Il trasporto ferroviario è un tipo di trasporto ecologico sicuro, confortevole, ecologico e a risparmio energetico, ed è una parte importante del trasporto pubblico in Cina. La scala di costruzione del trasporto ferroviario si espande di anno in anno, la rete operativa aumenta e il consumo di energia aumenta in modo significativo. Il consumo di energia per la trazione rappresenta circa il 30% del consumo totale di energia nel trasporto ferroviario. Se il peso del veicolo viene ridotto del 10%, il consumo energetico può essere ridotto del 6% ~ 8%.
Con la vigorosa promozione della costruzione del trasporto ferroviario in Cina, anche il settore delle attrezzature per il trasporto ferroviario si trova in un periodo di opportunità di sviluppo di rapida crescita durante il periodo del 14° piano quinquennale. Le esigenze di sviluppo delle attrezzature per il trasporto ferroviario sono più urgenti in termini di nuovi materiali, nuove tecnologie e nuovi processi, soprattutto nella direzione della leggerezza, della linea, dei carichi pesanti ad alta velocità e dell'intelligenza ecologica delle attrezzature. La lega di titanio ha attirato l'attenzione dell'industria del trasporto ferroviario grazie alle sue caratteristiche di bassa densità, elevata resistenza specifica, buona saldabilità e buona resistenza alla corrosione, e ha gradualmente effettuato lo studio di fattibilità della lega di titanio di prodotti correlati e applicazioni a bordo.
Stato della ricerca della lega di titanio 02 nei veicoli ferroviari
2.1 Telaio del carrello in lega di titanio
Il carrello è uno dei componenti più importanti del veicolo ferroviario, direttamente correlato alla qualità di marcia, alle prestazioni dinamiche e alla sicurezza di guida del veicolo ferroviario. Il telaio è il supporto per l'assemblaggio dei componenti del carrello, generalmente comprendente la trave laterale, la trave e il sedile sospeso necessari per l'installazione delle relative apparecchiature. Il telaio in lega di titanio può realizzare la struttura del carrello leggera e ad alta resistenza, ridurre la massa della molla e la massa della molla, quindi migliorare la forza tra la ruota e il binario e migliorare la sicurezza e l'affidabilità operativa della struttura del carrello.
Nella saldatura di un telaio del carrello in lega di titanio, vengono utilizzate le leghe di titanio TA2 e TA18. Rispettando la resistenza del telaio esistente, la massa totale del telaio del carrello viene ridotta di circa il 40%, come mostrato nella Figura 1 e nella Figura 2. Nel processo di sviluppo del telaio in lega di titanio, i problemi tecnici di grande deformazione nel processo di saldatura della composizione delle travi laterali in lega di titanio e sono stati risolti l'impossibilità di alcuni giunti saldati di essere protetti efficacemente dal gas inerte. Dopo la saldatura, lo stress interno residuo della saldatura è stato eliminato mediante trattamento termico sotto vuoto e il telaio in lega di titanio ha soddisfatto i requisiti degli indicatori di progettazione esistenti, che hanno accumulato dati di base per l'ulteriore ottimizzazione strutturale e progettazione del telaio in lega di titanio.
FICO. 1 Composizione travi laterali del telaio in lega di titanio
FICO. 2 Telaio del carrello in lega di titanio
2.2 Morsetto freno in lega di titanio
Essendo la parte centrale del sistema frenante, le prestazioni e il funzionamento della pinza freno influiscono direttamente sullo stato di funzionamento e sulla qualità del sistema frenante. L'applicazione della pinza freno in lega di titanio può ridurre la massa sotto e tra le molle, migliorare la qualità di funzionamento e migliorare la capacità di resistenza alla corrosione; In ambienti a bassa temperatura, le prestazioni di resistenza strutturale sono più stabili.
Il morsetto del freno a tre punti sviluppato in lega di titanio è mostrato nella Figura 3. La lega di titanio TC4 viene utilizzata per i principali componenti di carico quali sospensione, supporto pastiglia freno, sedile sospeso, testata, tubo del pistone, condotto della testata, forcella e leva. con una riduzione del peso totale di 17,6 kg. Il test di resistenza, il test di tenuta a temperatura ambiente a bassa e alta pressione, il test di sensibilità alla temperatura ambiente, il test di regolazione del gioco primario, il test di regolazione del gioco massimo e il test di scarico del gioco sono stati eseguiti rispettivamente per l'unità di bloccaggio del freno in lega di titanio. I risultati dei test mostrano che le unità di pinza freno in lega di titanio soddisfano i requisiti funzionali e, allo stesso tempo, hanno superato 1 milione di test di fatica e test di vibrazione da impatto. Nell'ambiente a bassa temperatura di -50 gradi, dopo 48 ore, le funzioni dell'unità pinza freno in lega di titanio sono normali, indicando che la pinza freno in lega di titanio ha una forte resistenza alle basse temperature ed è adatta per l'applicazione in condizioni di freddo intenso ambiente.
