淺談大型養(yǎng)路機(jī)械材料國產(chǎn)化中的若干問題

（北京二七軌道交通裝備有限責(zé)任公司技術(shù)中心，北京 1 00072）

近年來，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的加速發(fā)展，鐵路運(yùn)輸日益繁忙，列車密度逐漸加大。在這種情況下，鐵道部加大力度引進(jìn)高效大型養(yǎng)路機(jī)械，利用封鎖“天窗”對(duì)繁忙線路進(jìn)行維修，取得了突破性進(jìn)展，使繁忙干線的維修工作走出了困境，保證了主要干線的安全暢通，從而也開創(chuàng)了我國鐵路養(yǎng)路機(jī)械現(xiàn)代化的新篇章。大型養(yǎng)路機(jī)械價(jià)格昂貴，長期以來受到歐美先進(jìn)技術(shù)的壟斷與制約，我國鐵路長期依靠進(jìn)口是不現(xiàn)實(shí)的，我國鐵路的發(fā)展需要中國制造的現(xiàn)代化養(yǎng)路機(jī)械。在鐵道部有關(guān)部門的指導(dǎo)下，我國大型養(yǎng)路機(jī)械制造體系通過引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了全部線路大、中維修主型機(jī)械的國產(chǎn)化。

當(dāng)前，我國鐵路正處于跨越式發(fā)展階段，不斷引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)，繼續(xù)深化養(yǎng)路機(jī)械的國產(chǎn)化勢(shì)在必行。在引進(jìn)消化再吸收的初期和中期，由于材料標(biāo)準(zhǔn)體系的不同，材料的國產(chǎn)化替代工作是必不可少，也是極其重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。材料的國產(chǎn)化替代，不僅僅涉及制造上的問題，同時(shí)也涉及到整個(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，還與產(chǎn)品品質(zhì)密切相關(guān)。筆者從北京二七軌道交通裝備責(zé)任有限公司引進(jìn)美國Loram公司SBC邊坡清篩機(jī)的國產(chǎn)化經(jīng)驗(yàn)入手，就大型養(yǎng)路機(jī)械材料國產(chǎn)化過程中可能遇到的若干問題進(jìn)行歸納和分析。

1 材料國產(chǎn)化的分類

由于大型養(yǎng)路機(jī)械屬于復(fù)雜的機(jī)電液一體化裝備，其中所使用的零部件材料種類繁多，因此，有必要對(duì)其進(jìn)行分類處理，依據(jù)不同的類別采取不同的國產(chǎn)化措施。

按照系統(tǒng)分類，可以大致分為鋼結(jié)構(gòu)部分、液壓氣動(dòng)部分、電氣部分、各種工作裝置上所使用的材料以及一些其他的功能性材料。

（1）鋼結(jié)構(gòu)部分主要包含的材料有各種規(guī)格型號(hào)的鋼板、型鋼以及鑄鍛件等；液壓和氣動(dòng)部分包含油缸（風(fēng)缸）、管路、管接頭、管卡、支架及其他附件等。

（2）電氣部分包含各種電器元件，線纜、控制臺(tái)、電氣柜中所使用的鋼管和型鋼等。

（3）工作裝置部分主要包含一些鋼結(jié)構(gòu)，機(jī)電液氣零部件，特殊材質(zhì)的工作零部件及標(biāo)準(zhǔn)緊固件等。

（4）其他的功能性材料包括一些特殊的隔音材料，防火材料等等。

本文主要討論的是鋼結(jié)構(gòu)部分以及工作裝置部分所涉及到的鋼板、型鋼、鑄鍛件及特殊材質(zhì)的零件在材料替代的處理上可能出現(xiàn)的問題。

2 中美材料標(biāo)準(zhǔn)體系的比較

由于中美鋼鐵材料標(biāo)準(zhǔn)體系的理念不一樣，目前對(duì)中美鋼鐵材料的對(duì)照還沒有出現(xiàn)深入、綜合、成熟的研究結(jié)果。由于美國標(biāo)準(zhǔn)體系眾多，而且每種標(biāo)準(zhǔn)體系內(nèi)部分類嚴(yán)謹(jǐn)，規(guī)范齊全，要得出全面深入的研究結(jié)果，需要大量的人力和時(shí)間，在大型養(yǎng)路機(jī)械國產(chǎn)化的初期，借鑒相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，查詢及研究相關(guān)涉及到的中美標(biāo)準(zhǔn)就成了必不可少的重要環(huán)節(jié)。以下就不同的標(biāo)準(zhǔn)體系分別來介紹和比較。

