Železniční doprava je druh bezpečné, pohodlné, ekologické a energeticky úsporné zelené dopravy, je důležitou součástí veřejné dopravy v Číně. Rozsah výstavby železniční dopravy se rok od roku rozšiřuje, provozní síť se zvyšuje a spotřeba energie výrazně roste. Spotřeba trakční energie představuje asi 30 % celkové spotřeby energie v železniční dopravě. Pokud se hmotnost vozidla sníží o 10 %, spotřeba energie se může snížit o 6 % ~ 8 %.
S energickou podporou výstavby železniční dopravy v Číně se průmysl železničního dopravního zařízení také nachází v období příležitostí pro rozvoj rychlého růstu během období 14. pětiletého plánu. Potřeby rozvoje zařízení pro železniční dopravu jsou naléhavější, pokud jde o nové materiály, nové technologie a nové procesy, zejména ve směru odlehčení, linie, vysokorychlostního těžkého zatížení a zelené inteligence zařízení. Titanová slitina přitáhla pozornost průmyslu železniční dopravy díky svým vlastnostem nízké hustoty, vysoké specifické pevnosti, dobré svařitelnosti a dobré odolnosti proti korozi a postupně provedla studii proveditelnosti slitiny titanu souvisejících produktů a palubní aplikace.
Stav výzkumu slitiny titanu 02 v železničních dopravních vozech
2.1 Rám podvozku z titanové slitiny
Podvozek je jednou z nejdůležitějších součástí kolejového vozidla, která přímo souvisí s kvalitou jízdy, dynamickým výkonem a bezpečností jízdy kolejového vozidla. Rám je nosič pro montáž součástí podvozku, obecně včetně bočního nosníku, nosníku a odpružené sedačky potřebné pro instalaci souvisejícího vybavení. Rám z titanové slitiny může realizovat vysokou pevnost a lehkou konstrukci podvozku, snížit hmotnost pružiny a hmotnost pružiny a poté zlepšit sílu mezi kolem a kolejnicí a zlepšit bezpečnost a provozní spolehlivost konstrukce podvozku.
Při svařování rámu podvozku ze slitiny titanu se používají slitiny titanu TA2 a TA18. Na základě splnění pevnosti stávajícího rámu se celková hmotnost rámu podvozku sníží asi o 40 %, jak je znázorněno na obrázku 1 a obrázku 2. Při vývoji rámu z titanové slitiny se technické problémy velké deformace v procesu svařování složení bočního nosníku ze slitiny titanu a neschopnost některých svarových spojů být účinně chráněny inertním plynem. Po svaření bylo zbytkové vnitřní pnutí svařování eliminováno vakuovým tepelným zpracováním a rám z titanové slitiny splnil požadavky stávajících konstrukčních ukazatelů, které shromáždily základní data pro další konstrukční optimalizaci a návrh rámu z titanové slitiny.
OBR. 1 Složení bočních nosníků rámu z titanové slitiny
OBR. 2 Rám podvozku z titanové slitiny
2.2 Brzdová svorka z titanové slitiny
Výkon a funkce brzdové svorky, jakožto základní součásti brzdového systému, přímo ovlivňují provozní stav a kvalitu brzdového systému. Použití brzdové svorky z titanové slitiny může snížit hmotnost pod a mezi pružinami, zlepšit kvalitu chodu a zlepšit odolnost proti korozi; V prostředí s nízkou teplotou je výkon strukturální pevnosti stabilnější.
Vyvinutá tříbodová brzdová svorka z titanové slitiny je znázorněna na obrázku 3. Titanová slitina TC4 se používá pro hlavní komponenty zátěže, jako je závěs, podpěra brzdových destiček, závěsné sedlo, hlava válce, trubka pístu, vedení hlavy válce, třmen a páka, s celkovým snížením hmotnosti o 17,6 kg. Pro jednotku brzdové svěrky z titanové slitiny byl proveden test pevnosti, test utěsnění při nízkém a vysokém tlaku při pokojové teplotě, test citlivosti na pokojovou teplotu, test nastavení primární vůle, test nastavení maximální vůle a test odlehčení vůle. Výsledky testů ukazují, že brzdové svěrky z titanové slitiny splňují funkční požadavky a zároveň prošly 1 milionem únavových testů a testů nárazových vibrací. V prostředí s nízkou teplotou -50 stupně jsou po 48 hodinách funkce jednotky brzdové svorky z titanové slitiny normální, což naznačuje, že brzdová svorka z titanové slitiny má silnou odolnost vůči nízkým teplotám a je vhodná pro použití ve vysokých mrazech prostředí.