FICO. 3 Morsetto freno a tre punti in lega di titanio
2.3 Accoppiatore di transizione in lega di titanio
L'accoppiatore di transizione è un accoppiatore utilizzato per collegare due diversi tipi di accoppiatore, per garantire il trasferimento sicuro e regolare della locomotiva da riparare, mentre l'accoppiatore di transizione in uso richiede frequenti operazioni di carico e scarico manuali. Secondo UIC660, il peso singolo dell'accoppiatore di transizione non deve superare i 50 kg. Tuttavia, l'accoppiatore di transizione esistente ha una struttura pesante, che richiede il trasporto di più persone contemporaneamente durante il carico e lo scarico. Se si verifica un incidente durante la movimentazione, ciò causerà anche lesioni personali al personale di manutenzione.
È stato progettato un accoppiatore di transizione leggero in lega di titanio. Basato sul metodo a densità variabile, il modulo Shape Optimization di ANSYSWorkbench è stato utilizzato per ottimizzare la topologia dell'accoppiatore di transizione e la struttura leggera dell'accoppiatore di transizione in lega di titanio è stata progettata in base ai risultati di ottimizzazione della topologia. L'accoppiatore di transizione in lega leggera di titanio pesava 42,15 kg. Rispetto all'accoppiatore di transizione in acciaio di grado E originale, la riduzione del peso è di 58,15 kg e il rapporto di riduzione del peso arriva fino al 57,98%.
Una società di CRRC ha sviluppato un accoppiatore di transizione in lega di titanio, come mostrato nella Figura 4 e nella Figura 5. Un gancio a modulo singolo pesa circa 20 kg e una sola persona può completare l'intero processo operativo. Nella prova di carico di trazione di 750 kN e nella prova di carico di compressione di 850 kN, il gancio dell'accoppiatore non si è rotto, come mostrato nella Figura 6. Dopo lo scarico, il corpo dell'accoppiatore è stato ispezionato e controllato nel suo insieme e non sono state riscontrate deformazioni o danni evidenti. tutte le parti dell'accoppiatore di transizione in lega di titanio tipo 10 e tipo 13. I risultati dei test mostrano che l'accoppiatore di transizione leggero in lega di titanio ha un peso leggero, un'elevata resistenza ed un'elevata efficienza operativa e soddisfa le esigenze di sicurezza dell'attuale funzionamento dell'accoppiatore di transizione, oltre alla fattibilità di un ulteriore peso leggero.
FICO. 4 Accoppiatore Modello 10 in lega di titanio
Figura 5. Accoppiatore Modello 13 in lega di titanio
FICO. 6 Prova di trazione e compressione dell'accoppiatore in lega di titanio 10
Nella produzione di coni convessi di accoppiatori di transizione della metropolitana in lega di titanio, Shenyang Zhongti Equipment Manufacturing Co., Ltd. adotta il processo di forgiatura di piastre di titanio e saldatura di ribbar. Rispetto al processo di fusione originale del cono convesso in acciaio, questo metodo ha buona formabilità, alta efficienza e buone prestazioni del cono convesso. Il cono convesso forgiato in lega di titanio è mostrato nella Figura 7.
Figura 7. Cono convesso in titanio forgiato e parzialmente saldato
2.4 Tirare l'asta
Il dispositivo di trazione centrale è composto principalmente dal perno di trazione centrale, dal gruppo tirante di trazione (compresi tirante e giunti sferici in gomma su entrambe le estremità) e dal bullone di collegamento. La sua funzione principale è realizzare la connessione tra la carrozzeria e il carrello e realizzare la trasmissione della forza di trazione e della forza frenante. La struttura dell'asta di trazione è semplice e il processo di formatura è relativamente semplice. La sostituzione del materiale in lega di titanio non solo ottiene l'effetto di riduzione del peso, ma migliora anche il tasso di utilizzo del materiale utilizzando lo schema di forgiatura e il costo complessivo non sarà notevolmente migliorato.
L'asta di trazione in lega di titanio sviluppata congiuntamente da CRRC Sifang Co., Ltd. e China Titanium Equipment Co., Ltd. è parzialmente lavorata dopo la forgiatura e il tasso di utilizzo del materiale può raggiungere oltre il 50% e il peso complessivo è ridotto di circa il 42%. L'effetto di riduzione del peso è molto evidente, come mostrato nella Figura 8 e nella Figura 9.
FICO. 8 Modello di stampo di forgiatura dell'asta di trazione
FICO. 9 Fuori dallo stato dell'asta di trazione dopo la forgiatura dello stampo
Le dimensioni e le proprietà meccaniche dell'asta di trazione in lega di titanio soddisfano i requisiti di utilizzo. Al fine di garantire il funzionamento sicuro dell'EMU, la resistenza statica e la resistenza alla fatica del tirante di trazione in lega di titanio sotto il carico corrispondente devono essere verificate mediante test secondo le condizioni tecniche del tirante di trazione per carrello. Poiché il modulo elastico della lega di titanio è circa la metà di quello dell'acciaio, è necessario verificare anche l'influenza della rigidezza del tirante di trazione in lega di titanio sulla modalità di vibrazione del carrello e del veicolo e sulle prestazioni dinamiche del veicolo durante la trazione e la frenata. .
