El transporte ferroviario es un tipo de transporte ecológico seguro, cómodo, que protege el medio ambiente y ahorra energía, y es una parte importante del transporte público en China. La escala de construcción del transporte ferroviario se expande año tras año, la red operativa aumenta y el consumo de energía aumenta significativamente. El consumo de energía de tracción representa aproximadamente el 30% del consumo total de energía en el tránsito ferroviario. Si el peso del vehículo se reduce en un 10%, el consumo de energía se puede reducir entre un 6% y un 8%.
Con la vigorosa promoción de la construcción de transporte ferroviario en China, la industria de equipos de transporte ferroviario también se encuentra en el período de oportunidad de desarrollo de rápido crecimiento durante el período del 14º Plan Quinquenal. Las necesidades de desarrollo de los equipos de tránsito ferroviario son más urgentes en términos de nuevos materiales, nuevas tecnologías y nuevos procesos, especialmente en la dirección de equipos livianos, de linaje, carga pesada de alta velocidad e inteligencia ecológica. La aleación de titanio ha atraído la atención de la industria del transporte ferroviario debido a sus características de baja densidad, alta resistencia específica, buena soldabilidad y buena resistencia a la corrosión, y gradualmente se llevó a cabo el estudio de viabilidad de la aleación de titanio de productos relacionados y aplicaciones a bordo.
Estado de la investigación de la aleación de titanio 02 en vehículos de tránsito ferroviario
2.1 Bastidor del bogie de aleación de titanio
El bogie es uno de los componentes más importantes de los vehículos ferroviarios y está directamente relacionado con la calidad de funcionamiento, el rendimiento dinámico y la seguridad de conducción del vehículo ferroviario. El marco es el soporte para el ensamblaje de los componentes del bogie, que generalmente incluye viga lateral, viga y asiento de suspensión necesarios para la instalación de los equipos relacionados. El marco de aleación de titanio puede realizar una estructura de bogie liviana y de alta resistencia, reducir la masa del resorte y la masa del resorte, y luego mejorar la fuerza entre la rueda y el riel, y mejorar la seguridad y confiabilidad de operación de la estructura del bogie.
En la soldadura de un bastidor de bogie de aleación de titanio, se utilizan las aleaciones de titanio TA2 y TA18. Sobre la base de cumplir con la resistencia del marco existente, la masa total del marco del bogie se reduce en aproximadamente un 40%, como se muestra en la Figura 1 y la Figura 2. En el proceso de desarrollo del marco de aleación de titanio, los problemas técnicos de gran deformación en el proceso de soldadura de la composición de la viga lateral de aleación de titanio y se resolvió la incapacidad de algunas uniones soldadas de protegerse eficazmente con gas inerte. Después de la soldadura, la tensión interna residual de la soldadura se eliminó mediante un tratamiento térmico al vacío, y el marco de aleación de titanio cumplió con los requisitos de los indicadores de diseño existentes, que acumularon datos básicos para una mayor optimización estructural y diseño del marco de aleación de titanio.
HIGO. 1 Composición de las vigas laterales del marco de aleación de titanio.
HIGO. 2 Bastidor de bogie de aleación de titanio
2.2 Abrazadera de freno de aleación de titanio
Como parte central del sistema de frenos, el rendimiento y la función de la abrazadera del freno afectan directamente el estado de funcionamiento y la calidad del sistema de frenos. La aplicación de una abrazadera de freno de aleación de titanio puede reducir la masa debajo y entre los resortes, mejorar la calidad de funcionamiento y mejorar la capacidad de resistencia a la corrosión; En ambientes de baja temperatura, el rendimiento de la resistencia estructural es más estable.
La abrazadera de freno de tres puntos de aleación de titanio desarrollada se muestra en la Figura 3. La aleación de titanio TC4 se utiliza para los principales componentes de carga, como el soporte de la pastilla de freno, el asiento colgante, la culata, el tubo del pistón, el conducto de la culata, el yugo y la palanca. con una reducción de peso total de 17,6kg. La prueba de resistencia, la prueba de sellado a temperatura ambiente de baja y alta presión, la prueba de sensibilidad a temperatura ambiente, la prueba de ajuste de holgura primaria, la prueba de ajuste de holgura máxima y la prueba de alivio de holgura se llevaron a cabo respectivamente para la unidad de abrazadera de freno de aleación de titanio. Los resultados de las pruebas muestran que las unidades de abrazadera de freno de aleación de titanio cumplen con los requisitos funcionales y, al mismo tiempo, han superado 1 millón de pruebas de fatiga y pruebas de vibración de impacto. En un ambiente de baja temperatura de -50 grados, después de 48 h, las funciones de la unidad de abrazadera de freno de aleación de titanio son normales, lo que indica que la abrazadera de freno de aleación de titanio tiene una fuerte resistencia a bajas temperaturas y es adecuada para su aplicación en condiciones de mucho frío. ambiente.
