軌道交通車輛應用越來越廣，對（duì）其要（yào）求也越來越高，例如高速運行、沿海地區運用時的防腐蝕以及為了（le）進一步提高性價比而降低簧下重量等，傳（chuán）統金屬材料已難以滿足這些特殊的使用要求，急需新材料來（lái）取代。鈦合金材料（liào）的許多優越性能很適合用於軌道交通車輛，但（dàn）由於價格的原因，一直未進行（háng）這方麵的嚐試。隨著電解法製（zhì）備海綿鈦（tài）即將實現工（gōng）業化，海綿鈦成本（běn）越來（lái）越（yuè）低，加（jiā）之我國鈦資源豐富，因此，鈦合金材料應用在軌（guǐ）道交通車輛的前景（jǐng）可（kě）期。
目前我國高速動車組***高運行速度為350km/h（預留380km/h）。速度越高（gāo），輪軌間的動作用力就越大，輪軌磨耗也就越嚴重，舒適（shì）性也（yě）越差。在速度不變的條件下，降低輪軌間（jiān）的動作用力行之（zhī）有效的辦法（fǎ）就是降低車輛的軸重，這其中尤以降低簧下重量效果***為顯著，見經驗公式（1）。
垂（chuí）向動態附加載荷(1)
式中：一運行速度，km/h；a一線路缺陷，mm；一線路剛度，n/m；m一簧下部分重量，t。
軌道車輛（liàng）的簧下重量對車輛的動（dòng）力學性能有著重要的影響，簧下部分主要包括部（bù）分電（diàn）機（jī）（軸懸式機車）、輪對、齒輪箱和軸箱等。
目前在國內運用（yòng）比較多的CRH3、CRH380B及CRH380BL軸重也都是17toUIC（國際鐵路聯盟）規定，車輛運行速度不小於250km/h時，軸（zhóu）重不大於17t。既要考（kǎo）慮強度和剛度要（yào）求，還要（yào）考慮低溫韌性，同時在低溫運行條件（jiàn）下還（hái）要考慮乘客的防寒、防凍，也（yě）就是車輛的保溫性能要好，這些都是車輛軸重的約（yuē）束條件，很多零部件都經過優化設計才使軸重（chóng）達到這個設計要（yào）求，進一步輕（qīng）量化難度非常大，且潛力有限，因此，急需高強度、密度小（xiǎo）的新材料來取代傳統材料。
鈦合金密度4.5g/cm3，為鋼密（mì）度（dù）的57％，強度與（yǔ）鋼相當，替換鋼材減（jiǎn）重43％，是（shì）比（bǐ）強（qiáng）度***高的金屬材料，等強度替換鋁合金（jīn）減重20％~30％；同時（shí）鈦合金材料本身（shēn）具有較（jiào）好（hǎo）的阻尼，在傳力、衰減振動和衰減衝擊方麵應該有所作為田隨著高速動車組在我（wǒ）國海南島內開行，腐（fǔ）蝕問題開始（shǐ）暴露，如受電弓及其上的彈簧等。這些（xiē）零部件都直接暴露（lù）在含鹽量高、濕度大的（de）空氣中，且受電弓受流電壓為（wéi）25kV，電流通過（guò）時（shí），溫度很高，也加劇了其腐蝕速度。目前這些零（líng）部件都是由鋼材製成，成型後塗防鏽漆，不能從根本上解決問題。
因此，從鈦合金材（cái）料的性能出發，分4方麵對其在軌道（dào）交通車輛上的應用進行可行性分析和展望。
鈦合金（jīn）在軌道交（jiāo）通車輛中的應用展望
鈦合金彈簧（huáng）
與鋼（gāng）彈簧比，鈦合（hé）金彈簧具有6個優勢：(1)重（chóng）量輕；(2)強度高（gāo）；(3)阻尼性好；(4)工作溫度範（fàn）圍廣（guǎng）：一50℃~300℃；(5)工（gōng）作應力（lì）低；(6)耐腐蝕。
更重要（yào）的是鈦合金（jīn）材料的斷裂（liè）韌性也比較合適（shì），當以減（jiǎn）小彈簧體積作為設計依據時，σ/G值（zhí）（式中：σ一彈簧工作（zuò）應力，Pa；G一材料剪切模量，Pa）可以作為選用材料的判據。鈦合金材料的剪切模量（liàng）比鋼材小，因此（cǐ），所需彎成的圈數比鋼質彈簧少，這也進一步（bù）降低了鈦合金（jīn）彈簧重量（liàng）。
