O trânsito ferroviário é um tipo de transporte verde seguro, confortável, com proteção ambiental e economia de energia, é uma parte importante do transporte público na China. A escala de construção do trânsito ferroviário está se expandindo ano a ano, a rede de operação está aumentando e o consumo de energia está aumentando significativamente. O consumo de energia de tração é responsável por cerca de 30% do consumo total de energia no trânsito ferroviário. Se o peso do veículo for reduzido em 10%, o consumo de energia pode ser reduzido em 6% ~ 8%.
Com a vigorosa promoção da construção de transporte ferroviário na China, a indústria de equipamentos de transporte ferroviário também está no período de oportunidade de desenvolvimento de rápido crescimento durante o período do 14º Plano Quinquenal. As necessidades de desenvolvimento de equipamentos de trânsito ferroviário são mais urgentes em termos de novos materiais, novas tecnologias e novos processos, especialmente na direção de equipamentos leves, de linhagem, de carga pesada de alta velocidade e de inteligência verde. A liga de titânio atraiu a atenção da indústria de transporte ferroviário devido às suas características de baixa densidade, alta resistência específica, boa soldabilidade e boa resistência à corrosão, e gradualmente realizou o estudo de viabilidade da liga de titânio de produtos relacionados e aplicação a bordo.
Status da pesquisa da liga de titânio 02 em veículos de transporte ferroviário
2.1 Estrutura do bogie em liga de titânio
Bogie é um dos componentes mais importantes do veículo ferroviário, que está diretamente relacionado à qualidade de funcionamento, desempenho dinâmico e segurança de condução do veículo ferroviário. A estrutura é o suporte para a montagem dos componentes do bogie, geralmente incluindo viga lateral, viga e assento de suspensão necessários para a instalação de equipamentos relacionados. A estrutura de liga de titânio pode realizar a estrutura leve e de alta resistência do bogie, reduzir a massa da mola e a massa da mola e, em seguida, melhorar a força entre a roda e o trilho e melhorar a segurança e confiabilidade de operação da estrutura do bogie.
Na soldagem de uma estrutura de bogie em liga de titânio, são utilizadas as ligas de titânio TA2 e TA18. Com base no cumprimento da resistência da estrutura existente, a massa total da estrutura do bogie é reduzida em cerca de 40%, conforme mostrado na Figura 1 e Figura 2. No processo de desenvolvimento da estrutura em liga de titânio, os problemas técnicos de grande deformação no processo de soldagem da composição da viga lateral da liga de titânio e a incapacidade de algumas juntas soldadas serem efetivamente protegidas por gás inerte foram resolvidas. Após a soldagem, a tensão interna residual da soldagem foi eliminada pelo tratamento térmico a vácuo, e a estrutura em liga de titânio atendeu aos requisitos dos indicadores de projeto existentes, que acumularam dados básicos para a otimização estrutural e projeto da estrutura em liga de titânio.
FIGO. 1 Composição das vigas laterais da estrutura em liga de titânio
FIGO. 2 Estrutura do bogie em liga de titânio
2.2 Braçadeira de freio em liga de titânio
Como parte central do sistema de frenagem, o desempenho e a função da braçadeira do freio afetam diretamente o estado de funcionamento e a qualidade do sistema de frenagem. A aplicação de braçadeira de freio em liga de titânio pode reduzir a massa sob e entre as molas, melhorar a qualidade de funcionamento e melhorar a capacidade de resistência à corrosão; Sob ambiente de baixa temperatura, o desempenho da resistência estrutural é mais estável.
A braçadeira de freio de três pontos em liga de titânio desenvolvida é mostrada na Figura 3. A liga de titânio TC4 é usada para os principais componentes de carga, como suspensão, suporte da pastilha de freio, assento suspenso, cabeçote do cilindro, tubo do pistão, conduíte do cabeçote, garfo e alavanca, com redução de peso total de 17,6kg. O teste de resistência, teste de vedação em temperatura ambiente de baixa pressão e alta pressão, teste de sensibilidade à temperatura ambiente, teste de ajuste de folga primária, teste de ajuste de folga máxima e teste de alívio de folga foram realizados respectivamente para a unidade de braçadeira de freio de liga de titânio. Os resultados dos testes mostram que as unidades de fixação de freio em liga de titânio atendem aos requisitos funcionais e, ao mesmo tempo, passaram em 1 milhão de testes de fadiga e testes de vibração de impacto. No ambiente de baixa temperatura de -50 grau, após 48 h, as funções da unidade de braçadeira de freio de liga de titânio são normais, indicando que a braçadeira de freio de liga de titânio tem forte resistência a baixas temperaturas e é adequada para aplicação em altas temperaturas frias ambiente.
