钛合金弹簧在轨道交通行业的应用前景分析

2018-05-28黄志辉

现代城市轨道交通 2018年5期

王超，黄志辉

（1. 沈阳泰恒通用技术有限公司，辽宁沈阳 110000；2. 西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川成都 610031）

0 引言

钛合金主要分TA、TB、TC3类，其中TA和TC类钛合金牌号较多，同时也比较常用。国内对TB钛合金研究较多，但制造的成品率低，导致TB钛材料价格高于TA和TC钛材料。钛合金主要以β钛合金为主，室温抗拉强度在1350MPa以上，国内研制出10余种β钛合金牌号，其中常用的牌号有TB2、TB3、TB5、TB6、TB9等。β钛合金因具有优良的生物相容性和可加工性，在生物医疗领域得到广泛的应用。其良好的冷、热加工性能，可以通过固溶-时效处理获得较高的力学性能，在航空航天工业应用越来越广泛，受到世界各国的高度重视。近年来，随着钛合金冶炼工艺技术的进步和材料制造工艺的改进，钛业界成功开发低成本和高性能的新钛合金，新钛合金有望成为轨道交通行业的新材料、新技术，努力打开广阔的轨道交通市场。

钛合金的优良特性主要体现在以下几个方面。

（1）比强度高。钛合金具有很高的强度，其抗拉强度≥1350MPa，而密度仅为钢的3/5，铜的一半，比强度很高。

（2）硬度较高。钛合金（STA态）的硬度为HRC37～43。

（3）弹性模量低。钛合金（STA态）的弹性模量为106800～115600MPa，约为钢和不锈钢的一半，易于挠曲。在一些特殊要求工作环境下，可以利用钛合金模量低和延展性好的特点制作弹性元件。

（4）高温和低温性能优良。钛合金材料随着温度的升高，强度降低、塑性提高，反之强度升高、塑性下降，但是在-253℃到300℃之间变化平缓，不像钢铁达到某一温度，性能产生急剧变化。钛合金虽然在低温情况下强度升高，但材料的塑性依然优异。

（5）具有强烈的钝化倾向。钛与氧有很强的亲合力，若材料受到外力导致氧化膜破坏，钛表面很快与空气接触发生反应，在基体表面形成致密氧化膜来对自己进行保护。

1 钛合金弹簧的应用现状

1.1 国外的应用现状

未见到钛合金弹簧应用于国外轨道交通领域的相关内容报道，但在汽车和摩托车、航空航天等领域有相对成熟的应用。例如，美国Timet公司用TimetalLCB合金制造的钛合金弹簧在高端轿车和赛车、越野摩托车上均有成功应用案例。在ChallengeStradale法拉利汽车、欧洲VolkswagenAG公司的新型LupoFSI汽车、FordSimon＆Simon赛车和雅马哈YZ系列摩托车上均使用TimetalLCB钛合金弹簧。

在航空航天领域，钛合金弹簧应用非常成熟。麦道公司和波音公司均使用了钛合金弹簧取代原不锈钢弹簧，其制造弹簧合金主要为Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4V钛合金和Ti-13V-11Cr-3Al钛合金，在飞机舱门、起落架的上下锁等位置弹簧均有应用。美国在20世纪60年代开发了Ti-13V-11Cr-3Al钛合金，到20世纪70年代麦道公司采用冷加工＋时效方式，利用生产普通钢弹簧的设备加工钛合金弹簧并将其使用在民用飞机上。20世纪80年代中期，Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4V钛合金逐步取代Ti-13V-11Cr-3Al钛合金，至今为止，航空航天领域用弹簧基本是Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4V钛合金。

1.2 国内的应用现状

国内钛合金弹簧报道较多，在化工领域应用较多，但在轨道交通行业没有见到报道。例如，云南和四川泸州天然气化工厂等40多家厂家均采用钛合金弹簧替代进口设备中的钢弹簧。国内厂家试制弹簧主要采用TC4钛合金、β型钛合金β-C、TB3钛合金等3种合金，这3种钛合金制造的钛合金弹簧均应用于化工用泵阀体内。国内试制钛合金弹簧的丝径在3～5mm，没有大丝径的弹簧研究报道。20世纪90年代初，某单位首次研制出某种地层倾角仪液压推靠器的重要部件TC4钛合金板弹簧，钛合金板弹簧可在温度较高和腐蚀性较恶劣的条件下工作，成功替代不锈钢弹簧。

