热轧车轮轮箍厂设计(design of wheel and tyre hot rolling works)

以钢锭(坯)为原料，用热轧加工法生产车轮、轮箍的工厂设计。和轮箍主要是用于铁路机车、车辆上的两种走行元件。按结构不同车轮分为组合车轮和整体车轮。组合车轮由分别制造的轮心和轮箍及挡圈组装而成(图1)。整体车轮由一个轮坯整体轧制而成(图2)。

整体车轮有铸铁、铸钢和轧制几种类型，砂型铸铁和铸钢车轮现已淘汰，而新型石墨模压铸钢车轮在美国得到广泛使用，这种车轮在行车速度要求不太高的铁路中比较适用。但中国和世界上大部分国家和地区的铁路线上现今均使用整体热轧车轮(简称整轧车轮，solid roll wheel)。

过去一个时期，机车车轮，特别是蒸汽机车用的车轮结构复杂，直径较大，不易轧制，所以采用轧制的环形件作为轮箍套在轮心上构成组合车轮。但组合车轮的轮箍有松弛的危险，不如整体车轮安全，且整体车轮各部分尺寸可设计得较薄，从而可以减轻重量，既安全又经济。随着蒸汽机车的逐渐被淘汰，以及内燃机车和电力机车也多使用整轧车轮，故轮箍的需求量日趋减少。

整轧车轮和轮箍在大多数国家为分别建厂生产，但也可合并为一个厂(或车间)进行生产。中国设计建成的车轮轮箍厂就是可以生产上述两种产品的工厂。这种工厂的一些工艺设备和辅助设施，如坯料准备、运输设备、动力泵站、水循环系统、工模具制造部门等可统一安排，共同使用，比较经济。

简史      火车车轮制造历史较长。在1814年前后，铁路运输上开始生产并使用锻制轮箍，形成组合车轮。1853年英国制成轮箍轧机，开始大量生产热轧火车轮箍。1902年、1904年美国和法国的辗轧车轮轧机分别问世，整体热轧车轮和轮箍开始广泛应用于铁路，从而促使铁路机车车辆的运行速度和载重量有了很大提高。从此，整轧车轮逐步取代了铸铁、铸钢和大部分组合车轮，成为铁路车辆(包括一些机车)的主要用轮。

1964年中国设计建成了中国第一座车轮轮箍厂，开始大量生产整轧车轮和轮箍，不但使中国铁路车辆全部用上了整轧车轮，并为其它工业部门提供了大量盘形和环形零件。1988年中国颁布了整轧车轮和轮箍国家标准。随着铁路运输事业的发展，车轮的需求量逐年增加，对车轮的质量要求也越来越高。中国第一座车轮轮箍厂于90年代初进行了技术改造。

设计规模与产品方案     车轮与轮箍不同于一般机械零件产品，它们主要用于铁路运输。确定车轮轮箍厂的设计规模首先应考虑铁路运输(即市场)的需求，以及投资及经济效益、原材料供应和建厂条件。车轮与轮箍的主要生产设备是压轧机组生产线，根据压轧机组生产线中压机和轧机的配置情况(吨位、台数和机械化水平)，一条车轮压轧机组生产线年生产能力为10～17万t，一条轮箍压轧机组生产线年生产能力为3～7万t。车轮轮箍厂的设计规模一般以年产车轮lO万t、轮箍(包括环形件)3万t为宜。车轮与轮箍的产品方案也要针对用户的需求情况制定，中国铁路车轮以货车轮(φ840mm)为主，约占90％，客车轮(φ915mm)及其它车轮(φ1050～1250mm)数量较少，但作为装备能力因素也应予以考虑。另外，在工厂产品方案中根据市场情况还要适当安排一些其它轮种(吊车轮、地铁轮、齿轮坯等)以增加工厂的市场适应性与调节能力。轮箍产品尺寸范围为φ670～2010mm，一般以φ1000～1500mm居多。环形件产品方案可根据轧机能力和市场情况确定。

