Vận tải đường sắt là một loại hình giao thông xanh an toàn, thoải mái, bảo vệ môi trường và tiết kiệm năng lượng, là một phần quan trọng của giao thông công cộng ở Trung Quốc. Quy mô xây dựng vận tải đường sắt ngày càng mở rộng qua từng năm, mạng lưới vận hành ngày càng tăng và mức tiêu thụ năng lượng ngày càng tăng đáng kể. Tiêu thụ năng lượng kéo chiếm khoảng 30% tổng mức tiêu thụ năng lượng trong vận chuyển đường sắt. Nếu trọng lượng xe giảm 10% thì mức tiêu thụ năng lượng có thể giảm 6% ~ 8%.
Với sự thúc đẩy mạnh mẽ việc xây dựng vận tải đường sắt ở Trung Quốc, ngành thiết bị vận tải đường sắt cũng đang trong thời kỳ cơ hội phát triển để tăng trưởng nhanh chóng trong giai đoạn Kế hoạch 5 năm lần thứ 14. Nhu cầu phát triển thiết bị vận tải đường sắt ngày càng cấp thiết hơn về vật liệu mới, công nghệ mới và quy trình mới, đặc biệt là theo hướng thiết bị nhẹ, dòng, tải nặng tốc độ cao và trí tuệ xanh của thiết bị. Hợp kim titan đã thu hút sự chú ý của ngành vận tải đường sắt do đặc tính mật độ thấp, cường độ riêng cao, khả năng hàn tốt và chống ăn mòn tốt, đồng thời dần dần tiến hành nghiên cứu khả thi về hợp kim titan của các sản phẩm liên quan và ứng dụng trên tàu.
Tình trạng nghiên cứu 02 hợp kim titan trong phương tiện vận tải đường sắt
2.1 Khung xe hợp kim titan
Bogie là một trong những thành phần quan trọng nhất của phương tiện đường sắt, liên quan trực tiếp đến chất lượng vận hành, hiệu suất động và an toàn lái xe của phương tiện đường sắt. Khung là vật mang để lắp ráp các bộ phận của giá chuyển hướng, thường bao gồm dầm bên, dầm và bệ treo cần thiết để lắp đặt các thiết bị liên quan. Khung hợp kim titan có thể nhận ra cấu trúc bogie nhẹ và cường độ cao, giảm khối lượng lò xo và khối lượng lò xo, sau đó cải thiện lực giữa bánh xe và đường ray, đồng thời cải thiện độ an toàn và độ tin cậy vận hành của cấu trúc bogie.
Khi hàn khung bogie hợp kim titan, hợp kim titan TA2 và TA18 được sử dụng. Trên cơ sở đáp ứng cường độ của khung hiện có, tổng khối lượng của khung chuyển hướng giảm khoảng 40%, như thể hiện trên Hình 1 và Hình 2. Trong quá trình phát triển khung hợp kim titan, các vấn đề kỹ thuật về biến dạng lớn trong quá trình hàn, thành phần dầm bên bằng hợp kim titan và tình trạng một số mối hàn không có khả năng được bảo vệ hiệu quả bằng khí trơ đã được giải quyết. Sau khi hàn, ứng suất dư bên trong của hàn được loại bỏ bằng cách xử lý nhiệt chân không và khung hợp kim titan đáp ứng các yêu cầu của các chỉ số thiết kế hiện có, tích lũy dữ liệu cơ bản để tối ưu hóa cấu trúc hơn nữa và thiết kế khung hợp kim titan.
QUẢ SUNG. 1 Cấu tạo dầm bên khung hợp kim titan
QUẢ SUNG. 2 khung bogie hợp kim titan
2.2 Kẹp phanh hợp kim titan
Là bộ phận cốt lõi của hệ thống phanh, hiệu suất và chức năng của kẹp phanh ảnh hưởng trực tiếp đến trạng thái hoạt động và chất lượng của hệ thống phanh. Việc áp dụng kẹp phanh hợp kim titan có thể làm giảm khối lượng dưới và giữa các lò xo, cải thiện chất lượng vận hành và cải thiện khả năng chống ăn mòn; Trong môi trường nhiệt độ thấp, hiệu suất cường độ kết cấu ổn định hơn.
Kẹp phanh ba điểm bằng hợp kim titan được phát triển được thể hiện trên Hình 3. Hợp kim titan TC4 được sử dụng cho các bộ phận chịu tải chính như giá treo, giá đỡ má phanh, ghế treo, đầu xi lanh, ống piston, ống dẫn đầu xi lanh, ách và đòn bẩy, với tổng trọng lượng giảm 17,6kg. Thử nghiệm độ bền, thử nghiệm làm kín nhiệt độ phòng áp suất thấp và áp suất cao, thử nghiệm độ nhạy nhiệt độ phòng, thử nghiệm điều chỉnh khe hở sơ cấp, thử nghiệm điều chỉnh khe hở tối đa và thử nghiệm giảm khe hở được thực hiện tương ứng cho bộ kẹp phanh bằng hợp kim titan. Kết quả thử nghiệm cho thấy bộ kẹp phanh bằng hợp kim titan đáp ứng các yêu cầu về chức năng, đồng thời đã vượt qua 1 triệu bài kiểm tra độ mỏi và độ rung khi va chạm. Trong môi trường nhiệt độ thấp -50 độ, sau 48 giờ, các chức năng của bộ kẹp phanh hợp kim titan vẫn bình thường, cho thấy kẹp phanh hợp kim titan có khả năng chịu nhiệt độ thấp mạnh và thích hợp để ứng dụng ở nhiệt độ lạnh cao môi trường.