HIGO. 3 Unidad de abrazadera de freno de tres puntos de aleación de titanio
2.3 Acoplador de transición de aleación de titanio
El acoplador de transición es un acoplador que se utiliza para conectar dos tipos diferentes de acoplador, para garantizar la transferencia segura y suave de la locomotora a los vehículos a reparar, mientras que el acoplador de transición en uso requiere carga y descarga manual frecuente. Según UIC660, el peso único del acoplador de transición no debe exceder los 50 kg. Sin embargo, el acoplador de transición existente tiene una estructura pesada, lo que requiere que varias personas lo transporten al mismo tiempo durante la carga y descarga. Si ocurre un accidente durante la manipulación, también causará lesiones personales al personal de mantenimiento.
Se diseñó un acoplador de transición de aleación de titanio liviano. Basado en el método de densidad variable, se utilizó el módulo de optimización de forma en ANSYSWorkbench para optimizar la topología del acoplador de transición, y la estructura liviana del acoplador de transición de aleación de titanio se diseñó de acuerdo con los resultados de la optimización de la topología. El acoplador de transición de aleación de titanio liviano pesaba 42,15 kg. En comparación con el acoplador de transición de acero de grado E original, la reducción de peso es de 58,15 kg y la relación de reducción de peso es de hasta 57,98 %.
Una empresa de CRRC ha desarrollado un acoplador de transición de aleación de titanio, como se muestra en las Figuras 4 y 5. Un gancho de un solo módulo pesa alrededor de 20 kg y una sola persona puede completar todo el proceso de operación. En la prueba de carga de tracción de 750 kN y la prueba de carga de compresión de 850 kN, el gancho del acoplador no se rompió, como se muestra en la Figura 6. Después de la descarga, el cuerpo del acoplador fue inspeccionado y verificado en su conjunto, y no hubo deformaciones ni daños evidentes en todas las piezas de aleación de titanio tipo 10 y acoplador de transición tipo 13. Los resultados de las pruebas muestran que el acoplador de transición de aleación de titanio liviano tiene peso liviano, alta resistencia y alta eficiencia de operación, y satisface las necesidades de seguridad de la operación actual del acoplador de transición, y también existe la viabilidad de un peso aún mayor.
HIGO. 4 Acoplador modelo 10 de aleación de titanio
Figura 5. Acoplador modelo 13 de aleación de titanio
HIGO. 6 Prueba de tracción y compresión del acoplador de aleación de titanio 10
En la producción de conos convexos de acopladores de transición de metro de aleación de titanio, Shenyang Zhongti Equipment Manufacturing Co., Ltd. adopta el proceso de forjado de placas de titanio y soldadura de barras nervadas. En comparación con el proceso de fundición original del cono convexo de acero, este método tiene buena conformabilidad, alta eficiencia y buen rendimiento del cono convexo. El cono convexo forjado con matriz de aleación de titanio se muestra en la Figura 7.
Figura 7. Cono convexo de titanio forjado y parcialmente soldado
2.4 Varilla de tracción
El dispositivo de tracción central se compone principalmente del pasador de tracción central, el conjunto de tirante de tracción (incluido el tirante y las rótulas de goma en ambos extremos) y el perno de conexión. Su función principal es realizar la conexión entre la carrocería del automóvil y el bogie, y realizar la transmisión de la fuerza de tracción y la fuerza de frenado. La estructura de la varilla de tracción es simple y el proceso de formación es relativamente simple. El reemplazo del material de aleación de titanio no solo logra el efecto de reducción de peso, sino que también mejora la tasa de utilización del material mediante el uso del esquema de forjado con matriz, y el costo general no mejorará mucho.
La varilla de tracción de aleación de titanio desarrollada conjuntamente por CRRC Sifang Co., Ltd. y China Titanium Equipment Co., Ltd. se mecaniza parcialmente después de la forja, y la tasa de utilización del material puede alcanzar más del 50% y el peso total se reduce en alrededor del 42%. El efecto de reducción de peso es muy obvio, como se muestra en la Figura 8 y la Figura 9.
HIGO. 8 Modelo de matriz de forja de varilla de tracción.
HIGO. 9 Fuera del estado de la varilla de tracción después de forjar la matriz
El tamaño y las propiedades mecánicas de la varilla de tracción fabricada en aleación de titanio cumplen con los requisitos de uso. Para garantizar el funcionamiento seguro de la EMU, la resistencia estática y la resistencia a la fatiga del tirante de tracción de aleación de titanio bajo la carga correspondiente deben verificarse mediante pruebas de acuerdo con las condiciones técnicas del tirante de tracción para bogie. Dado que el módulo elástico de la aleación de titanio es aproximadamente la mitad que el del acero, también es necesario verificar la influencia de la rigidez del tirante de tracción de aleación de titanio en el modo de vibración del bogie y el vehículo y el rendimiento dinámico del vehículo durante la tracción y el frenado. .