鈦合金材料耐蝕性好、維護成本低，會延長使用壽命。海（hǎi）水（shuǐ）中電位0.09v，其在大（dà）氣、雨水、海洋中腐蝕速率（lǜ）為0，見表1。軌道交通車輛中（zhōng）轉向架及受電弓上的零部件（jiàn）絕大多數都直接暴露（lù）在外（wài），除了塗一層防（fáng）鏽漆外沒有任（rèn）何其他庇護，鈦合金材料（liào）的耐蝕性也比較適合用在軌道交通車輛上，尤其適合運用於沿（yán）海（hǎi）一帶的軌道交通車輛（liàng）上。
運用現代企業管理方式及多年（nián）積（jī）累的企業文化，先後與國內外30餘家（jiā）知名企（qǐ）業建立了配套關係，如中（zhōng）壓電器生產線焊接組裝用翻轉工裝， 諾基亞手機生產線配套工（gōng）裝夾具，鋼鐵研究總院光譜分析儀鑄鋁外殼、衝（chōng）擊試驗機，北京（jīng）不鏽鋼異（yì）型（xíng）件加工，北京不鏽鋼（gāng）零件加工，空氣濾芯衝壓模具（jù）。
在（zài）軌道交通車輛中，比較重要（yào）的彈（dàn）簧基本都（dōu）采用51crV4或製成，如高速動車組及機車上二係彈簧等，其性能見表2。
圖1是用TB6鈦合金試製成的用於CRH3高速動車組的一係簧（包括內簧（huáng）和外簧），經理論計算（suàn）和檢測各項指標均符（fú）合動車組的使用要求。以外簧（huáng）為例（lì），重量由原來鋼彈簧的32.26kg降低為鈦合金彈簧的18.29kg，減輕了（le）43.3％。目前，鈦合金彈簧正在進行200萬次（cì）的（de）疲勞試驗。因為是取代原合金鋼彈簧，不僅各向剛度（包括垂向和橫向（xiàng））要與原彈簧（huáng）一致，而且還要與原（yuán）彈簧安裝結構完全一樣，應力也要小於原鋼彈簧，以確保使用壽命（mìng）不低於原鋼彈簧，其設計難度顯然大於彈簧的新設計。
圖一：TB6鈦合金彈簧 圖二：ZTC4鈦合金葉輪
從（cóng）文獻檢索可知，鈦合金彈簧尚未（wèi）用於軌道交通車輛，但2001年就在汽車領域（yù）得到了成功應用。
從鈦合金彈簧試製情況看（kàn），與傳統鋼彈簧的加工工藝及流程基本相同，因（yīn）此，可有效利用原有加工設備，但也（yě）有差別（bié），如熱卷溫度及如何控製鈦合（hé）金彈簧的（de）回彈量等。現在***缺（quē）的是鈦合金彈簧材料的有關疲勞（láo）壽命數據，目（mù）前正著手（shǒu）這方麵的試驗研究。
軌道交通車輛一般按（àn）30年壽命設計，因此，像一係（xì）彈簧這些重要（yào）零部件也是按30年（nián）的設計壽命計算的，這與汽車的要求不（bú）同。
鈦合金葉輪
在-253℃~550℃溫度範圍，鈦（tài）合金具有較高的（de）強韌性，比（bǐ）較適合製造內燃機車柴油（yóu）機的增壓器葉輪和汽輪機葉輪，見表3。
圖2為（wéi）ZTC4材（cái）料用真空離心澆鑄技術鑄造的葉（yè）輪。原葉輪材料（liào）為2618，材料性能滿足表4要求（試（shì）驗溫度23℃±5℃）。由表4可知，鈦合（hé）金ZTC4鑄造性能無論是強度、硬度還是伸長率都完全滿足葉輪的性能要求。鈦合金葉（yè）輪試製（zhì）後，下（xià）一步（bù）將開展測試，尤其要進行模擬運行工況下的疲勞試驗，以檢驗鈦（tài）合金的鑄造工（gōng）藝（yì）和材料的疲勞性能。
鈦（tài）合金（jīn）軸箱
在軌道交通車輛行業，把套在軸頸上連接輪對和轉向架構（gòu）架（jià）或（huò）二軸車車體（tǐ）的部件（jiàn）簡稱（chēng）為（wéi）軸（zhóu）箱。其（qí）作用是把車體及構架重量和載（zǎi）荷傳遞（dì）給輪對，潤（rùn）滑軸頸，減少摩擦（cā），降低運行阻（zǔ）力。軸箱與車軸直接通過軸（zhóu）承相連，輪軌動（dòng）作用力由鋼軌直（zhí）接傳遞給車輪、車軸後（hòu），又未經任何衰減傳遞給軸箱，因此，軸箱重量屬典型（xíng）的簧下重量，其（qí）輕量化尤其具有重要意義。
