การปฏิรูปรางใหม่: โลหะผสมไททาเนียมจุดประกายอนาคตที่มีน้ำหนักเบาของการขนส่งทางรถไฟ

การขนส่งทางรถไฟเป็นการขนส่งที่ปลอดภัย สะดวกสบาย เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมและประหยัดพลังงาน ถือเป็นส่วนสำคัญของการขนส่งสาธารณะในประเทศจีน ขนาดการก่อสร้างระบบขนส่งทางรถไฟกำลังขยายตัวทุกปี เครือข่ายการดำเนินงานเพิ่มขึ้น และการใช้พลังงานก็เพิ่มขึ้นอย่างมาก การใช้พลังงานแบบฉุดลากคิดเป็นประมาณ 30% ของการใช้พลังงานทั้งหมดในการขนส่งทางรถไฟ หากน้ำหนักยานพาหนะลดลง 10% การใช้พลังงานจะลดลง 6% ~ 8%

ด้วยการส่งเสริมการก่อสร้างระบบขนส่งทางรถไฟอย่างแข็งขันในประเทศจีน อุตสาหกรรมอุปกรณ์การขนส่งระบบรางก็อยู่ในช่วงโอกาสการพัฒนาที่เติบโตอย่างรวดเร็วในช่วงแผนห้าปีที่ 14 ความต้องการในการพัฒนาอุปกรณ์การขนส่งทางรถไฟมีความเร่งด่วนมากขึ้นในแง่ของวัสดุใหม่ เทคโนโลยีใหม่ และกระบวนการใหม่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในทิศทางของน้ำหนักเบา เชื้อสาย การบรรทุกหนักความเร็วสูง และความชาญฉลาดสีเขียวของอุปกรณ์ โลหะผสมไทเทเนียมดึงดูดความสนใจของอุตสาหกรรมการขนส่งทางรถไฟเนื่องจากมีลักษณะความหนาแน่นต่ำ มีความแข็งแรงจำเพาะสูง เชื่อมได้ดี และทนต่อการกัดกร่อนได้ดี และค่อยๆ ดำเนินการศึกษาความเป็นไปได้ของโลหะผสมไทเทเนียมของผลิตภัณฑ์ที่เกี่ยวข้องและการใช้งานบนกระดาน


สถานะการวิจัยโลหะผสมไทเทเนียม 02 ในยานพาหนะขนส่งทางรถไฟ

2.1 เฟรมโบกี้โลหะผสมไทเทเนียม

โบกี้เป็นหนึ่งในองค์ประกอบที่สำคัญที่สุดของรถราง ซึ่งเกี่ยวข้องโดยตรงกับคุณภาพการวิ่ง สมรรถนะแบบไดนามิก และความปลอดภัยในการขับขี่ของรถราง โครงเป็นโครงสำหรับประกอบชิ้นส่วนโบกี้ โดยทั่วไปรวมถึงคานด้านข้าง คาน และเบาะนั่งสำหรับช่วงล่างที่จำเป็นสำหรับการติดตั้งอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้อง โครงโลหะผสมไททาเนียมสามารถรับรู้ถึงความแข็งแรงสูงและโครงสร้างโบกี้น้ำหนักเบา ลดมวลสปริงและมวลสปริง จากนั้นปรับปรุงแรงระหว่างล้อและราง และปรับปรุงความปลอดภัยและความน่าเชื่อถือในการทำงานของโครงสร้างโบกี้

