Željeznički prijevoz je vrsta sigurnog, udobnog ekološkog prijevoza koji štedi energiju i važan je dio javnog prijevoza u Kini. Obim izgradnje željezničkog tranzita se iz godine u godinu širi, radna mreža se povećava, a potrošnja energije značajno raste. Potrošnja energije vuče čini oko 30% ukupne potrošnje energije u željezničkom tranzitu. Ako se težina vozila smanji za 10%, potrošnja energije može se smanjiti za 6% ~ 8%.
Uz snažnu promociju izgradnje željezničkog tranzita u Kini, industrija opreme za željeznički tranzit također je u razdoblju razvojne prilike brzog rasta tijekom razdoblja 14. petogodišnjeg plana. Potrebe za razvojem opreme za željeznički prijevoz hitnije su u smislu novih materijala, novih tehnologija i novih procesa, posebno u smjeru opreme male težine, linije, velike brzine i teške opreme te zelene inteligencije opreme. Legura titana privukla je pozornost industrije željezničkog prijevoza zbog svojih karakteristika male gustoće, visoke specifične čvrstoće, dobre zavarljivosti i dobre otpornosti na koroziju, te je postupno provedena studija izvedivosti legiranja titana srodnih proizvoda i primjene u vozilu.
Status istraživanja 02 legure titana u željezničkim vozilima
2.1 Okvir okretnog postolja od legure titana
Okretno postolje je jedna od najvažnijih komponenti tračničkog vozila koja je izravno povezana s kvalitetom vožnje, dinamičkim performansama i sigurnošću vožnje tračničkog vozila. Okvir je nosač za sastavljanje komponenti okretnog postolja, općenito uključujući bočnu gredu, gredu i ovjesno sjedište potrebno za ugradnju povezane opreme. Okvir od legure titana može ostvariti visoku čvrstoću i laganu strukturu okretnog postolja, smanjiti masu opruge i masu opruge, a zatim poboljšati silu između kotača i tračnice i poboljšati sigurnost i radnu pouzdanost strukture okretnog postolja.
U zavarivanju okvira okretnog postolja od legure titana koriste se legure titana TA2 i TA18. Na temelju ispunjavanja čvrstoće postojećeg okvira, ukupna masa okvira okretnog postolja smanjena je za oko 40%, kao što je prikazano na slici 1 i slici 2. U procesu razvoja okvira od legure titana, tehnički problemi velike deformacije u procesu zavarivanja sastava bočne grede legure titana i nemogućnosti da se neki zavareni spojevi učinkovito zaštite inertnim plinom riješeni su. Nakon zavarivanja, zaostalo unutarnje naprezanje od zavarivanja eliminirano je vakuumskom toplinskom obradom, a okvir od legure titana zadovoljio je zahtjeve postojećih projektnih pokazatelja, čime su prikupljeni osnovni podaci za daljnju strukturnu optimizaciju i dizajn okvira od legure titana.
SLIKA 1 Sastav bočnih greda okvira od legure titana
SLIKA 2 Okvir okretnog postolja od legure titana
2.2 Kočna stezaljka od legure titana
Kao temeljni dio kočionog sustava, učinak i funkcija kočne stezaljke izravno utječu na stanje rada i kvalitetu kočionog sustava. Primjena kočne stezaljke od legure titana može smanjiti masu ispod i između opruga, poboljšati kvalitetu rada i poboljšati sposobnost otpornosti na koroziju; Pod niskom temperaturom okoline, performanse strukturne čvrstoće su stabilnije.
Razvijena stezaljka kočnice u tri točke od legure titana prikazana je na slici 3. Legura titana TC4 koristi se za glavne komponente opterećenja kao što su vješanje, nosač kočione pločice, viseće sjedište, glava cilindra, cijev klipa, cijev glave cilindra, jaram i poluga, uz ukupno smanjenje težine od 17,6 kg. Ispitivanje čvrstoće, ispitivanje brtvljenja pri niskom i visokom tlaku pri sobnoj temperaturi, ispitivanje osjetljivosti na sobnu temperaturu, ispitivanje prilagodbe primarnog zazora, ispitivanje prilagodbe maksimalnog zazora i ispitivanje rasterećenja zazora provedeno je za jedinicu kočne stezaljke od legure titana. Rezultati ispitivanja pokazuju da kočne stezne jedinice od legure titana zadovoljavaju funkcionalne zahtjeve, a istovremeno su prošle 1 milijun testova zamora i testova vibracija pri udaru. U okruženju niske temperature od -50 stupnjeva, nakon 48 h, funkcije stezaljke kočnice od legure titana su normalne, što ukazuje da stezaljka kočnice od legure titana ima jaku otpornost na niske temperature i prikladna je za primjenu na visokoj hladnoći okruženje.