原料     车轮与轮箍钢的化学成分有国际标准，但各国(或地区，如欧洲铁路联盟)都有自己的标准。中国标准中，车轮钢的含碳量为0.55％～0.65％，轮箍钢的含碳量为0.55％～0.70％。车轮与轮箍钢是用平炉、电炉或转炉冶炼的镇静钢。但现在世界上的发展趋势是采用电炉冶炼，经真空处理(使氢含量降到2.2×10^-6)的钢。所用钢锭为无锥度圆锭或连铸圆坯。

图4　轮箍生产工艺流程

工艺流程     车轮和轮箍生产都是高度机械化、多工序、流水生产线，兼有轧钢热加工和机械冷加工两种生产的特点。

车轮和轮箍均采用先将轮坯初步压制成形，然后分别在车轮轧机和轮箍轧机上轧制。此方法不产生毛刺，成材率高，同时在轴向、径向和圆周方向都能进行辗轧。在压轧工艺后配以相应的热处理和精整。车轮在热轧后需经机械加工，但轮箍一般在热轧后不加工，到机车车辆厂再机械加工。然后，车轮及轮箍都经过无损检测、产品表面处理和成品检查，形成流水生产线，组成现代化火车车轮轮箍厂。在这种工厂中还可生产齿轮、滑轮、法兰、轴承环等圆形零件。

车轮采用经真空处理的钢，则工艺流程中可不再进行压轧后的等温热处理，而改为控制冷却，以节省能耗。采用连铸圆坯或无锥度锭可减少切坯配尺的繁琐并保证坯料重量的精度。

现代车轮生产中多采用先热处理后机械加工的工艺，以避免先机械加工后热处理会使成品车轮在热处中又产生变形的现象，以保证产品精度。

车轮与轮箍的一般生产工艺流程分别如图3、图4所示。

设备选择     车轮与轮箍的生产设备应根据生产规模、产品方案、产品标准以及所确定的工艺流程配置。主要生产设备为：

坯料准备设备      由钢锭切割机床、劈断机、坯料称量系统、坯料修整机床所组成。也可选用钢锭切口机与大压力(20MN)折断机，或选择锯切刀缝小的钢锭锯切设备，以提高钢锭利用率。

加热设备     压轧前坯料加热到1250～1280℃，多用大型(φ28～33m)环形加热炉，并配有炉前装取料机械(或地上行走装取料机)和输送辊道等输出设备。同时生产车轮与轮箍(环件)的工厂也可选配多座较小直径的环形炉，以便较灵活地互相调配。为了消除坯料表面氧化铁皮，一般选用高压水除鳞装置。

压轧设备     是车轮和轮箍生产的关键设备。车轮压轧机组一般由30MN镦粗压痕水压机1～2台10万t以下规模的工厂此工序由车轮成形水压机一并完成、60～100MN车轮成形水压机1台、车轮轧机1台(立式或卧式八辊轧机，主电机950～1000kw)、30～35MN压弯冲孔水压机1台、打印机1台以及压轧后的输送冷床等组成。轮箍压轧机组由30～40MN镦粗冲孔水压机1台、轮箍(环件)轧机1台或2台(1台粗轧、1台精轧)以及打印机、输送辊道等设备组成。上述机组中的水压机吨位、台数，轧机的能力、机械化水平等按产品方案和年产能力以及制定的压轧工艺确定。

热处理设备      车轮压轧后的热处理设备主要有等温处理井式炉(600～650℃)，如采用真空脱气的钢则可不进行等温处理，而改用台车式炉或隧道炉控制冷却即可。车轮淬火加热多采用环形炉(φ28m环形炉或φ14m工件自转式环形炉)，加热到850～900℃由机械手(或地上装出料机)出炉，放在淬火机(卧式或立式)上谇火。淬火后的回火(500～600℃)在井式回火炉、吊挂式隧道回火炉中进行。轮箍的热处理设备由压轧后的缓冷坑(加热或不加热式)、淬火(800～870℃)井式炉、回火(650～750℃)井式炉和井式淬火槽组成。上述各种热处理设备的形式、能力、数量，根据年产量与工艺要求确定。

