鈦合金彈簧在軌道交通行業的應用前景分析

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鈦合金因具有優良的生物相容性和可加工性，在生物醫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，鈦業界成功開發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。

鈦合金的優良特性主要體現在以下幾個方面。

（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）的硬度為HRC37～43。

（3）彈性模量低。鈦合金（STA態）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狀

1.1 國外的應用現狀

未見到鈦合金彈簧應用于國外軌道交通領域的相關內容報道，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 國內的應用現狀

國內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。國內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中的關鍵部件。車輛在軌道上運行時，將伴隨產生復雜的振動現象，當鋼軌對輪對有反沖擊力時，螺旋彈簧產生變形，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大優勢。其中，重量輕和耐腐蝕兩大優勢，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。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（內簧和外簧）。經理論計算和檢測，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下受電弓弓頭要能追隨接觸網，保證弓網的良好接觸，維持一定且比較穩定的弓網接觸壓力，使列車穩定受流，從而提供穩定的動力源，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之間產生跳動和擺動，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勢，完全可以替代現有用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。現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境復雜，鈦合金彈簧具有的6大優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的發展方向。技術難點在于產品不論是冷成型還是熱成型，其材料和產品表面質量均不容易控制。因此，有必要在提高鈦合金彈簧材料性能均勻和表面質量方面進行深入的研究。

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