軌道交通車輛應(yīng)用越來越廣，對其要求也越來越高，例如高速運(yùn)行、沿海地區(qū)運(yùn)用時(shí)的防腐蝕以及為了進(jìn)一步提高性價(jià)比而降低簧下重量等，傳統(tǒng)金屬材料已難以滿足這些特殊的使用要求，急需新材料來取代。鈦合金材料的許多優(yōu)越性能很適合用于軌道交通車輛，但由于價(jià)格的原因，一直未進(jìn)行這方面的嘗試。隨著電解法制備海綿鈦即將實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，海綿鈦成本越來越低，加之我國鈦資源豐富，因此，鈦合金材料應(yīng)用在軌道交通車輛的前景可期。

目前我國高速動車組***高運(yùn)行速度為350km/h（預(yù)留380km/h）。速度越高，輪軌間的動作用力就越大，輪軌磨耗也就越嚴(yán)重，舒適性也越差。在速度不變的條件下，降低輪軌間的動作用力行之有效的辦法就是降低車輛的軸重，這其中尤以降低簧下重量效果***為顯著，見經(jīng)驗(yàn)公式（1）。

垂向動態(tài)附加載荷(1)

式中：一運(yùn)行速度，km/h；a一線路缺陷，mm；一線路剛度，n/m；m一簧下部分重量，t。

軌道車輛的簧下重量對車輛的動力學(xué)性能有著重要的影響，簧下部分主要包括部分電機(jī)（軸懸式機(jī)車）、輪對、齒輪箱和軸箱等。

目前在國內(nèi)運(yùn)用比較多的CRH3、CRH380B及CRH380BL軸重也都是17toUIC（國際鐵路聯(lián)盟）規(guī)定，車輛運(yùn)行速度不小于250km/h時(shí)，軸重不大于17t。既要考慮強(qiáng)度和剛度要求，還要考慮低溫韌性，同時(shí)在低溫運(yùn)行條件下還要考慮乘客的防寒、防凍，也就是車輛的保溫性能要好，這些都是車輛軸重的約束條件，很多零部件都經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)才使軸重達(dá)到這個(gè)設(shè)計(jì)要求，進(jìn)一步輕量化難度非常大，且潛力有限，因此，急需高強(qiáng)度、密度小的新材料來取代傳統(tǒng)材料。

鈦合金密度4.5g/cm3，為鋼密度的57％，強(qiáng)度與鋼相當(dāng)，替換鋼材減重43％，是比強(qiáng)度***高的金屬材料，等強(qiáng)度替換鋁合金減重20％~30％；同時(shí)鈦合金材料本身具有較好的阻尼，在傳力、衰減振動和衰減沖擊方面應(yīng)該有所作為田隨著高速動車組在我國海南島內(nèi)開行，腐蝕問題開始暴露，如受電弓及其上的彈簧等。這些零部件都直接暴露在含鹽量高、濕度大的空氣中，且受電弓受流電壓為25kV，電流通過時(shí)，溫度很高，也加劇了其腐蝕速度。目前這些零部件都是由鋼材制成，成型后涂防銹漆，不能從根本上解決問題。

因此，從鈦合金材料的性能出發(fā)，分4方面對其在軌道交通車輛上的應(yīng)用進(jìn)行可行性分析和展望。

鈦合金在軌道交通車輛中的應(yīng)用展望

鈦合金彈簧

與鋼彈簧比，鈦合金彈簧具有6個(gè)優(yōu)勢：(1)重量輕；(2)強(qiáng)度高；(3)阻尼性好；(4)工作溫度范圍廣：一50℃~300℃；(5)工作應(yīng)力低；(6)耐腐蝕。

更重要的是鈦合金材料的斷裂韌性也比較合適，當(dāng)以減小彈簧體積作為設(shè)計(jì)依據(jù)時(shí)，σ/G值（式中：σ一彈簧工作應(yīng)力，Pa；G一材料剪切模量，Pa）可以作為選用材料的判據(jù)。鈦合金材料的剪切模量比鋼材小，因此，所需彎成的圈數(shù)比鋼質(zhì)彈簧少，這也進(jìn)一步降低了鈦合金彈簧重量。