FIGO. 3 Unidade de fixação de freio de três pontos em liga de titânio
2.3 Acoplador de transição em liga de titânio
O acoplador de transição é um acoplador usado para conectar dois tipos diferentes de acoplador, para garantir a transferência segura e suave da locomotiva a ser reparada, enquanto o acoplador de transição em uso requer carga e descarga manual frequente. De acordo com UIC660, o peso único do acoplador de transição não deve exceder 50 kg. No entanto, o acoplador de transição existente tem uma estrutura pesada, o que exige que várias pessoas o carreguem ao mesmo tempo durante a carga e descarga. Se ocorrer um acidente durante o manuseio, também causará ferimentos ao pessoal de manutenção.
Um acoplador de transição leve em liga de titânio foi projetado. Com base no método de densidade variável, o módulo Shape Optimization no ANSYSWorkbench foi usado para otimizar a topologia do acoplador de transição, e a estrutura leve do acoplador de transição em liga de titânio foi projetada de acordo com os resultados da otimização da topologia. O acoplador de transição leve em liga de titânio pesava 42,15 kg. Comparado com o acoplador de transição de aço grau E original, a redução de peso é de 58,15 kg e a taxa de redução de peso é de até 57,98%.
Uma empresa da CRRC desenvolveu um acoplador de transição em liga de titânio, conforme mostrado na Figura 4 e Figura 5. Um gancho de módulo único pesa cerca de 20 kg e uma única pessoa pode concluir todo o processo de operação. No teste de carga de tração de 750 kN e no teste de carga compressiva de 850 kN, o gancho do acoplador não quebrou, conforme mostrado na Figura 6. Após a descarga, o corpo do acoplador foi inspecionado e verificado como um todo, e não houve deformação e danos óbvios em todas as peças de liga de titânio tipo 10 e acoplador de transição tipo 13. Os resultados do teste mostram que o acoplador de transição de liga de titânio leve tem peso leve, alta resistência e alta eficiência operacional, e atende às necessidades de segurança da operação atual do acoplador de transição, e também há a viabilidade de maior peso leve.
FIGO. 4 Acoplador Modelo 10 em liga de titânio
Figura 5. Acoplador Modelo 13 em liga de titânio
FIGO. 6 Teste de tração e compressão do acoplador de liga de titânio 10
Na produção de cone convexo de acoplador de transição de metrô em liga de titânio, a Shenyang Zhongti Equipment Manufacturing Co., Ltd. adota o processo de forjamento de placa de titânio e soldagem de barra de reforço. Comparado com o processo de fundição original do cone convexo de aço, este método apresenta boa conformabilidade, alta eficiência e bom desempenho do cone convexo. O cone convexo para forjamento em liga de titânio é mostrado na Figura 7.
Figura 7. Cone convexo de titânio forjado e parcialmente soldado
2.4 Haste de tração
O dispositivo de tração central é composto principalmente pelo pino de tração central, pelo conjunto do tirante de tração (incluindo o tirante e as juntas esféricas de borracha em ambas as extremidades) e o parafuso de conexão. Sua principal função é realizar a conexão entre a carroceria do carro e o bogie, e realizar a transmissão da força de tração e da força de frenagem. A estrutura da haste de tração é simples e o processo de formação é relativamente simples. A substituição do material de liga de titânio não apenas alcança o efeito de redução de peso, mas também melhora a taxa de utilização do material usando o esquema de forjamento de matriz, e o custo geral não será muito melhorado.
A haste de tração de liga de titânio desenvolvida em conjunto pela CRRC Sifang Co., Ltd. e China Titanium Equipment Co., Ltd. é parcialmente usinada após o forjamento da matriz, e a taxa de utilização do material pode chegar a mais de 50%, e o peso total é reduzido em cerca de 42%. O efeito de redução de peso é muito óbvio, conforme mostrado na Figura 8 e Figura 9.
FIGO. 8 Modelo de matriz de forjamento da haste de tração
FIGO. 9 Fora do estado da haste de tração após o forjamento
O tamanho e as propriedades mecânicas da haste de tração feita de liga de titânio atendem aos requisitos de uso. A fim de garantir a operação segura da EMU, a resistência estática e a resistência à fadiga do tirante de tração em liga de titânio sob a carga correspondente devem ser verificadas por meio de testes de acordo com as condições técnicas do tirante de tração para bogie. Como o módulo de elasticidade da liga de titânio é cerca de metade do do aço, também é necessário verificar a influência da rigidez do tirante de tração da liga de titânio no modo de vibração do bogie e do veículo e no desempenho dinâmico do veículo durante a tração e frenagem. .
