钛合金过渡车钩在地铁车辆中的应用

摘要：综述地铁车辆所面临的问题及钛合金材料的优良性能。针对地铁车辆所面临的救援问题，采用钛合金过渡车钩替代普通车钩，达到降低装卸过渡车钩劳动强度同时提高救援机车连挂速度的目的。分析并总结钛合金过渡车钩在密度、强度、焊接性、阻尼特性、耐腐蚀性、抗疲劳性方面的特点及优势。对钛合金过渡车钩在地铁车辆中的应用前景进行展望，并提出相关建议。

关键词：地铁车辆；钛合金材料；过渡车钩；应用前景

0引言

近年来，城市轨道交通行业发展迅速，全国各大城市都在积极地建设和扩张地铁网络。然而，现有的地铁车辆仍存在许多问题，如零部件磨损严重、抗疲劳性差等，严重影响了地铁车辆的行车安全。当地铁车辆发生故障或意外事故需要救援时，救援机车的车钩为13号车钩，而地铁车辆采用的是密接式车钩，2种不同类型的车钩无法连接。车钩作为车端连接装置重要的组成部分之一，其主要作用是实现机车和车辆或车辆和车辆之间的连挂，传递牵引力、冲击力和其他作用力，并使车辆之间保持一定的距离。将钛合金过渡车钩应用于地铁车辆，为解决上述难题提供了新的思路和方法。

1钛合金的组成及特性

钛合金是以钛为基础加入其他金属元素而组成的合金。钛合金可以根据其结构分为α相位合金、α + β相位合金、β相位合金及金属间化物。近期，出现了高温钛合金、复合材料钛合金、钛铝基合金及超强超韧β型钛合金等新型钛合金，目前较为常见的是铸造钛合金及变形钛合金。由于钛合金具有优良的金属特性，在船舶制造业、航空航天等领域得到了广泛应用。近年来，随着钛合金冶炼工艺技术的进步和材料制造工艺的改进，业内已经成功研制出了低成本、高性能的新型钛合金。新型钛合金很可能成为地铁车辆的新材料，帮助解决地铁车辆的现有难题。钛合金的优良特性主要体现在如下几个方面。（1）密度小。钛合金的密度为4.5g/cm3左右，与钢相比，可减重40%以上。（2）比强度高。钛合金具有很高的强度，其抗拉强度≥1350MPa，密度小，故比强度很高。（3）可焊性好。焊缝强度可达到基材90%以上，热影响区小，可以二次焊接，可修复。（4）耐腐蚀性能优异。钛与氧有很强的亲合力，钛合金表面可形成氧化膜使钛合金钝化而不受腐蚀，无需涂层保护，降低制造成本，保护环境。（5）抗疲劳性能优异。以钛合金为机体的美国黑鸟侦察机，在24年服役期内未出现机体损坏，验证了钛合金优异的抗疲劳性能。

2钛合金过渡车钩在地铁车辆中的应用

由于钛合金具有如此多的优良特性，各国都纷纷投入大量的人力资源进行研发，并将相应技术应用于实体工业中。虽未见到国内外有将钛合金过渡车钩应用于地铁车辆的相关报道，但国内已有单位研制出了适用于高铁动车组和地铁车辆的钛合金过渡车钩。目前，该钛合金过渡车钩仍处于试验阶段。不过，试验测得的数据表明，此钛合金过渡车钩满足现场使用要求，可以应用于高铁动车组及地铁车辆密接式车钩与救援机车车钩的连接。

2.1钛合金过渡车钩的静强度计算

在三维建模软件CATIA中建立钛合金过渡车钩的几何模型，并将模型导入ANSYSWorkbench软件。先定义钛合金材料属性，再对钛合金过渡车钩进行网格划分。有限元模型采用solid186实体网格离散，最终有限元模型共有385384个节点和404591个四面体实体单元。对有限元模型施加载荷，设定边界条件，求解，最后利用软件的后处理功能，查看计算结果。图1、图2分别是钛合金过渡车钩的几何模型、有限元模型。图3是钛合金过渡车钩在拉伸载荷为950kN时的应力云图，结果表明钛合金过渡车钩满足静强度要求。