2.1 中國標(biāo)準(zhǔn)體系

大型養(yǎng)路機(jī)械涉及到的中國鋼材標(biāo)準(zhǔn)體系主要包括國標(biāo)和鐵標(biāo)。其中國產(chǎn)化過程中可能涉及到的部分常見材料標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示。

表1 國內(nèi)部分常見材料標(biāo)準(zhǔn)

我國的鋼材牌號(hào)表示方法的具體細(xì)節(jié)不在此贅述。其中，在GB/T 700、GB/T 1591和GB/T 699中分別指明了碳素結(jié)構(gòu)鋼，低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼以及優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)所對(duì)應(yīng)的鋼的化學(xué)成分和機(jī)械性能等。在其他標(biāo)準(zhǔn)中，如GB/T 3274-2007、GB/T 711-2008、GB/T 6728-2002和 GB/T 8162-1999中均引用前述標(biāo)準(zhǔn)中的鋼材牌號(hào)，而沒有對(duì)化學(xué)成分和機(jī)械性能有進(jìn)一步詳細(xì)的要求，這與美國標(biāo)準(zhǔn)稍有不同。而在鋼材的采購時(shí)，只是提供材質(zhì)、規(guī)格型號(hào)以及交貨狀態(tài)。整體來看，國內(nèi)鋼材標(biāo)準(zhǔn)不如美國標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)、全面，國內(nèi)鋼材市場(chǎng)及供應(yīng)品種也沒有美國完善。這樣就不可避免的導(dǎo)致了在采購環(huán)節(jié)上難度的加大，特別是小批量材料的采購，間接把問題轉(zhuǎn)化為技術(shù)部門對(duì)材料的替換與更改處理。

2.2 美國標(biāo)準(zhǔn)體系

美國有多家學(xué)會(huì)、協(xié)會(huì)從事鋼鐵標(biāo)準(zhǔn)化工作，涉及鋼鐵材料標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)主要有：AISI(美國鋼鐵協(xié)會(huì))、ASTM(美國材料與實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì))、SAE(美國汽車工程師協(xié)會(huì))等。相比國內(nèi)而言，美國的材料標(biāo)準(zhǔn)體系種類多，涵蓋范圍廣，標(biāo)準(zhǔn)類別全面廣泛而深入，相對(duì)國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)來說更加完善和細(xì)致。以下重點(diǎn)介紹一下AISI/SAE和ASTM標(biāo)準(zhǔn)體系，并與國內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)比。

（1）AISI/SAE標(biāo)準(zhǔn)體系

多年以來，碳鋼和合金鋼的種類都是由4位數(shù)字的AISI/SAE編號(hào)系統(tǒng)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的化學(xué)成分來指定。由于AISI不再起草材料技術(shù)規(guī)范，從1995年起，4位數(shù)字命名系統(tǒng)僅僅指SAE命名系統(tǒng)。

SAE系統(tǒng)用基本的4位數(shù)字編碼來指明碳鋼和合金鋼的化學(xué)成分。所有編碼中的后兩位數(shù)字指明了碳含量。例如，含碳量為0.45%的碳鋼根據(jù)系統(tǒng)編碼為1045，前兩位數(shù)字指明了鋼種的分類。再例如，11XX指的是含硫易切削鋼，12XX指的是含硫和含磷易切削鋼。

如果在第二位和第三位之間有附加字母“B”,則是加入硼提高淬透性，“L”則是加入鉛提高加工性能；帶有前綴“M”指明為商品級(jí)質(zhì)量的鋼(熱軋鋼棒材要求最低的級(jí)別，用于結(jié)構(gòu)和機(jī)器中的非重要零件)；帶有前綴“E”(電爐鋼)和后綴“H”(淬硬性要求)主要用于合金鋼中。

（2）ASTM標(biāo)準(zhǔn)體系

ASTM是由美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)制定的材料標(biāo)準(zhǔn)。ASTM標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)通常由字母分類代碼、標(biāo)準(zhǔn)序號(hào)、制定年份和標(biāo)準(zhǔn)英文名稱組成。標(biāo)準(zhǔn)序號(hào)后如帶字母M則為公制單位標(biāo)準(zhǔn)，不帶字母M則為英制單位標(biāo)準(zhǔn)；制定年代后面如有括號(hào)，則括號(hào)內(nèi)的年代表示標(biāo)準(zhǔn)重新審定的年代；制定年代后面如有a，b，c…，則表示標(biāo)準(zhǔn)修訂版次；制定年代后面如有￡1，￡2，￡3…，則表示標(biāo)準(zhǔn)僅進(jìn)行編輯性修改而無實(shí)質(zhì)內(nèi)容修改的次數(shù)。字母分類代碼中，字母“A”表示材料為黑色金屬。