ในการเชื่อมโครงโบกี้โลหะผสมไทเทเนียม จะใช้โลหะผสมไทเทเนียม TA2 และ TA18 บนพื้นฐานของการตอบสนองความแข็งแกร่งของเฟรมที่มีอยู่ มวลรวมของเฟรมโบกี้จะลดลงประมาณ 40% ดังแสดงในรูปที่ 1 และรูปที่ 2 ในกระบวนการพัฒนาของเฟรมโลหะผสมไทเทเนียม ปัญหาทางเทคนิคของการเสียรูปขนาดใหญ่ ในกระบวนการเชื่อมองค์ประกอบลำแสงด้านข้างของโลหะผสมไททาเนียมและการไร้ความสามารถของข้อต่อเชื่อมบางส่วนที่จะได้รับการป้องกันอย่างมีประสิทธิภาพด้วยก๊าซเฉื่อยได้รับการแก้ไข หลังจากการเชื่อม ความเค้นภายในที่ตกค้างจากการเชื่อมจะถูกกำจัดด้วยการบำบัดความร้อนแบบสุญญากาศ และโครงโลหะผสมไททาเนียมก็ตรงตามข้อกำหนดของตัวบ่งชี้การออกแบบที่มีอยู่ ซึ่งรวบรวมข้อมูลพื้นฐานสำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพโครงสร้างและการออกแบบเฟรมโลหะผสมไทเทเนียมเพิ่มเติม

มะเดื่อ. 1 องค์ประกอบของคานด้านข้างของเฟรมไททาเนียมอัลลอยด์

มะเดื่อ. 2 เฟรมโบกี้โลหะผสมไทเทเนียม

2.2 แคลมป์เบรกโลหะผสมไทเทเนียม

ในฐานะที่เป็นส่วนหลักของระบบเบรก ประสิทธิภาพและการทำงานของแคลมป์เบรกส่งผลโดยตรงต่อสถานะการทำงานและคุณภาพของระบบเบรก การใช้แคลมป์เบรกโลหะผสมไทเทเนียมสามารถลดมวลใต้และระหว่างสปริง ปรับปรุงคุณภาพการทำงาน และปรับปรุงความสามารถในการต้านทานการกัดกร่อน ภายใต้สภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิต่ำ ประสิทธิภาพความแข็งแรงของโครงสร้างจะมีเสถียรภาพมากขึ้น

แคลมป์เบรกสามจุดที่โลหะผสมไทเทเนียมที่พัฒนาขึ้นแสดงไว้ในรูปที่ 3 โลหะผสมไทเทเนียม TC4 ใช้สำหรับส่วนประกอบโหลดหลัก เช่น ที่แขวน ส่วนรองรับผ้าเบรก เบาะนั่งแบบแขวน ฝาสูบ ท่อลูกสูบ ท่อร้อยสายของฝาสูบ แอก และคันโยก โดยน้ำหนักลดลงรวม 17.6 กก. การทดสอบความแข็งแรง การทดสอบการปิดผนึกอุณหภูมิห้องแรงดันต่ำและความดันสูง การทดสอบความไวของอุณหภูมิห้อง การทดสอบการปรับระยะห่างหลัก การทดสอบการปรับระยะห่างสูงสุด และการทดสอบการผ่อนผันของระยะห่างดำเนินการตามลำดับสำหรับชุดแคลมป์เบรกโลหะผสมไทเทเนียม ผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่าชุดแคลมป์เบรกโลหะผสมไททาเนียมตรงตามข้อกำหนดด้านการใช้งาน และในขณะเดียวกันก็ผ่านการทดสอบความล้าและการทดสอบการสั่นสะเทือนกระแทกมากกว่า 1 ล้านครั้ง ในสภาพแวดล้อมอุณหภูมิต่ำ -50 องศา หลังจาก 48 ชั่วโมง ฟังก์ชั่นของชุดแคลมป์เบรกโลหะผสมไทเทเนียมเป็นปกติ ซึ่งบ่งชี้ว่าแคลมป์เบรกโลหะผสมไทเทเนียมมีความต้านทานต่ออุณหภูมิต่ำที่แข็งแกร่ง และเหมาะสำหรับการใช้งานในความเย็นสูง สิ่งแวดล้อม.

