鈦合金彈簧在軌道交通行業(yè)的應用前景分析

王 超，黃志輝

（1. 沈陽泰恒通用技術有限公司，遼寧沈陽 110000；2. 西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，四川成都 610031）

0 引言

鈦合金主要分TA、TB、TC3類，其中TA和TC類鈦合金牌號較多，同時也比較常用。國內(nèi)對TB鈦合金研究較多，但制造的成品率低，導致TB鈦材料價格高于TA和TC鈦材料。鈦合金主要以β鈦合金為主，室溫抗拉強度在1350MPa以上，國內(nèi)研制出10余種β鈦合金牌號，其中常用的牌號有TB2、TB3、TB5、TB6、TB9等。β鈦合金因具有優(yōu)良的生物相容性和可加工性，在生物醫(yī)療領域得到廣泛的應用。其良好的冷、熱加工性能，可以通過固溶-時效處理獲得較高的力學性能，在航空航天工業(yè)應用越來越廣泛，受到世界各國的高度重視。近年來，隨著鈦合金冶煉工藝技術的進步和材料制造工藝的改進，鈦業(yè)界成功開發(fā)低成本和高性能的新鈦合金，新鈦合金有望成為軌道交通行業(yè)的新材料、新技術，努力打開廣闊的軌道交通市場。

鈦合金的優(yōu)良特性主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）比強度高。鈦合金具有很高的強度，其抗拉強度≥1350MPa，而密度僅為鋼的3/5，銅的一半，比強度很高。

（2）硬度較高。鈦合金（STA態(tài)）的硬度為HRC37～43。

（3）彈性模量低。鈦合金（STA態(tài)）的彈性模量為106800～115600MPa，約為鋼和不銹鋼的一半，易于撓曲。在一些特殊要求工作環(huán)境下，可以利用鈦合金模量低和延展性好的特點制作彈性元件。

（4）高溫和低溫性能優(yōu)良。鈦合金材料隨著溫度的升高，強度降低、塑性提高，反之強度升高、塑性下降，但是在-253℃到300℃之間變化平緩，不像鋼鐵達到某一溫度，性能產(chǎn)生急劇變化。鈦合金雖然在低溫情況下強度升高，但材料的塑性依然優(yōu)異。

（5）具有強烈的鈍化傾向。鈦與氧有很強的親合力，若材料受到外力導致氧化膜破壞，鈦表面很快與空氣接觸發(fā)生反應，在基體表面形成致密氧化膜來對自己進行保護。

1 鈦合金彈簧的應用現(xiàn)狀

1.1 國外的應用現(xiàn)狀

未見到鈦合金彈簧應用于國外軌道交通領域的相關內(nèi)容報道，但在汽車和摩托車、航空航天等領域有相對成熟的應用。例如，美國Timet公司用TimetalLCB合金制造的鈦合金彈簧在高端轎車和賽車、越野摩托車上均有成功應用案例。在ChallengeStradale法拉利汽車、歐洲VolkswagenAG公司的新型LupoFSI汽車、FordSimon＆Simon賽車和雅馬哈YZ系列摩托車上均使用TimetalLCB鈦合金彈簧。

在航空航天領域，鈦合金彈簧應用非常成熟。麥道公司和波音公司均使用了鈦合金彈簧取代原不銹鋼彈簧，其制造彈簧合金主要為Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4V鈦合金和Ti-13V-11Cr-3Al鈦合金，在飛機艙門、起落架的上下鎖等位置彈簧均有應用。美國在20世紀60年代開發(fā)了Ti-13V-11Cr-3Al鈦合金，到20世紀70年代麥道公司采用冷加工＋時效方式，利用生產(chǎn)普通鋼彈簧的設備加工鈦合金彈簧并將其使用在民用飛機上。20世紀80年代中期，Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4V鈦合金逐步取代Ti-13V-11Cr-3Al鈦合金，至今為止，航空航天領域用彈簧基本是Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4V鈦合金。

1.2 國內(nèi)的應用現(xiàn)狀

國內(nèi)鈦合金彈簧報道較多，在化工領域應用較多，但在軌道交通行業(yè)沒有見到報道。例如，云南和四川瀘州天然氣化工廠等40多家廠家均采用鈦合金彈簧替代進口設備中的鋼彈簧。國內(nèi)廠家試制彈簧主要采用TC4鈦合金、β型鈦合金β-C、TB3鈦合金等3種合金，這3種鈦合金制造的鈦合金彈簧均應用于化工用泵閥體內(nèi)。國內(nèi)試制鈦合金彈簧的絲徑在3～5mm，沒有大絲徑的彈簧研究報道。20世紀90年代初，某單位首次研制出某種地層傾角儀液壓推靠器的重要部件TC4鈦合金板彈簧，鈦合金板彈簧可在溫度較高和腐蝕性較惡劣的條件下工作，成功替代不銹鋼彈簧。

2 鈦合金彈簧在軌道交通行業(yè)的應用展望

2.1 鈦合金螺旋壓縮彈簧

螺旋壓縮彈簧是軌道交通車輛懸掛系統(tǒng)中的關鍵部件。車輛在軌道上運行時，將伴隨產(chǎn)生復雜的振動現(xiàn)象，當鋼軌對輪對有反沖擊力時，螺旋彈簧產(chǎn)生變形，吸收鋼軌沖擊動能并轉換為彈簧的勢能，從而緩和了鋼軌對車身沖擊的影響。車輛上采用螺旋壓縮彈簧，可以提高車輛運行的舒適性和平穩(wěn)性，保證旅客舒適安全，保證貨物完整無損，同時螺旋壓縮彈簧要具備高疲勞壽命和高可靠性兩大特性。影響彈簧疲勞壽命和可靠性的主要因素包括彈簧的結構、表面質(zhì)量、應力、端部的尖縫拋丸情況等。

