鈦合金在輕量化制動夾鉗單元開發(fā)中的應(yīng)用研究

呂 斐 曾梁彬 王賢龍

(中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

0 引言

隨著高速動車組的快速發(fā)展，輕量化已成為軌道交通領(lǐng)域的一個主要技術(shù)方向，國內(nèi)外各主機(jī)企業(yè)不斷推出各種輕量化車型[1]。制動夾鉗單元的輕量化主要有材料輕量化和結(jié)構(gòu)輕量化兩個方向，大量輕質(zhì)材料，如鋁合金[2]、鈦合金[3]的發(fā)展已經(jīng)為制動夾鉗單元的大幅度減重提供了可能。本文針對某型三點(diǎn)式常用制動夾鉗單元，采用鈦合金作為制動夾鉗單元主要承載部件的制造材料，研究其可行性。

1 鈦合金輕量化

1.1 鈦合金簡介

鈦合金(TC4)密度為4.5×103kg/m3左右，與鋼相比可減重40%以上；抗拉強(qiáng)度σb=950 MPa，屈服強(qiáng)度σs=875 MPa，比強(qiáng)度是不銹鋼的3.5倍，鋁合金的1.3倍，鎂合金的1.7倍，可以使設(shè)備設(shè)計得更加緊湊，大幅減小結(jié)構(gòu)重量，提高設(shè)備的技術(shù)水平。鈦合金耐高低溫性能好，在-100 ℃～500 ℃均能保持良好的力學(xué)性能，且具有優(yōu)異的耐蝕性能，表面可形成氧化膜使鈦鈍化而不受腐蝕，可減少腐蝕裕量設(shè)計，大幅降低裝備的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，并且無須涂層保護(hù)，降低制造成本，保護(hù)環(huán)境。此外鈦合金具有較高抗沖擊及抗疲勞性能，使鈦合金能夠提供設(shè)備抗靜載荷及動載荷的能力，提升了安全性能。綜上所述，鈦合金是一種非常優(yōu)良的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。故自20世紀(jì)50年代以來，鈦合金被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)身構(gòu)架、航空發(fā)動機(jī)[4]和核潛艇耐壓殼體[5]等高端制造中。在軌道交通領(lǐng)域，隨著高速列車輕量化要求越來越高，也開始嘗試使用鈦合金制造轉(zhuǎn)向架、軸箱、高鐵彈簧、過渡車鉤等部件。

1.2 鈦合金制制動夾鉗單元

三點(diǎn)式制動夾鉗單元模型如圖1所示。

圖1 三點(diǎn)式制動夾鉗單元

鈦合金的高強(qiáng)度、低密度、高耐蝕以及較高的抗沖擊和抗疲勞性能使其在輕量化產(chǎn)品開發(fā)中具有先天優(yōu)勢，可在降低質(zhì)量的同時大幅提高制動夾鉗整體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并提升其抗振性能。該型夾鉗單元原重69.3 kg，夾鉗單元的吊掛、閘片托、吊座、缸蓋、活塞管、缸蓋導(dǎo)管、軛和杠桿等主要受載部件原本采用QT500-7和QT600-7制造，質(zhì)量達(dá)到43.4 kg，占了總質(zhì)量的62.6%，故采用鈦合金(TC4)對它們進(jìn)行試制，共減重17.6 kg。

2 制動夾鉗有限元分析

2.1 建立模型

在Creo中建立制動夾鉗單元的三維模型，在保證準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)特性的前提下對制動夾鉗單元模型進(jìn)行了簡化，刪除了某些小孔及小倒角等特征。對有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格驗證，設(shè)置網(wǎng)格種子尺寸在3～5 mm之間，采用C3D4的四面體單元，單元數(shù)為763 499個，計算精度較高，如圖2所示。

2.2 約束設(shè)置

約束設(shè)置如圖3所示，其中閘片托吊掛螺栓外表面上法蘭襯套的6個自由度都受約束；吊軸光桿的螺栓連接面6個自由度都受約束；閘片托在圖中呈紅色面的x方向自由度受到約束。

圖2 網(wǎng)格模型 圖3 約束模型

2.3 分析計算

根據(jù)分析，制動夾鉗單元存在三種極限工況，如表1所示。

表1 極限工況

分別對這三種工況進(jìn)行有限元載荷施加及計算，應(yīng)力計算結(jié)果如圖4所示。在工況1、2、3條件下，整體最大靜強(qiáng)度均在銷軸的軸套上，其大小分別為285.6 MPa、175.3 MPa、174.2 MPa。 由此可知杠桿、吊座、吊掛和閘片托等部件上的應(yīng)力遠(yuǎn)低于鈦合金的屈服強(qiáng)度，完全滿足安全使用要求。