มะเดื่อ. 3 ชุดแคลมป์เบรกสามจุดโลหะผสมไทเทเนียม

2.3 ตัวเชื่อมต่อการเปลี่ยนโลหะผสมไทเทเนียม

Transition Coupler เป็นข้อต่อที่ใช้ในการเชื่อมต่อ Coupler สองประเภทที่แตกต่างกัน เพื่อให้มั่นใจว่าการขนย้ายหัวรถจักรที่จะซ่อมแซมยานพาหนะเป็นไปอย่างราบรื่นและปลอดภัย ในขณะที่ Transition Coupler ที่ใช้งานอยู่นั้นจำเป็นต้องมีการขนถ่ายด้วยตนเองบ่อยครั้ง ตามข้อมูลของ UIC660 น้ำหนักเดี่ยวของทรานซิชันคัปเปลอร์ไม่ควรเกิน 50 กก. อย่างไรก็ตาม Transiting Coupler ที่มีอยู่นั้นมีโครงสร้างที่หนัก ซึ่งต้องใช้คนหลายคนในการขนย้ายในเวลาเดียวกันระหว่างการขนถ่าย หากเกิดอุบัติเหตุระหว่างการจัดการ ก็จะทำให้เกิดการบาดเจ็บต่อเจ้าหน้าที่ซ่อมบำรุงด้วย

มีการออกแบบข้อต่อเปลี่ยนผ่านโลหะผสมไทเทเนียมน้ำหนักเบา ตามวิธีความหนาแน่นแปรผัน โมดูล Shape Optimization ใน ANSYSWorkbench ถูกนำมาใช้เพื่อปรับโทโพโลยีของ Transition Coupler ให้เหมาะสม และโครงสร้างน้ำหนักเบาของ Transition Coupler โลหะผสมไทเทเนียมได้รับการออกแบบตามผลการปรับโทโพโลยีให้เหมาะสม ข้อต่อทรานสิชันโลหะผสมไทเทเนียมน้ำหนักเบามีน้ำหนัก 42.15 กก. เมื่อเทียบกับข้อต่อเปลี่ยนเหล็กเกรด E ดั้งเดิม น้ำหนักที่ลดลงคือ 58.15 กก. และอัตราส่วนการลดน้ำหนักสูงถึง 57.98%

บริษัทของ CRRC ได้พัฒนาข้อต่อเปลี่ยนโลหะผสมไทเทเนียม ดังแสดงในรูปที่ 4 และรูปที่ 5 ตะขอโมดูลเดียวมีน้ำหนักประมาณ 20 กก. และเพียงคนเดียวก็สามารถดำเนินการตามกระบวนการทั้งหมดให้เสร็จสิ้นได้ ในการทดสอบแรงดึง 750 kN และการทดสอบแรงอัด 850 kN ตะขอข้อต่อไม่แตกหัก ดังแสดงในรูปที่ 6 หลังจากการขนถ่าย ตัวข้อต่อได้รับการตรวจสอบและตรวจสอบโดยรวม และไม่มีการเสียรูปและความเสียหายที่ชัดเจนใน ชิ้นส่วนทั้งหมดของข้อต่อการเปลี่ยนโลหะผสมไทเทเนียมประเภท 10 และประเภท 13 ผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่าตัวเชื่อมต่อทรานสิชันโลหะผสมไทเทเนียมน้ำหนักเบามีน้ำหนักเบา มีความแข็งแรงสูง และมีประสิทธิภาพการทำงานสูง และตอบสนองความต้องการด้านความปลอดภัยของการทำงานของตัวเชื่อมต่อทรานสิชันในปัจจุบัน และยังมีความเป็นไปได้ที่จะมีน้ำหนักเบาเพิ่มเติมอีกด้วย