QUẢ SUNG. 3 Bộ kẹp phanh ba điểm bằng hợp kim titan
2.3 Khớp nối chuyển tiếp hợp kim titan
Khớp nối chuyển tiếp là khớp nối dùng để kết nối hai loại khớp nối khác nhau, nhằm đảm bảo việc chuyển đầu máy sang phương tiện sửa chữa được an toàn và suôn sẻ, trong khi khớp nối chuyển tiếp đang sử dụng đòi hỏi phải thường xuyên bốc dỡ thủ công. Theo UIC660, trọng lượng đơn của bộ ghép chuyển tiếp không được vượt quá 50 kg. Tuy nhiên, khớp nối chuyển tiếp hiện tại có kết cấu nặng, đòi hỏi nhiều người phải mang cùng lúc trong quá trình xếp dỡ. Nếu tai nạn xảy ra trong quá trình xử lý, nó cũng sẽ gây thương tích cá nhân cho nhân viên bảo trì.
Một khớp nối chuyển tiếp bằng hợp kim titan nhẹ đã được thiết kế. Dựa trên phương pháp mật độ thay đổi, mô-đun Tối ưu hóa Hình dạng trong ANSYSWorkbench đã được sử dụng để tối ưu hóa cấu trúc liên kết của bộ ghép chuyển tiếp và cấu trúc nhẹ của bộ ghép chuyển tiếp bằng hợp kim titan được thiết kế theo kết quả tối ưu hóa cấu trúc liên kết. Khớp nối chuyển tiếp bằng hợp kim titan nhẹ nặng 42,15kg. So với khớp nối chuyển tiếp thép loại E ban đầu, mức giảm trọng lượng là 58,15kg và tỷ lệ giảm trọng lượng lên tới 57,98%.
Một công ty của CRRC đã phát triển khớp nối chuyển tiếp bằng hợp kim titan, như trong Hình 4 và Hình 5. Một móc mô-đun duy nhất nặng khoảng 20 kg và một người có thể hoàn thành toàn bộ quá trình vận hành. Trong thử nghiệm tải kéo 750 kN và thử tải nén 850 kN, móc khớp nối không bị gãy, như trong Hình 6. Sau khi dỡ tải, thân khớp nối đã được kiểm tra và kiểm tra tổng thể, không có biến dạng và hư hỏng rõ ràng nào ở tất cả các bộ phận của khớp nối chuyển tiếp loại 10 và loại 13 bằng hợp kim titan. Kết quả thử nghiệm cho thấy khớp nối chuyển tiếp bằng hợp kim titan nhẹ có trọng lượng nhẹ, độ bền cao và hiệu suất hoạt động cao, đáp ứng nhu cầu an toàn cho hoạt động của khớp nối chuyển tiếp hiện tại và cũng có tính khả thi của trọng lượng nhẹ hơn nữa.
QUẢ SUNG. 4 khớp nối Model 10 hợp kim Titan
Hình 5. Khớp nối Model 13 bằng hợp kim titan
QUẢ SUNG. 6 Thử kéo và nén của khớp nối hợp kim titan 10
Trong quá trình sản xuất hình nón lồi của khớp nối chuyển tiếp tàu điện ngầm bằng hợp kim titan, Công ty TNHH Sản xuất Thiết bị Thẩm Dương Zhongti áp dụng quy trình rèn khuôn tấm titan và hàn thanh sườn. So với quy trình đúc hình nón lồi bằng thép ban đầu, phương pháp này có khả năng định hình tốt, hiệu quả cao và hiệu suất tốt của hình nón lồi. Hình nón lồi rèn khuôn hợp kim titan được thể hiện trong Hình 7.
Hình 7. Nón lồi titan được rèn và hàn một phần
2.4 Cần kéo
Thiết bị kéo trung tâm chủ yếu bao gồm chốt kéo trung tâm, cụm thanh giằng kéo (bao gồm thanh giằng và khớp nối bi cao su ở hai đầu) và bu lông kết nối. Chức năng chính của nó là thực hiện sự kết nối giữa thân xe và giá chuyển hướng, đồng thời thực hiện việc truyền lực kéo và lực phanh. Cấu trúc của thanh kéo rất đơn giản và quá trình tạo hình tương đối đơn giản. Việc thay thế vật liệu hợp kim titan không chỉ đạt được hiệu quả giảm trọng lượng mà còn cải thiện tỷ lệ sử dụng vật liệu bằng cách sử dụng sơ đồ rèn khuôn và chi phí tổng thể sẽ không được cải thiện đáng kể.
Thanh kéo hợp kim titan do CRRC Sifang Co., Ltd. và China Titanium Equipment Co., Ltd. hợp tác phát triển được gia công một phần sau khi rèn khuôn, và tỷ lệ sử dụng vật liệu có thể đạt hơn 50% và trọng lượng tổng thể giảm đi. khoảng 42%. Hiệu quả giảm cân rất rõ ràng, như trong Hình 8 và Hình 9.
QUẢ SUNG. 8. Mô hình khuôn rèn thanh kéo
QUẢ SUNG. 9 Trạng thái chết của thanh kéo sau khi rèn khuôn
Kích thước và tính chất cơ học của thanh kéo làm bằng hợp kim titan đáp ứng được yêu cầu sử dụng. Để đảm bảo EMU vận hành an toàn, độ bền tĩnh và độ bền mỏi của thanh giằng kéo bằng hợp kim titan dưới tải trọng tương ứng phải được kiểm tra thông qua các thử nghiệm theo điều kiện kỹ thuật của thanh giằng kéo cho bogie. Do mô đun đàn hồi của hợp kim titan bằng khoảng một nửa mô đun đàn hồi của thép nên cũng cần phải kiểm tra ảnh hưởng của độ cứng của thanh giằng kéo bằng hợp kim titan đến chế độ rung của xe và xe cũng như tính năng động của xe trong quá trình bám đường và phanh. .
