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2023-01-31
印度造高鐵，結(jié)果還得跟中國買輪子，高鐵車輪有多難造？
更新時間：2022-09-05 14:20:27作者：佚名
《軍武次位面》作者：紫電
▲高鐵資料圖
印度，被稱為“火車輪子上的國家”。作為亞洲最早擁有鐵路系統(tǒng)的國家，印度鐵路的全部總里程超過67000公里，每天要承載1.4萬輛火車、2300萬人次和300萬噸的貨物，鐵路對于印度的重要性不言而喻。
▲這種場景今天已經(jīng)很難看到了
很多網(wǎng)友都看過印度火車“外掛”乘客的圖片，這樣的場景現(xiàn)在已經(jīng)很少，但受限于印度的經(jīng)濟情況，印度鐵路的發(fā)展狀況仍然很差。特別是作為世界第四，亞洲第二的鐵路大國，印度至今也沒有一條真正意義上的高速鐵路，半高速鐵路的建設(shè)也嚴重依賴進口。
▲印度現(xiàn)役最快的列車，時速不過160千米
近年來，中印兩國發(fā)生了不少摩擦，再加上印度媒體的渲染，印度民間的反華情緒日益高漲，印度與中國的貿(mào)易也受到了不小的沖擊。但就在前段時間，由于俄烏沖突爆發(fā)，印度向烏克蘭企業(yè)訂購的3.9萬對車輪無法交貨，只能改為向中國訂購。在鐵路這種重要訂單上，如果有其他選擇，印度是無論如何也不會買中國貨的。
▲印度這么大一個國家，連火車輪子也造不出來嗎？
雖然印度制造一直被大家看做是笑柄，但印度畢竟也是個大國，連航母、飛機都能造，難道造不出火車輪子嗎？其實，火車車輪，特別是高鐵車輪的制造難度，超出了很多人的想象。不要說印度，對于中國也是個難題。
高鐵車輪，究竟難在哪里？
火車的車輪看起來是實心的，結(jié)構(gòu)比較簡單，但在加工上卻非常復(fù)雜。火車在行駛過程中要沿著軌道前進，不需要人來控制方向，但同樣有轉(zhuǎn)彎的需求。而火車的轉(zhuǎn)彎，就需要通過車輪來完成。
▲火車的車輪固定在轉(zhuǎn)向架上
火車的每一節(jié)車廂下方都設(shè)置有轉(zhuǎn)向架，一般來說，一節(jié)車廂需要兩個轉(zhuǎn)向架，而每個轉(zhuǎn)向架安裝有2對車輪。當火車通過彎道時，由于兩側(cè)鐵軌的高度和長度不同，車輪的轉(zhuǎn)動方向也隨之變化，帶動轉(zhuǎn)向架旋轉(zhuǎn)，完成轉(zhuǎn)彎過程。
▲火車行駛時，通過轉(zhuǎn)向架帶動轉(zhuǎn)彎
在這個過程中，車輪要承受車輪的載荷，又要承受轉(zhuǎn)彎時的復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境，再加上高速行駛過程中的摩擦，火車車輪的工作環(huán)境極端惡劣，必須擁有極高的強度。而在列車車速上升后，車輪的受力會以指數(shù)式迅速增長，因此高鐵車輪的要求遠高于普通鐵路。
▲車輪在轉(zhuǎn)彎時其實是傾斜的
對于高鐵車輪來說，最大的難點在于保證車輪與鐵軌的接觸面——踏面的完整。在火車的啟動和制動階段，踏面與鐵軌之間會不可避免得產(chǎn)生滑動現(xiàn)象，而高速滑動時的摩擦會產(chǎn)生上千度的高溫。在這樣的溫度下，踏面很容易被破壞，導(dǎo)致表面的材料剝離崩落。
▲“掉塊”現(xiàn)象是困擾國產(chǎn)車輪的一大問題
一旦車輪的踏面發(fā)射崩落，就會影響車輪的一致性，加劇行駛中的振動。這樣的振動不僅影響列車的平穩(wěn)行駛，發(fā)出噪音，還會降低列車各部分零件和鐵軌的壽。此外，在惡劣工況下長期運轉(zhuǎn)，高鐵車輪還將面臨磨損和熱裂現(xiàn)象的威脅。這些問題輕則造成列車提前報廢，重則會引發(fā)重大安全事故。