机械加工设备      主要是车轮专用加工机床。一般有两种形式：机群式，即按车轮加工工序分两组机床来完成车轮加工；机组式，即一个车轮全部工序由每组2台车轮加工机床完成。也有由多台机床组成自动或半自动加工线的，这是现代化车轮加工机床的发展趋向。有的车轮轴孔要求精加工，还需设车轮轴孔精镗机床。有辐板孔的车轮用专用双孔钻床一次将车轮辐板孔加工出来。车轮加工所产生的大量切屑用收集回收机械连续回收处理。轮箍一般在轮箍厂不加工，到机车厂组装车轮前再加工。少量轮箍有时要修整加工，主要选用普通立式车床。上述各种加工设备的能力、台数按生产规模计算确定。

检测设备     在对车轮与轮箍质量要求越来越高的形势下，车轮与轮箍生产中的检测设备十分重要，如车轮与轮箍的超声波探伤设备、车轮辐板的磁粉探伤设备、高速车轮的静动平衡试验设备、尺寸外观检测设备、硬度检测设备等，它们多是在线连续检测仪器和装备。车轮与轮箍成品的最终检验主要有落锤试验以及化学、力学、金相检验，在专门的落锤试验间和理化检验室内完成。

表面处理设备     主要有车轮的喷丸(表面清理和辐板强化)设备和车轮的喷漆设备，在专门的连续线上完成。

工厂组成与车间平面布置     当同时生产车轮与轮箍两种产品时，工厂主要由下列部分组成：钢锭库钢锭切割工段(包括劈断、称量、修整)、坯料加热工段，然后按车轮与轮箍再分为车轮压轧工段、车轮热处理工段、车轮机加工工段和车轮成品工段(包括检测及喷漆)，轮箍部分有轮箍压轧工段、轮箍热处理工段和轮箍成品工段(包括矫正、清理、检测)。车轮轮箍厂的专用辅助设施有主电室、动力高压泵站、淬火水泵房、地下润滑油库、氧化铁皮水冲渣收集站等，以及单设的落锤试验间、工模具制造及维修车间。车轮轮箍厂主车间应根据工艺流程和大批量连续生产的特点进行工艺布置，使各工序流程短、衔接顺畅，冷热加工区保持一定距离以改善环境条件。一般车轮轮箍厂主车间可采用多跨平行布置，车间内部运输多采用吊车与电动平车，为配合压轧机组中大型设备的安装检修，最大吊车为50～100t，车轮轮箍厂主厂房的布置如图5所示。

世界多数车轮厂和轮箍厂是分开建厂或分设为两个车间。车轮的热加工和冷加工又可分设在两个车间内，但面积要增大，投资要增加。车轮厂和轮箍厂如同时建设，可设在一个主厂房内。原料准备、加热工段可以公用，主电室、高压水泵房等辅助设施也可公用，能节省投资并方便生产。车轮和轮箍生产的发展趋势，轮箍生产已趋向淘汰，车轮生产趋向高精度、多品种。一般车轮厂的平面布置如图6所示。

安全环保     车轮与轮箍生产中的高压水系统区，如高压水除鳞设备等，均设防护屏。噪音源，如高压泵间、通风机等均设单独房间或隔音屏障。各炉窑产生的废气由烟囱排放。生产中产生的大量氧化铁皮及渣、切屑与钢锭切头切尾金属均设专门的收集处理站，回收利废。喷丸产生的灰尘、喷漆产生的废气和污水设专门通风系统与污水处理系统予以解决。

主要技术经济指标     车轮轮箍综合工厂每吨产品平均消耗量为：