มะเดื่อ. 4 ข้อต่อไทเทเนียมอัลลอยด์รุ่น 10

รูปที่ 5 ข้อต่อไทเทเนียมอัลลอยด์รุ่น 13

มะเดื่อ. 6 การทดสอบแรงดึงและแรงอัดของข้อต่อโลหะผสมไททาเนียม 10

ในการผลิตกรวยนูนของตัวเชื่อมต่อการเปลี่ยนรถไฟใต้ดินโลหะผสมไทเทเนียม บริษัท Shenyang Zhongti Equipment Manufacturing Co., Ltd. ใช้กระบวนการตีขึ้นรูปแผ่นไทเทเนียมและการเชื่อมแบบแถบซี่โครง เมื่อเปรียบเทียบกับกระบวนการหล่อแบบเดิมของกรวยเหล็กนูน วิธีการนี้มีความสามารถในการขึ้นรูปที่ดี ประสิทธิภาพสูง และประสิทธิภาพที่ดีของกรวยนูน กรวยนูนนูนโลหะผสมไทเทเนียมแสดงในรูปที่ 7

รูปที่ 7 กรวยไทเทเนียมนูนขึ้นรูปและเชื่อมบางส่วน

2.4 คันดึง

อุปกรณ์ฉุดส่วนกลางส่วนใหญ่ประกอบด้วยพินฉุดกลาง ชุดคันบังคับฉุด (รวมถึงคันบังคับและข้อต่อลูกหมากยางที่ปลายทั้งสองข้าง) และสลักเกลียวเชื่อมต่อ หน้าที่หลักคือการตระหนักถึงความเชื่อมโยงระหว่างตัวถังรถกับโบกี้ และตระหนักถึงการส่งผ่านแรงฉุดและแรงเบรก โครงสร้างของแกนลากนั้นเรียบง่าย และกระบวนการขึ้นรูปนั้นค่อนข้างง่าย การเปลี่ยนวัสดุโลหะผสมไทเทเนียมไม่เพียงแต่ให้ผลการลดน้ำหนักเท่านั้น แต่ยังช่วยเพิ่มอัตราการใช้วัสดุโดยใช้รูปแบบการตีขึ้นรูป และต้นทุนโดยรวมจะไม่ได้รับการปรับปรุงอย่างมาก

แท่งดึงโลหะผสมไทเทเนียมที่พัฒนาร่วมกันโดย CRRC Sifang Co., Ltd. และ China Titanium Equipment Co., Ltd. ได้รับการตัดเฉือนบางส่วนหลังจากการตีขึ้นรูป และอัตราการใช้วัสดุสามารถเข้าถึงได้มากกว่า 50% และน้ำหนักโดยรวมจะลดลง ประมาณ 42% ผลการลดน้ำหนักเห็นได้ชัดเจนมาก ดังแสดงในรูปที่ 8 และรูปที่ 9

มะเดื่อ. 8 การตีแบบจำลองของแท่งลาก

มะเดื่อ. 9 สถานะไม่อยู่ในสถานะดึงของแท่งดึงหลังจากการตีขึ้นรูป

ขนาดและคุณสมบัติทางกลของแกนลากที่ทำจากโลหะผสมไททาเนียมตรงตามข้อกำหนดการใช้งาน เพื่อให้มั่นใจถึงการทำงานที่ปลอดภัยของ EMU ควรตรวจสอบความแข็งแรงคงที่และความแข็งแรงเมื่อยล้าของแกนยึดแรงดึงโลหะผสมไททาเนียมภายใต้ภาระที่สอดคล้องกันโดยการทดสอบตามเงื่อนไขทางเทคนิคของแกนยึดแรงดึงสำหรับโบกี้ เนื่องจากโมดูลัสยืดหยุ่นของโลหะผสมไททาเนียมมีค่าประมาณครึ่งหนึ่งของเหล็ก จึงจำเป็นต้องตรวจสอบอิทธิพลของความแข็งของแกนยึดแรงดึงของโลหะผสมไททาเนียมต่อโหมดการสั่นสะเทือนของโบกี้และยานพาหนะ และประสิทธิภาพแบบไดนามิกของยานพาหนะในระหว่างการฉุดลากและการเบรก .