現階段我國軌道交通車輛軸（zhóu）箱普遍采用鑄鐵或鑄鋼，如機車軸箱采用c級鑄鋼，抗拉強度不小於620MPa，屈服強度不小於4巧MPa，伸長率不小於22％。鈦（tài）合金與其他材料的比阻（zǔ）尼及屈服強度見（jiàn）表（biǎo）5。顯而易見，鈦合金材料（liào）性能優勢（shì）突出，完全可滿足使用要求，但價格偏高，因此，要著重考慮性（xìng）價比。
按照等強度和等剛度設計原則，采用TH一Ti321鈦合金材料鑄造的軸箱如圖3所示，其性能滿足TB/T2942一1999中C級鑄（zhù）鋼的技術要求，重量約為原鑄鋼軸箱的53％，有效（xiào）地降低了機（jī）車的簧下重量。由於鈦合金材料鑄（zhù）造性能（néng）的特點，鈦合金軸（zhóu）箱運用（yòng）真空離心（xīn）澆鑄技（jì）術（shù）製作完成，這（zhè）與普通（tōng）的鑄鐵、鑄鋼的鑄造技術大不相同，目前正在進行疲勞試驗。預（yù）計裝車後會明顯改善機車的動力學性（xìng）能，提升鐵路機車運行的（de）安全性和舒適性。
鈦合金車鉤、緩衝器和牽引杆
目（mù）前我國貨車占車輛的絕大（dà）多數，其車鉤主要類（lèi）型為13號車鉤係列，約（yuē）占95％以上，材料均為ZG25MnCrNiMoo由於車型不同（tóng），車鉤承受的拉壓力也不（bú）同，因此，各型號車鉤采用了不（bú）同的熱處理方式。13C型車鉤采用正火+回火工藝，13E和13A型車鉤均采（cǎi）用調質處理工藝。用於重載牽引的巧號轉動車鉤和17號固定車鉤的材質同（tóng）樣是ZG25MnCrNiMo，但采用淬火+回火的熱處理（lǐ）工藝。其材質（zhì）性能為：Rm＞827Mpa、Rp＞689MPa、伸長率δ≥14％、斷麵收縮率Ψ≥30％、Akv≥（一40℃）27J。
緩衝器能耗件材料分為摩擦、彈簧、橡膠及液壓4種，如果緩衝器本身采用鈦合金材料（liào），不僅（jǐn）能承（chéng）受各（gè）種縱向（即車（chē）鉤方向）載（zǎi）荷（hé），且能利用鈦合金材料的阻尼特性（見表5）耗散一部分縱向動載（zǎi）荷，這（zhè）對減小列車的縱向衝擊是非常有利的。機車牽引（yǐn）杆有的采用（yòng）25CrM04無縫鋼管，屈服極限400MPa、材（cái）料彈性模量210GPa、材料（liào）泊鬆（sōng）比0.3、材料密度7850kg/m3。
由此可見采用鈦合金（jīn）材料完全可滿足車鉤、緩衝（chōng）器及牽引杆的使用要求，但成型卻（què）是問題（tí），因為這些鑄件的零件尺寸都比較大（dà），要投入新的設備。現在的（de）車鉤、緩（huǎn）衝器都（dōu）是鑄造成型，牽引杆有鑄造也有鍛造的還（hái）有利用無縫鋼管製造的（de）。因此，現階段僅僅是展望，還未開始試製。隨（suí）著技術的發展，成型應該不會成為限製鈦合金製成這些零件的因素。
結論
（1）軌道交通車輛發展到新階段受到各種條件的限製，采用新（xīn）材料是必然的、也是迫切的，否則很難滿（mǎn）足使用要求（qiú），且（qiě）這個市場潛力巨大。
（2）鈦合金材料的很多優越性能都是軌道交通車輛所需的，本文4個方（fāng）麵的展望還隻是探索，還有很（hěn）多應用等待開發，其可靠性更需（xū）得到驗證。
（3）從調研情況看，軌道交通車輛市場沒有（yǒu）壁壘（lěi），目前的限製條件就是價格（gé），即（jí）鈦合金零部件性價（jià）比是否合（hé）適。可分2步走：******行（háng）鈦合金材料的性（xìng）能試驗及相關零部件試（shì）驗，為批量應（yīng）用（yòng）摸索和積累（lèi）經驗，到技術相對成熟，成本降低後再批量應用，而不（bú）是等成本降（jiàng）低（dī）後再（zài）投人研究。
（作者：黃（huáng）誌輝1 王超２ 孫龍生２ 周傑２
１西南交通大學牽引動力******重點實驗室；２沈陽（yáng）泰恒通用技術有限公司）
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