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北京cnc数控加工厂应用钛合金材料在轨道

时间:2022-09-02 09:55:13 点击:19次

轨道交通车辆应用越来越广,对其要求也越来越高,例如高速运行、沿海地区运用时的防腐蚀以及为了进一步提高性价比而降低簧下重量等,传统金属材料已难以满足这些特殊的使用要求,急需新材料来取代。钛合金材料的许多优越性能很适合用于轨道交通车辆,但由于价格的原因,一直未进行这方面的尝试。随着电解法制备海绵钛即将实现工业化,海绵钛成本越来越低,加之我国钛资源丰富,因此,钛合金材料应用在轨道交通车辆的前景可期。

目前我国高速动车组***高运行速度为350km/h(预留380km/h)。速度越高,轮轨间的动作用力就越大,轮轨磨耗也就越严重,舒适性也越差。在速度不变的条件下,降低轮轨间的动作用力行之有效的办法就是降低车辆的轴重,这其中尤以降低簧下重量效果***为显著,见经验公式(1)。

垂向动态附加载荷(1)

式中:一运行速度,km/h;a一线路缺陷,mm;一线路刚度,n/m;m一簧下部分重量,t。

轨道车辆的簧下重量对车辆的动力学性能有着重要的影响,簧下部分主要包括部分电机(轴悬式机车)、轮对、齿轮箱和轴箱等。

目前在国内运用比较多的CRH3、CRH380B及CRH380BL轴重也都是17toUIC(国际铁路联盟)规定,车辆运行速度不小于250km/h时,轴重不大于17t。既要考虑强度和刚度要求,还要考虑低温韧性,同时在低温运行条件下还要考虑乘客的防寒、防冻,也就是车辆的保温性能要好,这些都是车辆轴重的约束条件,很多零部件都经过优化设计才使轴重达到这个设计要求,进一步轻量化难度非常大,且潜力有限,因此,急需高强度、密度小的新材料来取代传统材料。

钛合金密度4.5g/cm3,为钢密度的57%,强度与钢相当,替换钢材减重43%,是比强度***高的金属材料,等强度替换铝合金减重20%~30%;同时钛合金材料本身具有较好的阻尼,在传力、衰减振动和衰减冲击方面应该有所作为田随着高速动车组在我国海南岛内开行,腐蚀问题开始暴露,如受电弓及其上的弹簧等。这些零部件都直接暴露在含盐量高、湿度大的空气中,且受电弓受流电压为25kV,电流通过时,温度很高,也加剧了其腐蚀速度。目前这些零部件都是由钢材制成,成型后涂防锈漆,不能从根本上解决问题。

因此,从钛合金材料的性能出发,分4方面对其在轨道交通车辆上的应用进行可行性分析和展望。

钛合金在轨道交通车辆中的应用展望

钛合金弹簧

与钢弹簧比,钛合金弹簧具有6个优势:(1)重量轻;(2)强度高;(3)阻尼性好;(4)工作温度范围广:一50℃~300℃;(5)工作应力低;(6)耐腐蚀。

更重要的是钛合金材料的断裂韧性也比较合适,当以减小弹簧体积作为设计依据时,σ/G值(式中:σ一弹簧工作应力,Pa;G一材料剪切模量,Pa)可以作为选用材料的判据。钛合金材料的剪切模量比钢材小,因此,所需弯成的圈数比钢质弹簧少,这也进一步降低了钛合金弹簧重量。

钛合金材料耐蚀性好、维护成本低,会延长使用寿命。海水中电位0.09v,其在大气、雨水、海洋中腐蚀速率为0,见表1。轨道交通车辆中转向架及受电弓上的零部件绝大多数都直接暴露在外,除了涂一层防锈漆外没有任何其他庇护,钛合金材料的耐蚀性也比较适合用在轨道交通车辆上,尤其适合运用于沿海一带的轨道交通车辆上。

运用现代企业管理方式及多年积累的企业文化,先后与国内外30余家知名企业建立了配套关系,如中压电器生产线焊接组装用翻转工装, 诺基亚手机生产线配套工装夹具,钢铁研究总院光谱分析仪铸铝外壳、冲击试验机,北京不锈钢异型件加工北京不锈钢零件加工,空气滤芯冲压模具。

在轨道交通车辆中,比较重要的弹簧基本都采用51crV4或制成,如高速动车组及机车上二系弹簧等,其性能见表2。

图1是用TB6钛合金试制成的用于CRH3高速动车组的一系簧(包括内簧和外簧),经理论计算和检测各项指标均符合动车组的使用要求。以外簧为例,重量由原来钢弹簧的32.26kg降低为钛合金弹簧的18.29kg,减轻了43.3%。目前,钛合金弹簧正在进行200万次的疲劳试验。因为是取代原合金钢弹簧,不仅各向刚度(包括垂向和横向)要与原弹簧一致,而且还要与原弹簧安装结构完全一样,应力也要小于原钢弹簧,以确保使用寿命不低于原钢弹簧,其设计难度显然大于弹簧的新设计