2 钛合金弹簧在轨道交通行业的应用展望

2.1 钛合金螺旋压缩弹簧

螺旋压缩弹簧是轨道交通车辆悬挂系统中的关键部件。车辆在轨道上运行时，将伴随产生复杂的振动现象，当钢轨对轮对有反冲击力时，螺旋弹簧产生变形，吸收钢轨冲击动能并转换为弹簧的势能，从而缓和了钢轨对车身冲击的影响。车辆上采用螺旋压缩弹簧，可以提高车辆运行的舒适性和平稳性，保证旅客舒适安全，保证货物完整无损，同时螺旋压缩弹簧要具备高疲劳寿命和高可靠性两大特性。影响弹簧疲劳寿命和可靠性的主要因素包括弹簧的结构、表面质量、应力、端部的尖缝抛丸情况等。

与钢弹簧相比，钛合金弹簧具有重量轻、强度高、阻尼性好、工作温度范围广（-50～300℃）、工作应力低、耐腐蚀等6大优势。其中，重量轻和耐腐蚀两大优势，可以减轻车辆悬挂装置重量，提高列车运行速度，更好地延长车辆零部件及钢轨的使用寿命，减少车辆维护次数。表1给出了螺旋压缩弹簧钢材料与钛合金材料性能对比。

表1 弹簧钢 51CrV4 和钛合金 TB6、TB9 性能对比

图1是用钛合金TB6试制的用于CRH3高速动车组的一系簧（内簧和外簧）。经理论计算和检测，该钛合金一系簧各项指标均符合动车组的使用要求。地铁和轻轨用的部分螺旋压缩弹簧均已完成了钛合金弹簧设计，但尚未对其进行试制。

图1 钛合金 TB6 弹簧

2.2 钛合金螺旋拉伸弹簧

与螺旋压缩弹簧相比，螺旋拉伸弹簧的工作原理相反。一般螺旋拉伸弹簧在没有任何载荷的情况下，存在一定张力。其中轨道交通车辆供电部件均使用了上面说的螺旋拉伸弹簧。影响拉簧初始拉力的因素有很多，例如，材料的抗拉强度和伸长率、送料角度、操作者水平、加工设备精度等。

受电弓是列车从接触网取得电能的电气设备，安装在列车车顶上。升弓弹簧是受电弓的一个重要组成部件，列车在高速运行的状态下受电弓弓头要能追随接触网，保证弓网的良好接触，维持一定且比较稳定的弓网接触压力，使列车稳定受流，从而提供稳定的动力源，升弓弹簧失效将导致列车无动力来源，造成停车事故。列车在运行过程中，受到轨道不平顺等各种激扰的影响，使受电弓升弓弹簧与接触网之间产生跳动和摆动，这种振动幅值越小越好。因此，要求受电弓核心部件弹簧重量轻、耐腐蚀、性能稳定、寿命长。由于受电弓弹簧行程有限，所以要求拉簧具备较大的初始拉力，卷制成功有较大难度。图2为用钛合金材料Ti-3Al-10Mo-4V-4Cr-1Nb（专利号CN201610822248.5）试制的受电弓用升弓弹簧，经理论计算和检测，各项指标均符合车辆的使用要求，且已通过台架试验。与钢弹簧相比，钛合金弹簧减轻重量30%，有效圈数减少，初始拉力相当。

图2 钛合金 Ti-3Al-10Mo-4V-4Cr-1Nb 弹簧

受流器安装在列车转向架上，通过第三轨供电方式对列车供电。受流器的受电靴在接触轨上滑行，工作环境恶劣。在受流器整个工作过程中，影响受流器跟随性的最重要的部件是弹簧，而钛合金弹簧与钢弹簧相比，具有重量轻和阻尼性好两大优势，完全可以替代现有用60Si2MnA钢材料制造的弹簧。图3为钛合金材料TB6螺旋拉伸弹簧。表2为弹簧钢60Si2MnA和钛合金材料Ti-3Al-10Mo-4V-4Cr-1Nb性能对比。

图3 钛合金 TB6 弹簧

表2 弹簧钢 60Si2MnA 和钛合金 Ti-3Al-10Mo-4V-4Cr-1Nb 性能对比

2.3 钛合金扭转弹簧

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。其中受电弓中的扭簧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。现有扭簧由不锈钢材制成，成型后涂防锈漆，不能从根本上解决问题。而钛合金弹簧具有导电性差和耐腐蚀两大特点，可替代现有钢扭簧。图4为TB5钛合金材料制成的扭簧，表3为0Cr17Ni7Al不锈钢材料和TB5钛合金材料性能对比。