鈦合金材料耐蝕性好、維護(hù)成本低，會延長使用壽命。海水中電位0.09v，其在大氣、雨水、海洋中腐蝕速率為0，見表1。軌道交通車輛中轉(zhuǎn)向架及受電弓上的零部件絕大多數(shù)都直接暴露在外，除了涂一層防銹漆外沒有任何其他庇護(hù)，鈦合金材料的耐蝕性也比較適合用在軌道交通車輛上，尤其適合運(yùn)用于沿海一帶的軌道交通車輛上。

運(yùn)用現(xiàn)代企業(yè)管理方式及多年積累的企業(yè)文化，先后與國內(nèi)外30余家知名企業(yè)建立了配套關(guān)系，如中壓電器生產(chǎn)線焊接組裝用翻轉(zhuǎn)工裝， 諾基亞手機(jī)生產(chǎn)線配套工裝夾具，鋼鐵研究總院光譜分析儀鑄鋁外殼、沖擊試驗(yàn)機(jī)，北京不銹鋼異型件加工，北京不銹鋼零件加工，空氣濾芯沖壓模具。

在軌道交通車輛中，比較重要的彈簧基本都采用51crV4或制成，如高速動車組及機(jī)車上二系彈簧等，其性能見表2。

圖1是用TB6鈦合金試制成的用于CRH3高速動車組的一系簧（包括內(nèi)簧和外簧），經(jīng)理論計(jì)算和檢測各項(xiàng)指標(biāo)均符合動車組的使用要求。以外簧為例，重量由原來鋼彈簧的32.26kg降低為鈦合金彈簧的18.29kg，減輕了43.3％。目前，鈦合金彈簧正在進(jìn)行200萬次的疲勞試驗(yàn)。因?yàn)槭侨〈辖痄搹椈?，不僅各向剛度（包括垂向和橫向）要與原彈簧一致，而且還要與原彈簧安裝結(jié)構(gòu)完全一樣，應(yīng)力也要小于原鋼彈簧，以確保使用壽命不低于原鋼彈簧，其設(shè)計(jì)難度顯然大于彈簧的新設(shè)計(jì)。

圖一：TB6鈦合金彈簧                                     圖二：ZTC4鈦合金葉輪

從文獻(xiàn)檢索可知，鈦合金彈簧尚未用于軌道交通車輛，但2001年就在汽車領(lǐng)域得到了成功應(yīng)用。

從鈦合金彈簧試制情況看，與傳統(tǒng)鋼彈簧的加工工藝及流程基本相同，因此，可有效利用原有加工設(shè)備，但也有差別，如熱卷溫度及如何控制鈦合金彈簧的回彈量等?，F(xiàn)在***缺的是鈦合金彈簧材料的有關(guān)疲勞壽命數(shù)據(jù)，目前正著手這方面的試驗(yàn)研究。

軌道交通車輛一般按30年壽命設(shè)計(jì)，因此，像一系彈簧這些重要零部件也是按30年的設(shè)計(jì)壽命計(jì)算的，這與汽車的要求不同。

鈦合金葉輪

在-253℃~550℃溫度范圍，鈦合金具有較高的強(qiáng)韌性，比較適合制造內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)的增壓器葉輪和汽輪機(jī)葉輪，見表3。

圖2為ZTC4材料用真空離心澆鑄技術(shù)鑄造的葉輪。原葉輪材料為2618，材料性能滿足表4要求（試驗(yàn)溫度23℃±5℃）。由表4可知，鈦合金ZTC4鑄造性能無論是強(qiáng)度、硬度還是伸長率都完全滿足葉輪的性能要求。鈦合金葉輪試制后，下一步將開展測試，尤其要進(jìn)行模擬運(yùn)行工況下的疲勞試驗(yàn)，以檢驗(yàn)鈦合金的鑄造工藝和材料的疲勞性能。

鈦合金軸箱

在軌道交通車輛行業(yè)，把套在軸頸上連接輪對和轉(zhuǎn)向架構(gòu)架或二軸車車體的部件簡稱為軸箱。其作用是把車體及構(gòu)架重量和載荷傳遞給輪對，潤滑軸頸，減少摩擦，降低運(yùn)行阻力。軸箱與車軸直接通過軸承相連，輪軌動作用力由鋼軌直接傳遞給車輪、車軸后，又未經(jīng)任何衰減傳遞給軸箱，因此，軸箱重量屬典型的簧下重量，其輕量化尤其具有重要意義。