▲ICE-1高速列車
1998年6月3日，從德國慕尼黑駛向漢堡的ICE-1高速列車在行駛過程中突然發(fā)生脫軌，導(dǎo)致了嚴重事故。列車上搭載的400名乘客中，101人死亡，105人受傷。在此之前，ICE-1列車已經(jīng)維持了7年的安全形勢，從未發(fā)生任何事故。
▲這是歷史上傷亡率最高的鐵路事故
經(jīng)過對事故現(xiàn)場的詳細勘測，調(diào)查團隊得出結(jié)論：ICE-1列車的車輪設(shè)計存在嚴重缺陷，車輪的鋼圈在使用中由于金屬疲勞斷裂，直接插入了車體，并且與鐵軌發(fā)生了刮擦，導(dǎo)致列車脫離軌道。小小一個車輪的損壞，就能引發(fā)如此恐怖的事故。
不申報專利，不發(fā)表論文，不接受參觀交流
由于日本和歐洲國家在高鐵行業(yè)起步很早，早在1963年，日本就開通了第一條時速超過200公里的鐵路，擁有豐富的相關(guān)開發(fā)經(jīng)驗，對于高鐵車輪的生產(chǎn)技術(shù)也有著充分研究。
▲ICE-1事故的原因就是車輪設(shè)計存在缺陷
為了保證高鐵車輪的安全性，車輪的內(nèi)部結(jié)構(gòu)必須高度一致，哪怕是0.2毫米的內(nèi)部缺陷也可能造成車輪的開裂。相比普通火車車輪，高鐵車輪對于鋼材性能、鑄造方式、雜質(zhì)含量等都有著極高的要求。
▲能夠獨立生產(chǎn)高鐵車輪的國家少之又少
通常來說，高鐵車輪是由一整塊鋼坯制造而成的，經(jīng)過切割的高溫鋼坯被送入模具鍛壓，成型后再進行熱處理和進一步的加工，才能加工為成品車輪。隨后，這些車輪還要進行全面檢測，確保車輪的尺寸、硬度、內(nèi)部狀態(tài)都符合標準，才能最終出廠。
▲正在進行鍛壓的車輪
這樣的工藝聽起來不難，實施起來卻是困難重重。上文中軍武菌提到過踏面崩落的缺陷，而這正是長期困擾國產(chǎn)車輪的難題“掉塊”。踏面出現(xiàn)“掉塊”現(xiàn)象，主要原因是踏面的亞表面存在堆積的脆性氧化雜質(zhì)，在車輪高速運轉(zhuǎn)時，這些雜質(zhì)就會開裂，導(dǎo)致踏面崩落。
▲高鐵的平穩(wěn)性要求非常高
問題的原因很容易找到，但如何解決卻是難點，必須從鋼坯的鑄造階段開始著手，這又涉及到了鋼材的配方和工藝。想要消除這些缺陷，必須經(jīng)過大量的試驗和測試，才能找到最合適的配方。
▲路奇霓公司的車輪生產(chǎn)線
到了20世紀末，國際上高鐵車輪的技術(shù)已經(jīng)相當成熟，但相關(guān)技術(shù)卻被少數(shù)國家嚴格把控。全世界只有十幾個國家能夠生產(chǎn)高鐵車輪，而完整的高鐵輪對只有日本住友、德國BVV、意大利路奇霓、法國瓦頓四家公司能夠生產(chǎn)能夠生產(chǎn)高鐵車輪。其他國家想要發(fā)展高鐵，必須高價從這些企業(yè)購買。
▲高鐵車輪是一種消耗量極大的耗材
但高鐵車輪是消耗品，每運行120萬公里就需要返廠檢修，運行240萬公里就需要更換，要想大面積鋪開，車輪的消耗數(shù)量是驚人的。為了達到壟斷的效果，這些公司長期實行“三不”政策，即不申報專利，不發(fā)表論文，不接受參觀交流，嚴格防止技術(shù)外流，阻止其他國家發(fā)展高鐵技術(shù)。
沒有核心技術(shù)，只能受制于人
中國的鐵路建設(shè)也相當早，但一直到20世紀60年代，中國才開始掌握車輪的加工技術(shù)。1964年，中國第一個國產(chǎn)熱軋車輪在馬鞍山鋼鐵公司車輪輪箍廠制造成功，結(jié)束了中國鐵路幾十年來使用洋輪的歷史。直到今天，馬鋼依舊還是中國最重要的鐵路車輪生產(chǎn)基地。
▲一直到60年代，國產(chǎn)列車都要使用“洋輪”