OBR. 3 Tříbodová brzdová jednotka z titanové slitiny
2.3 Přechodová spojka z titanové slitiny
Přechodové spřáhlo je spřáhlo sloužící ke spojení dvou různých typů spřáhla, k zajištění bezpečného a hladkého přesunu lokomotivy určené k opravě, přičemž při použití přechodového spřáhla je nutné časté ruční nakládání a vykládání. Podle UIC660 by jednotlivá hmotnost přechodové spojky neměla přesáhnout 50 kg. Stávající přechodové spřáhlo má však těžkou konstrukci, což vyžaduje, aby během nakládky a vykládky vezlo více lidí současně. Pokud během manipulace dojde k nehodě, způsobí také zranění personálu údržby.
Byla navržena lehká přechodová spojka z titanové slitiny. Na základě metody proměnné hustoty byl k optimalizaci topologie přechodové spojky použit modul Shape Optimization v ANSYSWorkbench a podle výsledků optimalizace topologie byla navržena lehká konstrukce přechodové spojky z titanové slitiny. Lehká přechodová spojka z titanové slitiny vážila 42,15 kg. Ve srovnání s původní přechodovou spojkou z oceli třídy E je snížení hmotnosti 58,15 kg a poměr snížení hmotnosti je až 57,98%.
Společnost CRRC vyvinula přechodovou spojku z titanové slitiny, jak je znázorněno na obrázku 4 a obrázku 5. Jeden modulový hák váží asi 20 kg a celý proces operace může dokončit jedna osoba. Při zkoušce zatížením tahem 750 kN a zkouškou zatížením tlakem 850 kN nedošlo k přetržení háku spřáhla, jak je znázorněno na obrázku 6. Po vyložení bylo těleso spřáhla prohlédnuto a zkontrolováno jako celek a nebyly patrné žádné deformace a poškození v všechny díly z titanové slitiny typ 10 a typ 13 přechodové spojky. Výsledky testů ukazují, že lehká přechodová spojka z titanové slitiny má nízkou hmotnost, vysokou pevnost a vysokou provozní účinnost a splňuje bezpečnostní potřeby současného provozu přechodové spojky a je zde také možnost další odlehčení.
OBR. 4 Spojka z titanové slitiny Model 10
Obrázek 5. Spojka z titanové slitiny Model 13
OBR. 6 Zkouška tahem a tlakem spojky z titanové slitiny 10
Při výrobě konvexního kužele přechodové spojky metra z titanové slitiny společnost Shenyang Zhongti Equipment Manufacturing Co., Ltd. přijímá proces zápustkového kování titanového plechu a svařování žebry. Ve srovnání s původním procesem lití ocelového konvexního kužele má tato metoda dobrou tvarovatelnost, vysokou účinnost a dobrý výkon konvexního kužele. Konvexní kužel pro zápustkové kování z titanové slitiny je znázorněn na obrázku 7.
Obrázek 7. Zápustkově kovaný a částečně svařený titanový konvexní kužel
2.4 Táhlo
Centrální trakční zařízení se skládá hlavně z centrálního trakčního čepu, sestavy tažné tyče (včetně táhla a pryžových kulových kloubů na obou koncích) a spojovacího šroubu. Jeho hlavní funkcí je realizovat spojení mezi skříní vozu a podvozkem a realizovat přenos tažné a brzdné síly. Struktura tažné tyče je jednoduchá a proces tváření je relativně jednoduchý. Nahrazením materiálu z titanové slitiny se nejen dosáhne efektu snížení hmotnosti, ale také se zlepší míra využití materiálu pomocí schématu zápustkového kování a celkové náklady se výrazně nezlepší.
Tažná tyč z titanové slitiny společně vyvinutá společnostmi CRRC Sifang Co., Ltd. a China Titanium Equipment Co., Ltd. je částečně obrobena po zápustkovém kování a míra využití materiálu může dosáhnout více než 50 % a celková hmotnost je snížena o asi 42 %. Efekt snížení hmotnosti je velmi zřejmý, jak je znázorněno na obrázku 8 a obrázku 9.
OBR. 8 Model kovací zápustky tažné tyče
OBR. 9 Mimo stav zápustky táhla po zápustkovém kování
Velikost a mechanické vlastnosti tažné tyče vyrobené z titanové slitiny splňují požadavky použití. Aby byl zajištěn bezpečný provoz EMU, měla by být statická pevnost a únavová pevnost trakčního táhla z titanové slitiny při odpovídajícím zatížení ověřena zkouškami podle technických podmínek trakčního táhla podvozku. Vzhledem k tomu, že modul pružnosti titanové slitiny je zhruba poloviční než u oceli, je také nutné ověřit vliv tuhosti trakční spojovací tyče z titanové slitiny na vibrační režim podvozku a vozidla a dynamický výkon vozidla při trakce a brzdění. .