图一:TB6钛合金弹簧                                     图二:ZTC4钛合金叶轮

从文献检索可知,钛合金弹簧尚未用于轨道交通车辆,但2001年就在汽车领域得到了成功应用。

从钛合金弹簧试制情况看,与传统钢弹簧的加工工艺及流程基本相同,因此,可有效利用原有加工设备,但也有差别,如热卷温度及如何控制钛合金弹簧的回弹量等。现在***缺的是钛合金弹簧材料的有关疲劳寿命数据,目前正着手这方面的试验研究。

轨道交通车辆一般按30年寿命设计,因此,像一系弹簧这些重要零部件也是按30年的设计寿命计算的,这与汽车的要求不同。

钛合金叶轮

在-253℃~550℃温度范围,钛合金具有较高的强韧性,比较适合制造内燃机车柴油机的增压器叶轮和汽轮机叶轮,见表3。

图2为ZTC4材料用真空离心浇铸技术铸造的叶轮。原叶轮材料为2618,材料性能满足表4要求(试验温度23℃±5℃)。由表4可知,钛合金ZTC4铸造性能无论是强度、硬度还是伸长率都完全满足叶轮的性能要求。钛合金叶轮试制后,下一步将开展测试,尤其要进行模拟运行工况下的疲劳试验,以检验钛合金的铸造工艺和材料的疲劳性能。

钛合金轴箱

在轨道交通车辆行业,把套在轴颈上连接轮对和转向架构架或二轴车车体的部件简称为轴箱。其作用是把车体及构架重量和载荷传递给轮对,润滑轴颈,减少摩擦,降低运行阻力。轴箱与车轴直接通过轴承相连,轮轨动作用力由钢轨直接传递给车轮、车轴后,又未经任何衰减传递给轴箱,因此,轴箱重量属典型的簧下重量,其轻量化尤其具有重要意义。

现阶段我国轨道交通车辆轴箱普遍采用铸铁或铸钢,如机车轴箱采用c级铸钢,抗拉强度不小于620MPa,屈服强度不小于4巧MPa,伸长率不小于22%。钛合金与其他材料的比阻尼及屈服强度见表5。显而易见,钛合金材料性能优势突出,完全可满足使用要求,但价格偏高,因此,要着重考虑性价比。

按照等强度和等刚度设计原则,采用TH一Ti321钛合金材料铸造的轴箱如图3所示,其性能满足TB/T2942一1999中C级铸钢的技术要求,重量约为原铸钢轴箱的53%,有效地降低了机车的簧下重量。由于钛合金材料铸造性能的特点,钛合金轴箱运用真空离心浇铸技术制作完成,这与普通的铸铁、铸钢的铸造技术大不相同,目前正在进行疲劳试验。预计装车后会明显改善机车的动力学性能,提升铁路机车运行的安全性和舒适性。

钛合金车钩、缓冲器和牵引杆

目前我国货车占车辆的绝大多数,其车钩主要类型为13号车钩系列,约占95%以上,材料均为ZG25MnCrNiMoo由于车型不同,车钩承受的拉压力也不同,因此,各型号车钩采用了不同的热处理方式。13C型车钩采用正火+回火工艺,13E和13A型车钩均采用调质处理工艺。用于重载牵引的巧号转动车钩和17号固定车钩的材质同样是ZG25MnCrNiMo,但采用淬火+回火的热处理工艺。其材质性能为:Rm>827Mpa、Rp>689MPa、伸长率δ≥14%、断面收缩率Ψ≥30%、Akv≥(一40℃)27J。

缓冲器能耗件材料分为摩擦、弹簧、橡胶及液压4种,如果缓冲器本身采用钛合金材料,不仅能承受各种纵向(即车钩方向)载荷,且能利用钛合金材料的阻尼特性(见表5)耗散一部分纵向动载荷,这对减小列车的纵向冲击是非常有利的。机车牵引杆有的采用25CrM04无缝钢管,屈服极限400MPa、材料弹性模量210GPa、材料泊松比0.3、材料密度7850kg/m3。

由此可见采用钛合金材料完全可满足车钩、缓冲器及牵引杆的使用要求,但成型却是问题,因为这些铸件的零件尺寸都比较大,要投入新的设备。现在的车钩、缓冲器都是铸造成型,牵引杆有铸造也有锻造的还有利用无缝钢管制造的。因此,现阶段仅仅是展望,还未开始试制。随着技术的发展,成型应该不会成为限制钛合金制成这些零件的因素。

结论

(1)轨道交通车辆发展到新阶段受到各种条件的限制,采用新材料是必然的、也是迫切的,否则很难满足使用要求,且这个市场潜力巨大。

(2)钛合金材料的很多优越性能都是轨道交通车辆所需的,本文4个方面的展望还只是探索,还有很多应用等待开发,其可靠性更需得到验证。

(3)从调研情况看,轨道交通车辆市场没有壁垒,目前的限制条件就是价格,即钛合金零部件性价比是否合适。可分2步走:先进行钛合金材料的性能试验及相关零部件试验,为批量应用摸索和积累经验,到技术相对成熟,成本降低后再批量应用,而不是等成本降低后再投人研究。

(作者:黄志辉1    王超2   孙龙生2   周杰2

1西南交通大学牵引动力******重点实验室;2沈阳泰恒通用技术有限公司)

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