但受到當時的技術(shù)條件限制，中國的車輪技術(shù)長期停留在20世紀40年代的水平，直到80年代后，在“六五”、“七五”計劃期間，馬鋼投入了3000多萬元的資金改進加工工藝，從歐洲發(fā)達國家引進生產(chǎn)設(shè)備，提高了國產(chǎn)車輪的技術(shù)水平。
▲中國車輪的技術(shù)水平長期停留在20世紀40年代
到了90年代，馬鋼再次進行產(chǎn)業(yè)升級，投入5個億的巨資從德國等國引進先進設(shè)備和工藝，淘汰老舊的生產(chǎn)線，基本解決了此前由于設(shè)備工藝老舊導(dǎo)致的質(zhì)量問題。與此同時，為了防止馬鋼在國內(nèi)“一家獨大”，我國陸續(xù)引進了多條車輪生產(chǎn)線，并且直接進口了部分高性能車輪，緩解了國產(chǎn)車輪質(zhì)量上的缺陷。
▲馬鋼如今已經(jīng)擁有世界一流的高鐵車輪生產(chǎn)能力
但對于車速超過每小時300千米的高鐵來說，國產(chǎn)車輪的性能還遠遠不能達標。國內(nèi)高鐵在建設(shè)初期采取了進口與技術(shù)轉(zhuǎn)讓結(jié)合的路線，從法國、日本進口列車的同時，也一并采用了進口車輪。其中，時速低于300公里的列車使用日本住友生產(chǎn)的車輪，而時速高于300公里的列車則使用意大利路奇霓車輪。
▲早期的“和諧號”很多是整車從國外進口的
雖然在引進高鐵生產(chǎn)線的同時，國內(nèi)也引進了車輪的生產(chǎn)線，但由于種種原因，國內(nèi)高鐵依舊需要長期購買昂貴的進口車輪。而進口的生產(chǎn)技術(shù)只是權(quán)宜之計，國內(nèi)的生產(chǎn)線也只是代工廠，核心技術(shù)仍然掌握著國外企業(yè)手中。如果國產(chǎn)高鐵想要出口到國外，但車輪廠家拒絕供貨怎么辦？如果受到外部因素影響，供貨商斷供怎么辦？就算沒有這些因素，進口車輪的昂貴價格也限制了國產(chǎn)高鐵的發(fā)展。
引進，吸收，再創(chuàng)新
實際上，此前國內(nèi)的車輪技術(shù)就已經(jīng)取得了不小進步，在技術(shù)上的難點不大。早在2002年，全部使用國產(chǎn)CL50車輪的“中華之星”號試驗車就跑出了321.5公里的時速。對于運營時速在300公里以下的高速列車，國產(chǎn)車輪的性能已經(jīng)足夠達標。
▲“中華之星”號列車
但在國內(nèi)高鐵發(fā)展的初期，由于“中華之星”等國產(chǎn)高速列車的可靠性和性能存在大量缺陷，在鐵道部某高層領(lǐng)導(dǎo)的指示下，相關(guān)部門不再支持自主研發(fā)，而是轉(zhuǎn)向進口列車，采取“引進-吸收-再創(chuàng)新”的路線，直接從國外進口列車和生產(chǎn)線，也就是后來的“和諧號”系列。
從結(jié)果來看，這樣的方案是成功的?；谝M國外的先進技術(shù)，中國的高鐵一夜之間就擠進了發(fā)達國家的水平。如果只靠閉門造車，今天的中國高鐵不可能取得這樣快的發(fā)展。但這樣的方案也存在問題：高鐵的核心技術(shù)，是不可能買到手的。
▲吸收引進國外技術(shù)，加快了國產(chǎn)高鐵的研發(fā)速度
以引進日本技術(shù)的CRH-2為例，雖然中國引進了全套生產(chǎn)線和設(shè)計圖紙，但高鐵的軟件源代碼、動力系統(tǒng)技術(shù)都掌握在日方手中。車上的一個顯示器，國產(chǎn)的只要2萬，而日本進口的要14萬，但由于系統(tǒng)兼容性的問題，必須高價買進口顯示器。而機車的控制程序出現(xiàn)問題后，還需要外國技術(shù)人員才能維修。
▲如今，高鐵的國產(chǎn)化比例已經(jīng)超過90%