2.2钛合金过渡车钩的试验

与普通过渡车钩相比，钛合金过渡车钩具有质量轻、强度高、可焊性好、阻尼特性好、耐腐蚀和抗疲劳等6大优势。以某单位研制的地铁钛合金过渡车钩为例，每套钛合金过渡车钩包含10型、13号钛合金过渡车钩2个分体单件，总质量为40kg，相比于70kg的普通过渡车钩，减重40%以上。普通过渡车钩采用Q345钢材质，屈服强度在400MPa以内，钛合金过渡车钩，屈服强度超过800MPa，可见钛合金过渡车钩的屈服强度远远高于普通过渡车钩的屈服强度。在满足强度要求的情况下，减轻了车钩重量，实现车辆的轻量化。为降低运行阻力，节省牵引及制动需要的能量，改善车辆动力学性能提供了技术支持。由于每套钛合金过渡车钩的质量为40kg，分体单件在20kg左右，单人便可完成整个操作过程，大幅降低了工作人员的劳动强度和人力成本，提高了工作效率。表1给出了普通过渡车钩与钛合金过渡车钩的性能对比。图4、图5分别是地铁10型、13号钛合金过渡车钩。10型和13号钛合金过渡车钩在试验台已进行过拉伸工况和压缩工况的试验，2个钛合金过渡车钩在拉伸载荷为750kN和压缩载荷为850kN时，钩体均未发生断裂。卸载后检查钩体，10型钛合金过渡车钩钩体、主轴、钩舌和连挂杆无明显变形；13号钛合金过渡车钩钩舌面无明显变形、无损伤。在整个试验过程中，钛合金过渡车钩后端插隼结构没有发生变形，试验结束后连接销可以顺畅地插入和拔出插隼结构的插孔。图6、图7分别是拉伸、压缩试验后的钛合金过渡车钩。试验结果表明，10型和13号钛合金过渡车钩均满足拉伸750kN和压缩850kN的试验载荷要求，轻量化的车钩满足当前车钩运行的安全需要。钛合金材料良好的可焊性大大降低了钛合金过渡车钩的焊接难度，同时，焊缝的热影响区较小，这使得焊缝对钛合金基材强度和变形的影响降低很多，且焊缝强度可达到钛合金基材90%以上。焊接结构都存在焊接缺陷，钛合金良好的焊接性能使焊缝对钛合金过渡车钩性能的影响降低很多。从制造方面来看，一个不存在或含有极少原始缺陷的钛合金过渡车钩，才是保证其具有高强度、抗冲击、耐疲劳等优良特性的本质原因。表2给出了钛合金基材与焊接接头力学性能情况。图8是钛合金基材与焊接接头的显微组织图。过渡车钩在满足强度要求的前提下，还应具有良好的抗冲击能力，提高救援机车的连挂速度，降低救援机车司机的操作难度。与普通车钩相比，钛合金过渡车钩因具有优良的阻尼特性，可以减小车辆之间的纵向冲击。同时，还可以减少因冲击力过大造成的其它零部件损伤，降低车辆运行噪声。表3给出了钛合金与其他材料的衰减率及屈服强度，衰减率是表征材料阻尼特性的重要指标。钛合金过渡车钩具有良好的耐腐蚀性，车钩表面无需喷漆就已具有高防腐的性能，这使得车钩不受地铁车辆所处外界环境的影响。由钛合金材料特性可知，钛合金过渡车钩还具有良好的抗疲劳性，下一步将进行相关的疲劳试验。待疲劳性能试验数据达到相关标准后，才可将钛合金过渡车钩试用于地铁车辆。当地铁车辆发生故障或意外事故需要救援时，钛合金过渡车钩可实现单人操作，大幅降低了救援人员的劳动强度，提高了工作效率。同时，随着车钩强度的提高，地铁车辆救援对接速度可从3km/h提高到5km/h，大大降低了救援机车司机的操纵难度。但是，钛合金过渡车钩目前仍处于试验阶段，待所有测试数据符合标准后，才能将钛合金过渡车钩试用于地铁车辆。另外，钛合金价格偏高，还要考虑性价比的问题。

3结论与建议

（1）钛合金过渡车钩具有很多优良性能，适用于地铁车辆，但其可靠性还未得到验证。需多方携手试验、共同研究优化，争取早日将钛合金过渡车钩应用于地铁车辆。（2）目前来看，价格是限制钛合金过渡车钩应用于地铁车辆最主要的原因。可以先对钛合金材料进行研究，并测试钛合金过渡车钩的性能，尤其是疲劳性能。到技术相对成熟，成本降低后再批量应用。