3 試驗驗證

3.1 制造組裝

采用鈦合金(TC4)制造的制動夾鉗單元部分零件如圖5所示，對零件外表面做噴砂處理，零件表面質(zhì)量較高，無須再做磷化油漆等防腐處理，簡潔美觀耐腐蝕。

圖4 夾鉗單元應(yīng)力云圖

圖5 鈦合金制杠桿和吊座

由于鈦合金屈服強(qiáng)度高，是QT600-7的2.3倍，所以襯套壓入產(chǎn)生塑性變形所需的壓力過大，據(jù)此重新設(shè)計了杠桿和殼體等部件的襯套孔過盈量，使得襯套能以正常壓力安裝。

3.2 功能試驗

對鈦合金制動夾鉗單元分別進(jìn)行強(qiáng)度試驗、低壓和高壓常溫密封性試驗、常溫靈敏度試驗、一次間隙調(diào)整量試驗、最大間隙調(diào)整量試驗和緩解間隙試驗(見圖6)，試驗判定標(biāo)準(zhǔn)及結(jié)果如表2所示。

圖6 功能試驗

表2 功能試驗結(jié)果

閘片托雙側(cè)理論計算正壓力為：

式中：D為制動缸內(nèi)徑203 mm，P為制動缸壓力，放大倍率i約為3.217，制動效率μ取0.931。進(jìn)行制動輸出力試驗，向制動缸充入各種壓力工況(P為100±10 kPa、200±10 kPa、300±10 kPa、400±10 kPa和500±10 kPa)的壓縮空氣，測得閘片托雙側(cè)壓力如下圖7所示，鈦合金制動夾鉗單元的試驗值和計算值基本吻合，說明其制動效率較高，符合制動要求。

圖7 閘片托雙側(cè)正壓力

由以上功能試驗可知鈦合金制動夾鉗單元滿足使用需要。

3.3 疲勞試驗

對該鈦合金制動夾鉗單元進(jìn)行100萬次制動、緩解疲勞試驗。在疲勞試驗過程中，制動夾鉗單元動作正常，試驗前和試驗后的制動夾鉗單元常規(guī)性能皆滿足要求。試驗后進(jìn)行制動夾鉗單元解剖檢查發(fā)現(xiàn)，夾鉗內(nèi)部無螺栓松動、零部件脫落、破損和異常變形等情況。對夾鉗的杠桿、吊掛、吊座和閘片托等部件進(jìn)行探傷檢查，未發(fā)現(xiàn)任何裂紋損傷，說明鈦合金制動夾鉗單元具有相當(dāng)強(qiáng)的抗疲勞性能，能滿足夾鉗單元的使用壽命需要。

3.4 沖擊振動試驗

根據(jù)IEC 61373：2010標(biāo)準(zhǔn)中2類規(guī)定的方法，對該制動夾鉗單元進(jìn)行了垂向、橫向和縱向的模擬長壽命試驗、沖擊試驗和功能性隨機(jī)振動試驗(見圖8)。試驗完成后，試驗件外觀和結(jié)構(gòu)無異常，未發(fā)現(xiàn)零部件脫落、斷裂、缺失等異?，F(xiàn)象，產(chǎn)品滿足IEC 61373：2010中2類規(guī)定的要求。

圖8 沖擊振動試驗

3.5 低溫試驗

將制動夾鉗單元連同試驗用壓縮空氣一起置于-50 ℃的低溫環(huán)境下，保持48 h后，在同樣溫度環(huán)境下進(jìn)行了靈敏度試驗、高低壓密封試驗、一次間隙調(diào)整量試驗和最大間隙調(diào)整量試驗等功能試驗，發(fā)現(xiàn)在低溫環(huán)境下，該鈦合金制動夾鉗單元功能正常，說明抗低溫性能強(qiáng)。

4 結(jié)論

本文采用鈦合金(TC4)替代QT500-7和QT600-7制造了制動夾鉗單元的主要結(jié)構(gòu)件，包括吊掛、閘片托、吊座、缸蓋、活塞管、缸蓋導(dǎo)管、軛和杠桿；將制動夾鉗單元總質(zhì)量從69.3 kg降至51.7 kg，并通過功能試驗、疲勞試驗、沖擊振動試驗及低溫試驗驗證了鈦合金制動夾鉗單元的可行性及可靠性。由上文研究發(fā)現(xiàn)，該鈦合金制動夾鉗單元的安全余量很高，結(jié)構(gòu)存在冗余，后續(xù)需要進(jìn)一步研究制動夾鉗單元結(jié)構(gòu)的極限設(shè)計方法，充分利用鈦合金的材料性能，使其在保證安全使用的同時更加輕量化。