ASTM標(biāo)準(zhǔn)通常都是針對(duì)特定的材料產(chǎn)品而起草的。以一個(gè)具體的材料為例，ASTM A 582/A 582M-95b(2000)，Grade 303Se：Free-Machining Stainless Steel Bars:A為黑色金屬分類碼；582是標(biāo)準(zhǔn)序號(hào)；M是公制單位標(biāo)準(zhǔn)，A582/A582M說明此標(biāo)準(zhǔn)既涵蓋了英制又涵蓋了公制；95b(2000)為制定年代和更改版次以及終版年份；產(chǎn)品屬于免加工不銹鋼棒材；等級(jí)為303Se。

大型養(yǎng)路機(jī)械中可能會(huì)涉及到的常用ASTM鋼材標(biāo)準(zhǔn)，如表2所列。

表2 ASTM部分常見材料標(biāo)準(zhǔn)

通過查閱和研究以上標(biāo)準(zhǔn)，不難發(fā)現(xiàn)，在ASTM標(biāo)準(zhǔn)體系中，針對(duì)每一種具體的產(chǎn)品(不同的用途)都會(huì)有一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，并且在標(biāo)準(zhǔn)中清楚詳盡的說明了產(chǎn)品的規(guī)格公差、交貨狀態(tài)、等級(jí)劃分等，而且基本上全部都列出了材料的化學(xué)成分和機(jī)械性能，市場(chǎng)上供貨與產(chǎn)品檢驗(yàn)均嚴(yán)格依照這些標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。這點(diǎn)與中國標(biāo)準(zhǔn)中鋼材都統(tǒng)一標(biāo)注材質(zhì)有很大的不同，以A514/A514M-00a：焊接用經(jīng)回火與淬火的高屈服強(qiáng)度合金鋼板為例，其中機(jī)械性能類似，而根據(jù)化學(xué)成分的不同分為了14個(gè)等級(jí)；而國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)在處理相同材質(zhì)，不同熱處理狀態(tài)的不同機(jī)械性能上顯得過于籠統(tǒng)，沒有針對(duì)性。對(duì)于同樣材質(zhì)的材料，不同的工藝路線，最終的機(jī)械性能可能差別很大，例如冷拔與熱軋的鋼管的屈服強(qiáng)度差別有時(shí)甚至能達(dá)到 100 MPa。國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)沒有具體的標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范最終不同狀態(tài)的產(chǎn)品所能達(dá)到的機(jī)械性能，還需要與廠家另行協(xié)商。

此外，國產(chǎn)化過程中可能還會(huì)用到AAR(美國鐵路協(xié)會(huì))標(biāo)準(zhǔn)，例如AAR M 201-2005鑄鋼件，我國的TB/T 2594-1995:鐵道機(jī)車車輛結(jié)構(gòu)用低合金鑄鋼即是以前者為參考轉(zhuǎn)化而來的，可以近似比對(duì)。

3 國產(chǎn)化中的材料規(guī)格公差

在國產(chǎn)化英制產(chǎn)品的時(shí)候，經(jīng)常會(huì)碰到公英制轉(zhuǎn)化的問題，在材料的規(guī)格尺寸上同樣存在此問題，因而如何解決這個(gè)問題也是一個(gè)關(guān)鍵。

以鋼板的厚度規(guī)格為例，英制鋼板轉(zhuǎn)化為公制尺寸的最常用方法是直接乘以25.4，這樣所得到的結(jié)果往往不是整數(shù)，而且不是我國推薦的公稱板厚。對(duì)于這種問題有以下幾種解決辦法：

一是，保證鋼板厚度在容許公差范圍內(nèi)。首先需要通過A6/A6M-04a：軋制結(jié)構(gòu)鋼板材、型材和薄板卷材通用技術(shù)要求，來查詢鋼板的厚度方向的容許公差，再與我國的鋼板公稱厚度以及公差范圍相對(duì)比，如果能購買到在容許公差范圍內(nèi)的鋼板則直接采購，否則則需要特殊定制，這還會(huì)涉及到最小訂貨量的問題，如果需求量少則需考慮其他的解決辦法。

二是，具體問題具體分析，通過分析結(jié)構(gòu)的重要性，以及厚度尺寸改變可能帶來的問題，比如結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度變化、重量變化、相鄰尺寸的變化等，在滿足產(chǎn)品所需要的功能性和可靠性前提下，對(duì)規(guī)格進(jìn)行更改，此外還需要與技術(shù)引進(jìn)方積極溝通確認(rèn)替代方案。這種方法一旦確實(shí)可行，比其他的方案都要節(jié)約成本，只是前期溝通確認(rèn)的周期會(huì)比較長。還有一種解決辦法是針對(duì)局部對(duì)尺寸要求很嚴(yán)格的場(chǎng)合，且用量不大的情況下，可以通過加工獲得所需的尺寸，相對(duì)也會(huì)提高成本。