不過，中國在引進高鐵技術(shù)時，擁有一個獨特的優(yōu)勢：市場。2004年，國務(wù)院通過了《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，計劃在2020年將中國的鐵路里程延伸到10萬公里，建成四橫四縱的客運專線，這是人類歷史上最大規(guī)模的高速鐵路建設(shè)計劃。對于國外企業(yè)來說，中國高鐵這塊蛋糕簡直大得難以想象。
▲中國高鐵的市場大的驚人
因此，在鐵道部與國外企業(yè)進行談判時，可以說是占盡了優(yōu)勢。鐵道部明確要求，參與投標的外企必須以中外合資企業(yè)的形式參與，并且擁有國際領(lǐng)先技術(shù)支持，具備自主制造能力。而背后的目標，則是通過采購高鐵換取相關(guān)技術(shù)。
▲中國市場這塊蛋糕，人人都想分一杯羹
在巨額利潤的誘惑下，投標方紛紛拿出了自己壓箱底的技術(shù)。其中，日本高鐵聯(lián)合體和南車集團合作，提供了新干線技術(shù)，而龐巴迪早已經(jīng)和南車集團建立合資公司，技術(shù)轉(zhuǎn)讓也不成問題。但在競標企業(yè)之中，性能最好，也最被國內(nèi)看好的德國西門子卻仗著自己的的技術(shù)優(yōu)越，給原型車和技術(shù)轉(zhuǎn)讓費用開出天價，原型車每列3.5億人民幣，技術(shù)轉(zhuǎn)讓費用更是高達3.9億歐元。
▲德國西門子ICE-3的技術(shù)先進，也最被中國看好
看到德國人獅子大開口，北車集團也絲毫不退讓，直接宣布西門子出局，轉(zhuǎn)而向法國阿爾斯通采購原型車和技術(shù)。在首輪競標中，日本高鐵、龐巴迪和阿爾斯通各分到了一杯羹，而西門子卻一無所獲。這樣的重大戰(zhàn)略失敗讓西門子高層極度震怒，將談判團隊全體踢出了公司。
▲失去中國市場，是西門子不可能接受的
2005年，鐵道部開始了第二輪談判，開始計劃引進時速300公里的高鐵。除了日本方面明確表示拒絕轉(zhuǎn)讓技術(shù)外，其他企業(yè)都繼續(xù)參與了新一輪競標。吃了大虧的西門子這次放低姿態(tài)，不僅愿意低價出售原型車，還以8000萬歐元的“白菜價”轉(zhuǎn)讓了生產(chǎn)技術(shù)，手把手教中國人怎樣造高鐵。
▲為了換取中國市場的份額，西方國家只能提供先進技術(shù)
雖然所有參與競標的外企都知道，中國采購進口列車只是權(quán)宜之計，早晚有一天，中國會吸收自己的技術(shù)，并且發(fā)展純國產(chǎn)的高速列車。但即使是這樣，中國在前期采購的列車和技術(shù)轉(zhuǎn)讓方也能讓他們賺得盆滿缽滿。但恐怕沒人想到，中國對于高鐵技術(shù)吸收的速度會有多快。
僅僅用了不到3年時間，北車集團就實現(xiàn)了西門子Velaro列車的國產(chǎn)化，不再需要從德國訂購。而在日本拒絕轉(zhuǎn)讓時速300千米技術(shù)后，南車集團也在新干線的基礎(chǔ)上，在2008年獨立開發(fā)出了時速300千米的高速列車。
▲脫離日本的技術(shù)支持，中國依舊發(fā)展出了高速列車
在引進的高鐵技術(shù)中，高鐵車輪的生產(chǎn)線引進自然也是重要組成部分。按照原計劃，中國智波公司將與德國BVV合作，引進一條高鐵車輪生產(chǎn)線，但最終，智波轉(zhuǎn)而和意大利路奇霓合作成立了智奇公司。但在技術(shù)轉(zhuǎn)讓和價格方面，意方堅決拒絕松口。一直以來，智奇都不掌握高鐵輪對生產(chǎn)的核心技術(shù)，只是作為意方的代工廠。
▲BVV由于錯失中國市場，最終被中資企業(yè)收購
不過，BVV的談判失敗造成了一個意想不到的后果：BVV失去中國市場后經(jīng)營不善，最終在2016年被股東出售，而買家正是中資企業(yè)富山公司。再加上2014年被馬鋼收購的法國瓦頓，高鐵輪對的四大巨頭已經(jīng)有一半被中國收入囊中。