SLIKA 3 Stezna jedinica kočnice u tri točke od legure titana
2.3 Prijelazna spojnica od legure titana
Prijelazna spojnica je spojnica koja se koristi za spajanje dvije različite vrste spojnice, kako bi se osigurao siguran i nesmetan prijenos lokomotive na popravljena vozila, dok prijelazna spojnica u uporabi zahtijeva česti ručni utovar i istovar. Prema UIC660, pojedinačna težina prijelazne spojnice ne smije premašiti 50 kg. Međutim, postojeća prijelazna spojnica je teške konstrukcije, što zahtijeva da više ljudi nosi istovremeno tijekom utovara i istovara. Ako se nezgoda dogodi tijekom rukovanja, to će uzrokovati i osobne ozljede osoblja za održavanje.
Dizajnirana je lagana prijelazna spojnica od legure titana. Na temelju metode promjenjive gustoće, modul za optimizaciju oblika u ANSYSWorkbenchu korišten je za optimizaciju topologije prijelazne spojnice, a lagana struktura prijelazne spojnice od legure titana dizajnirana je prema rezultatima optimizacije topologije. Lagana prijelazna spojnica od legure titana težila je 42,15 kg. U usporedbi s izvornom čeličnom prijelaznom spojnicom razreda E, smanjenje težine je 58,15 kg, a omjer smanjenja težine je do 57,98%.
Tvrtka CRRC razvila je prijelaznu spojnicu od legure titana, kao što je prikazano na slikama 4 i 5. Kuka s jednim modulom teži oko 20 kg, a jedna osoba može završiti cijeli radni proces. U ispitivanju vlačnog opterećenja od 750 kN i tlačnog opterećenja od 850 kN, kuka spojnice nije se slomila, kao što je prikazano na slici 6. Nakon istovara, tijelo spojnice je pregledano i provjereno kao cjelina i nije bilo očitih deformacija i oštećenja u svi dijelovi prijelazne spojnice tipa 10 i tipa 13 od legure titana. Rezultati ispitivanja pokazuju da lagana prijelazna spojnica od legure titana ima malu težinu, veliku čvrstoću i visoku radnu učinkovitost, te zadovoljava sigurnosne potrebe trenutnog rada prijelazne spojnice, a postoji i izvedivost daljnje lagane.
SLIKA 4 Spojnica modela 10 od legure titana
Slika 5. Spojnica modela 13 od legure titana
SLIKA 6 Vlačno i tlačno ispitivanje spojnice od legure titana 10
U proizvodnji konveksnog stošca prijelazne spojnice podzemne željeznice od legure titana, Shenyang Zhongti Equipment Manufacturing Co., Ltd. usvaja proces kovanja titanijske ploče i zavarivanja rebara. U usporedbi s izvornim postupkom lijevanja čeličnog konveksnog stošca, ova metoda ima dobru sposobnost oblikovanja, visoku učinkovitost i dobre performanse konveksnog stošca. Konveksni stožac kalupa za kovanje titanijske legure prikazan je na slici 7.
Slika 7. Kovan i djelomično zavaren konveksni konus od titana
2.4 Vučna šipka
Središnji vučni uređaj uglavnom se sastoji od središnjeg vučnog klina, sklopa vučne spone (uključujući sponu i gumene kuglaste spojeve na oba kraja) i spojnog vijka. Njegova glavna funkcija je ostvariti vezu između karoserije automobila i okretnog postolja, te ostvariti prijenos vučne sile i sile kočenja. Struktura vučne šipke je jednostavna, a proces oblikovanja je relativno jednostavan. Zamjena materijala legure titana ne samo da postiže učinak smanjenja težine, već također poboljšava stopu iskorištenja materijala korištenjem sheme kovanja u kalupu, a ukupni trošak neće biti značajno poboljšan.
Vučna šipka od legure titana koju su zajednički razvili CRRC Sifang Co., Ltd. i China Titanium Equipment Co., Ltd. djelomično je strojno obrađena nakon kovanja, a stopa iskorištenja materijala može doseći više od 50%, a ukupna težina smanjena je za oko 42%. Učinak smanjenja težine je vrlo očit, kao što je prikazano na slikama 8 i 9.
SLIKA 8 Model kovanja vučne šipke
SLIKA 9 Izvan stanja kalupa povlačne šipke nakon kovanja kalupa
Veličina i mehanička svojstva vučne šipke izrađene od legure titana zadovoljavaju zahtjeve uporabe. Kako bi se osigurao siguran rad EMU-a, statičku čvrstoću i čvrstoću na zamor vučne spone od legure titana pod odgovarajućim opterećenjem treba provjeriti kroz ispitivanja u skladu s tehničkim uvjetima za vučnu sponu za okretna postolja. Budući da je modul elastičnosti legure titana otprilike polovica modula elastičnosti čelika, također je potrebno provjeriti utjecaj krutosti spone za vuču od legure titana na način vibracija okretnog postolja i vozila te dinamičke performanse vozila tijekom vuče i kočenja .