所以，在充分熟悉圖紙，理解圖紙的前提下，了解了產(chǎn)品和零件的設(shè)計(jì)功能和要求，進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶娲模⒎e極與技術(shù)引進(jìn)方溝通確認(rèn)替代方案，不僅滿足了產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和功能要求，保證產(chǎn)品的可靠性，而且使國產(chǎn)化的過程更加徹底，也更具有經(jīng)濟(jì)效益。

其他型材，比如鋼管、棒材、矩形管等也可以借鑒這種規(guī)格公差的處理模式。

4 材料的國產(chǎn)化替代流程

通過在SBC邊坡清篩機(jī)項(xiàng)目中進(jìn)行材料國產(chǎn)化替代工作所積累的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，總結(jié)出了一套材料的國產(chǎn)化替代流程建議方案如下：

（1）在國產(chǎn)化初期，詳細(xì)分析技術(shù)引進(jìn)方所提供的材料清單，并進(jìn)行分類處理，可分為鋼板、各種型鋼、標(biāo)準(zhǔn)緊固件、鑄鍛件、特殊材料零件、液壓氣動(dòng)元件及附件、管路、管接頭、管卡、電器元件和線纜、其他外購件等。

（2）根據(jù)分類處理的結(jié)果，查閱和研究相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，做到把標(biāo)準(zhǔn)吃透，并與國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)相比較。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)不明確或是有疑問處，要及時(shí)積極與技術(shù)引進(jìn)方溝通，提早發(fā)現(xiàn)問題，解決問題。

（3）確定材質(zhì)及規(guī)格型號(hào)的替代方案，并提交技術(shù)引進(jìn)方進(jìn)行確認(rèn)，有自主設(shè)計(jì)權(quán)利的企業(yè)也可以自行計(jì)算并進(jìn)行設(shè)計(jì)更改的確認(rèn)。一旦方案被否定，要及時(shí)拿出替代的解決方案。

（4）對(duì)于特殊材質(zhì)的零件，應(yīng)當(dāng)首先分析零件功能，在確保滿足零件功能的前提下，從國標(biāo)或鐵標(biāo)中選擇相近的材料，并進(jìn)行確認(rèn)。

（5）在進(jìn)行材料替代的過程中，要考慮物資供應(yīng)的相關(guān)問題，在滿足使用可靠性的前提下，優(yōu)先選擇本企業(yè)常用材料及國內(nèi)常見材料，降低采購成本。

（6）材料代用應(yīng)該有詳細(xì)的記錄，逐件核對(duì)，在替代方案確定及更改后及時(shí)更新，不斷發(fā)現(xiàn)更好的替代解決方案，進(jìn)一步深化大型養(yǎng)路機(jī)械的國產(chǎn)化。

5 結(jié)束語

在工程機(jī)械穩(wěn)步加速發(fā)展的今天，深化工程機(jī)械的技術(shù)引進(jìn)和消化吸收成為了我國突破裝備制造業(yè)發(fā)展瓶頸的必然之路。本文從大型養(yǎng)路機(jī)械的國產(chǎn)化經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，就大型養(yǎng)路機(jī)械國產(chǎn)化過程中可能出現(xiàn)的材料替代相關(guān)問題(鋼結(jié)構(gòu)部分)進(jìn)行了分析和討論。

（1）提出了材料國產(chǎn)化的分類處理；

（2）較詳細(xì)的分析了中美材料標(biāo)準(zhǔn)體系(鋼材)之間的差異；

（3）提出了若干公英制材料規(guī)格尺寸轉(zhuǎn)化中的建議處理辦法；

（4）總結(jié)歸納了材料國產(chǎn)化替代的工作過程。

希望今后能夠進(jìn)一步加深對(duì)技術(shù)引進(jìn)中的材料國產(chǎn)化替代的方案研究，在保證整機(jī)及零部件的功能性和可靠性的前提下降低采購和生產(chǎn)成本，推進(jìn)大型養(yǎng)路機(jī)械國產(chǎn)化進(jìn)程的深入進(jìn)行。

[1]John E.Bringas.Handbook of Comparative World Steel Standards[M].USA：ASTM International，2004.

[2]Roger L.Brockenbrough,等.美國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2006.

[3]William D.Callister,Jr.Fundamentals of Materials Science and Engineering[M].USA：John Wiley&Sons，2001.