與鋼彈簧相比，鈦合金彈簧具有重量輕、強度高、阻尼性好、工作溫度范圍廣（-50～300℃）、工作應力低、耐腐蝕等6大優(yōu)勢。其中，重量輕和耐腐蝕兩大優(yōu)勢，可以減輕車輛懸掛裝置重量，提高列車運行速度，更好地延長車輛零部件及鋼軌的使用壽命，減少車輛維護次數(shù)。表1給出了螺旋壓縮彈簧鋼材料與鈦合金材料性能對比。

表1 彈簧鋼 51CrV4 和鈦合金 TB6、TB9 性能對比

圖1是用鈦合金TB6試制的用于CRH3高速動車組的一系簧（內(nèi)簧和外簧）。經(jīng)理論計算和檢測，該鈦合金一系簧各項指標均符合動車組的使用要求。地鐵和輕軌用的部分螺旋壓縮彈簧均已完成了鈦合金彈簧設計，但尚未對其進行試制。

圖1 鈦合金 TB6 彈簧

2.2 鈦合金螺旋拉伸彈簧

與螺旋壓縮彈簧相比，螺旋拉伸彈簧的工作原理相反。一般螺旋拉伸彈簧在沒有任何載荷的情況下，存在一定張力。其中軌道交通車輛供電部件均使用了上面說的螺旋拉伸彈簧。影響拉簧初始拉力的因素有很多，例如，材料的抗拉強度和伸長率、送料角度、操作者水平、加工設備精度等。

受電弓是列車從接觸網(wǎng)取得電能的電氣設備，安裝在列車車頂上。升弓彈簧是受電弓的一個重要組成部件，列車在高速運行的狀態(tài)下受電弓弓頭要能追隨接觸網(wǎng)，保證弓網(wǎng)的良好接觸，維持一定且比較穩(wěn)定的弓網(wǎng)接觸壓力，使列車穩(wěn)定受流，從而提供穩(wěn)定的動力源，升弓彈簧失效將導致列車無動力來源，造成停車事故。列車在運行過程中，受到軌道不平順等各種激擾的影響，使受電弓升弓彈簧與接觸網(wǎng)之間產(chǎn)生跳動和擺動，這種振動幅值越小越好。因此，要求受電弓核心部件彈簧重量輕、耐腐蝕、性能穩(wěn)定、壽命長。由于受電弓彈簧行程有限，所以要求拉簧具備較大的初始拉力，卷制成功有較大難度。圖2為用鈦合金材料Ti-3Al-10Mo-4V-4Cr-1Nb（專利號CN201610822248.5）試制的受電弓用升弓彈簧，經(jīng)理論計算和檢測，各項指標均符合車輛的使用要求，且已通過臺架試驗。與鋼彈簧相比，鈦合金彈簧減輕重量30%，有效圈數(shù)減少，初始拉力相當。

圖2 鈦合金 Ti-3Al-10Mo-4V-4Cr-1Nb 彈簧

受流器安裝在列車轉向架上，通過第三軌供電方式對列車供電。受流器的受電靴在接觸軌上滑行，工作環(huán)境惡劣。在受流器整個工作過程中，影響受流器跟隨性的最重要的部件是彈簧，而鈦合金彈簧與鋼彈簧相比，具有重量輕和阻尼性好兩大優(yōu)勢，完全可以替代現(xiàn)有用60Si2MnA鋼材料制造的彈簧。圖3為鈦合金材料TB6螺旋拉伸彈簧。表2為彈簧鋼60Si2MnA和鈦合金材料Ti-3Al-10Mo-4V-4Cr-1Nb性能對比。

圖3 鈦合金 TB6 彈簧

表2 彈簧鋼 60Si2MnA 和鈦合金 Ti-3Al-10Mo-4V-4Cr-1Nb 性能對比

2.3 鈦合金扭轉彈簧

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。其中受電弓中的扭簧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，溫度很高，也加劇了其腐蝕速度?，F(xiàn)有扭簧由不銹鋼材制成，成型后涂防銹漆，不能從根本上解決問題。而鈦合金彈簧具有導電性差和耐腐蝕兩大特點，可替代現(xiàn)有鋼扭簧。圖4為TB5鈦合金材料制成的扭簧，表3為0Cr17Ni7Al不銹鋼材料和TB5鈦合金材料性能對比。

圖4 TB5 鈦合金扭簧

3 結論與建議

（1）軌道交通車輛運行環(huán)境復雜，鈦合金彈簧具有的6大優(yōu)勢使其取代鋼彈簧是必然的，且很容易滿足使用要求，市場潛力巨大。

表3 0Cr17Ni7Al 不銹鋼材料和鈦合金 TB5 材料性能對比

（2）從產(chǎn)品設計、試制、試驗情況來看，鈦合金彈簧是未來軌道交通行業(yè)的發(fā)展方向。技術難點在于產(chǎn)品不論是冷成型還是熱成型，其材料和產(chǎn)品表面質(zhì)量均不容易控制。因此，有必要在提高鈦合金彈簧材料性能均勻和表面質(zhì)量方面進行深入的研究。

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