現(xiàn)階段我國軌道交通車輛軸箱普遍采用鑄鐵或鑄鋼，如機(jī)車軸箱采用c級鑄鋼，抗拉強(qiáng)度不小于620MPa，屈服強(qiáng)度不小于4巧MPa，伸長率不小于22％。鈦合金與其他材料的比阻尼及屈服強(qiáng)度見表5。顯而易見，鈦合金材料性能優(yōu)勢突出，完全可滿足使用要求，但價(jià)格偏高，因此，要著重考慮性價(jià)比。

按照等強(qiáng)度和等剛度設(shè)計(jì)原則，采用TH一Ti321鈦合金材料鑄造的軸箱如圖3所示，其性能滿足TB/T2942一1999中C級鑄鋼的技術(shù)要求，重量約為原鑄鋼軸箱的53％，有效地降低了機(jī)車的簧下重量。由于鈦合金材料鑄造性能的特點(diǎn)，鈦合金軸箱運(yùn)用真空離心澆鑄技術(shù)制作完成，這與普通的鑄鐵、鑄鋼的鑄造技術(shù)大不相同，目前正在進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。預(yù)計(jì)裝車后會明顯改善機(jī)車的動力學(xué)性能，提升鐵路機(jī)車運(yùn)行的安全性和舒適性。

鈦合金車鉤、緩沖器和牽引桿

目前我國貨車占車輛的絕大多數(shù)，其車鉤主要類型為13號車鉤系列，約占95％以上，材料均為ZG25MnCrNiMoo由于車型不同，車鉤承受的拉壓力也不同，因此，各型號車鉤采用了不同的熱處理方式。13C型車鉤采用正火+回火工藝，13E和13A型車鉤均采用調(diào)質(zhì)處理工藝。用于重載牽引的巧號轉(zhuǎn)動車鉤和17號固定車鉤的材質(zhì)同樣是ZG25MnCrNiMo，但采用淬火+回火的熱處理工藝。其材質(zhì)性能為：Rm＞827Mpa、Rp＞689MPa、伸長率δ≥14％、斷面收縮率Ψ≥30％、Akv≥（一40℃）27J。

緩沖器能耗件材料分為摩擦、彈簧、橡膠及液壓4種，如果緩沖器本身采用鈦合金材料，不僅能承受各種縱向（即車鉤方向）載荷，且能利用鈦合金材料的阻尼特性（見表5）耗散一部分縱向動載荷，這對減小列車的縱向沖擊是非常有利的。機(jī)車牽引桿有的采用25CrM04無縫鋼管，屈服極限400MPa、材料彈性模量210GPa、材料泊松比0.3、材料密度7850kg/m3。

由此可見采用鈦合金材料完全可滿足車鉤、緩沖器及牽引桿的使用要求，但成型卻是問題，因?yàn)檫@些鑄件的零件尺寸都比較大，要投入新的設(shè)備。現(xiàn)在的車鉤、緩沖器都是鑄造成型，牽引桿有鑄造也有鍛造的還有利用無縫鋼管制造的。因此，現(xiàn)階段僅僅是展望，還未開始試制。隨著技術(shù)的發(fā)展，成型應(yīng)該不會成為限制鈦合金制成這些零件的因素。

結(jié)論

（1）軌道交通車輛發(fā)展到新階段受到各種條件的限制，采用新材料是必然的、也是迫切的，否則很難滿足使用要求，且這個(gè)市場潛力巨大。

（2）鈦合金材料的很多優(yōu)越性能都是軌道交通車輛所需的，本文4個(gè)方面的展望還只是探索，還有很多應(yīng)用等待開發(fā)，其可靠性更需得到驗(yàn)證。

（3）從調(diào)研情況看，軌道交通車輛市場沒有壁壘，目前的限制條件就是價(jià)格，即鈦合金零部件性價(jià)比是否合適。可分2步走：******行鈦合金材料的性能試驗(yàn)及相關(guān)零部件試驗(yàn)，為批量應(yīng)用摸索和積累經(jīng)驗(yàn)，到技術(shù)相對成熟，成本降低后再批量應(yīng)用，而不是等成本降低后再投人研究。

（作者：黃志輝1    王超２   孫龍生２   周杰２

１西南交通大學(xué)牽引動力******重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；２沈陽泰恒通用技術(shù)有限公司）

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