根据不同的工艺要求，按照设定的工艺路线，车轮经由链式输送冷床、横向输送车、推料装置、出料装置、机械手、淬火台和4座分别用于等温退火、淬火加热和回火加热的炉车式加热炉、炉车输送装置等，完成相应的输送过程。车轮的整条传输系统对速度控制、精确定位和启动的平稳性有很高的要求，因此，各传输设备均装备有增量型感应元件和变频器。特别对于设备与设备间传输，为实现精确的位置控制，相应的传感器，如光栅、限位开关等均被采用。

该输送系统的主要特点是定位准确、速度可调，并具有故障报警(控制上)功能。这些输送装置有的采用减速电机直接驱动，有的采用液压驱动，有的则是机械和液压组合式驱动。

机械手，对于高铁车轮的输送起着关键作用。尤其对于抓取高温车轮的淬火机械手，需考虑高温对机械手的影响，因此，需采用耐热钢做钳口，需要对电器元件做遮蔽等。机械手包括一系列驱动以完成诸如夹紧、提升、传动和旋转等动作。其中，淬火机械手有4个独立的夹钳，可以同时从炉车上夹取4个车轮，然后分别放到4个淬火台上，淬火完毕后，再将4个车轮从4个淬火台上输送到炉车上（见图3）。而上料机械手和卸料机械手均各有一个夹钳，每次夹取一个车轮，炉车上的4个车轮需分4次夹取输送。每个夹钳的载荷可达1 100 kg。

图3 淬火机械手实景图

1.6 淬火水系统

淬火水系统主要由淬火水池、供水泵、自动反冲洗过滤器、回水泵、冷却塔、水加热系统（冬季用）、淬火水控制阀组、氧化皮清除装置、水循环搅拌器、加药装置等组成。

淬火水系统的作用就是为淬火台提供满足淬火要求的水量、水压、水温。

1.7 终冷通道

终冷通道用于热处理后热轮的冷却，并将其送

到后面的设备，如打标贴标机和硬度测量仪。终冷通道为链式结构，配有冷却风机及水冷装置。

1.8 控制系统

控制系统是现代化设备不可缺少的一部分。无论是热工测量与控制，还是各种动作的完成，最终均需控制系统来实现其自动化功能，尤其对于这种大型、多种设备组合的生产线，功能强大的控制系统显得尤为重要。该控制系统主要由以下各部分组成：

（1）一组用于电气供电、马达驱动及供电分配的低压开关柜，包括变频器柜。

（2）一组测量-控制柜，包括CPU模块和各种数字量模块和模拟量模块，以及现场配置的各种仪器仪表。

（3）监控和操作系统，配置相应的硬件和软件；包括基于西门子WinCC的人机界面HMI。

（4）带PC面板的手动操作台。

（5）独立的淬火工艺配方和数据管理计算机。

2 热处理线的主要工艺参数

（1）热处理线生产能力：～35 t/h

（2）车轮轮缘尺寸

直径：550～1 400 mm

整体厚度：130～300 mm

重量：275～1 050 kg

材质：适用于各种类型车轮材质

（3）等温退火炉

等温退火温度：400～650℃

最高炉温：700℃

（4）淬火加热炉

淬火加热温度：800～900℃

最高炉温：1 000℃

（5）淬火介质：水

淬火水温：20~40℃

淬火水过滤精度：100 μm

（6）回火炉

回火温度：450～580℃

最高炉温：600℃

3 热处理线的技术特点

3.1 可控局部淬火

对高铁车轮或普通车轮进行淬火，要求在踏面下35 mm深度在组织转变发生的温度范围要有一个科学的冷却速度。所以，车轮的淬火不是整体淬火，而是局部可控淬火。如何将水喷到轮辋上、又不喷（溅）到车轮其它地方，如何控制喷水量以保证恒定的冷却速度，这些都是设计的关键。由德国LOI公司设计、制造的具有高速旋转及升降、夹紧功能，配以流量可调的多功能喷嘴的淬火台，均能很好地满足各种工艺要求。

3.2 适应多种工艺过程

由于炉车式隧道炉的炉车可以按照设计的线路进行输送，既可以从热处理线的起始位置开始输送，也可以从生产线中的某个位置开始输送；既可以从生产线的终点下料，也可以从生产线中的某个位置下料，这就为这种炉型提供了灵活多样的热处理工艺路径。总之，这条生产线具有非常强大的灵活性，这也是这条生产线的最大特点。

3.3 高度机械化、自动化的操作

机械手、输送车、推（拉）料机、链式输送线等与控制系统的完美结合，使该生产线成为高度机械化、自动化的生产线。车间现场不需操作人员，改善了操作环境，节省了劳动力。

3.4 根据工艺需要，采用不同的加热方式

等温退火炉：炉温较低且要求的温度均匀性也较低，因此，采用普通直焰烧嘴配以脉冲燃烧，即可实现要求的温度均匀性；淬火加热炉：炉温较高且要求的温度均匀性也较高，因此，采用自身预热烧嘴配以脉冲燃烧，通过烧嘴自身排烟来预热空气，使得每个烧嘴的加热区域形成均匀的温度场；回火炉：炉温低且要求较高的温度均匀性，采用普通直焰烧嘴配以脉冲燃烧；此外，炉内配备炉顶循环风机，通过加强对流循环来实现要求的温度均匀性。

3.5 利用锻造余热，节约能源

该热处理生产线上游为车轮锻造机，热处理线的能力与锻造机匹配，车轮锻后温度仍有约900℃。根据热处理工艺要求，需要将车轮温度降至约550℃左右，然后进入等温退火炉做等温处理。因此，车轮具有的约550℃的锻后余热可以被保留下来加以利用，从而节约了能源。这也是连续锻造及热处理生产线的优势。

3.6 强大的自动控制系统

控制系统具有极强的显示和信息处理能力：从显示各参数的测量值、炉内车轮的位置，到实现对当前实际热处理过程状态的全面控制，以及实现机械化、自动化的操作。

3.7 物料跟踪系统

为保证产品的高质量，生产线采用了全自动物料跟踪系统，该系统由PLC控制并通过WinCC人机界面系统（HMI）进行操作。该物料跟踪系统对生产线上所有单体设备采取整体控制模式，即自链式输送冷床的来料开始直至车轮完成热处理传送至用户终端设备。

所有相关数据，特别是车轮质量、生产状况等重要的数据都将会被报告、监控和存储并将永久性地传送到用户的MES计算机以存储和保护。

此外，在设备的重要位置还装配摄像头以便操作人员在控制室对上下料操作等实时监控。

4 热处理线的经济、社会效益

目前，该车轮热处理生产线已完全达产达效，生产效率位居世界前列，生产线运行平稳可靠。随着我国高铁里程的不断扩大，对高铁车轮的需求也不断增加，该车轮热处理生产线取得了很好的经济、社会效益。