國產(chǎn)車輪的崛起
2011年后，由于鐵道部某高層領(lǐng)導(dǎo)被撤職，隨后鐵路系統(tǒng)經(jīng)過改組，國內(nèi)高鐵的發(fā)展方向發(fā)生了重大改變。在吸收結(jié)合了國外先進技術(shù)后，國內(nèi)高鐵技術(shù)已經(jīng)有了不小的進步，只是由于政策原因暫時無法投入使用。而在相關(guān)政策的支持下，國產(chǎn)高鐵以及其他相關(guān)配套系統(tǒng)迅速脫穎而出。
▲國產(chǎn)高鐵的發(fā)展長期受到限制
2013年，國產(chǎn)D1車輪在CJ1動車組身上試驗成功，開始投入時速250千米的線路運營，性能表現(xiàn)優(yōu)于進口車輪。從2014年開始，國內(nèi)開始著重攻關(guān)時速350千米高鐵車輪的自產(chǎn)技術(shù)。2015年，運用了大量先進技術(shù)的國產(chǎn)D2車輪研制成功，裝配于CR400系列“藍海豚”和“金鳳凰”動車組，實現(xiàn)了高鐵車輪的國產(chǎn)化。
▲“復(fù)興號”開始換裝國產(chǎn)高鐵車輪
和歐洲進口的ER8車輪相比，國產(chǎn)車輪不僅價格便宜的多，而且性能上也更具備優(yōu)勢。D2車輪采取了全新的中碳Si-V微合金鋼材，極大的提升了車輪的斷裂韌性和抗拉強度，在硬度、抗熱損傷、抗磨損等方面都優(yōu)于進口車輪，有效提升了使用壽命，降低了運營成本。
▲CR400AF安裝的國產(chǎn)高鐵車輪
不過，出于安全性考慮，國內(nèi)規(guī)定一列火車只能使用一種車輪，禁止混裝車輪的行為。而當時國內(nèi)絕大多數(shù)高鐵都使用進口車輪，除非把車輪全部換掉，否則只能繼續(xù)進口車輪。而在2018年后，經(jīng)過嚴密的安全性測試，國內(nèi)開始運行在同一列車上安裝不同車輪，早期安裝進口車輪的高鐵也可以換裝國產(chǎn)車輪。這也極大拓展了國產(chǎn)車輪的適用范圍。
目前，國內(nèi)高鐵車輪的國產(chǎn)化比例已經(jīng)超過了50%，未來將會進一步增加。國產(chǎn)高鐵車輪不僅能夠供應(yīng)國內(nèi)市場，還通過了國外的市場認證，出口到了韓國、印度、德國等多個國家。2017年，德國鐵路向馬鋼訂購了160件高速車輪，并且順利通關(guān)了檢測，投入了運行。
▲軌道交通車輪的市場還在逐年增長中
根據(jù)相關(guān)研究統(tǒng)計，2018年，全球軌道交通車輪輪對的市場規(guī)模達到了27.02億美元，并且還在逐年上升之中，而中國在其中所占的產(chǎn)量和銷量均為世界第一。國產(chǎn)車輪不僅擁有極為龐大的國內(nèi)市場，還能夠廣泛供應(yīng)國際市場需求。
▲中國車輪的銷量已經(jīng)超過獨聯(lián)體國家的總和
根據(jù)印度媒體報道，這次向中國采購的車輪價格比烏克蘭方面的報價更高，但只高出了1.6%，還在可以承受的范圍之內(nèi)。如果印度向歐洲或者日本訂貨，價格恐怕是國產(chǎn)車輪的幾倍還不止。國產(chǎn)高鐵的安全性有目共睹，國產(chǎn)高鐵車輪在國際市場上也逐漸受到認可。中國車輪性能優(yōu)秀，價格也便宜，自然是最佳選擇。
▲大家覺得這個涂裝怎么樣？
中國的高鐵技術(shù)先進，已經(jīng)是世界公認的事實，也是中國制造的代表。高鐵車輪的國產(chǎn)化不僅能保證國內(nèi)高鐵發(fā)展不再受制于人，更能提高中國制造的含金量。如今，就連對車輪質(zhì)量要求嚴格，國內(nèi)擁有自產(chǎn)能力的德國鐵路都開始向中國訂貨，更顯示出國產(chǎn)車輪的優(yōu)秀。