前言：尋找寫作靈感？中文期刊網用心挑選的鈦合金過渡車鉤在地鐵車輛中的應用，希望能為您的閱讀和創作帶來靈感，歡迎大家閱讀并分享。
摘要：綜述地鐵車輛所面臨的問題及鈦合金材料的優良性能。針對地鐵車輛所面臨的救援問題，采用鈦合金過渡車鉤替代普通車鉤，達到降低裝卸過渡車鉤勞動強度同時提高救援機車連掛速度的目的。分析并總結鈦合金過渡車鉤在密度、強度、焊接性、阻尼特性、耐腐蝕性、抗疲勞性方面的特點及優勢。對鈦合金過渡車鉤在地鐵車輛中的應用前景進行展望，并提出相關建議。
關鍵詞：地鐵車輛；鈦合金材料；過渡車鉤；應用前景
0引言
近年來，城市軌道交通行業發展迅速，全國各大城市都在積極地建設和擴張地鐵網絡。然而，現有的地鐵車輛仍存在許多問題，如零部件磨損嚴重、抗疲勞性差等，嚴重影響了地鐵車輛的行車安全。當地鐵車輛發生故障或意外事故需要救援時，救援機車的車鉤為13號車鉤，而地鐵車輛采用的是密接式車鉤，2種不同類型的車鉤無法連接。車鉤作為車端連接裝置重要的組成部分之一，其主要作用是實現機車和車輛或車輛和車輛之間的連掛，傳遞牽引力、沖擊力和其他作用力，并使車輛之間保持一定的距離。將鈦合金過渡車鉤應用于地鐵車輛，為解決上述難題提供了新的思路和方法。
1鈦合金的組成及特性
鈦合金是以鈦為基礎加入其他金屬元素而組成的合金。鈦合金可以根據其結構分為α相位合金、α + β相位合金、β相位合金及金屬間化物。近期，出現了高溫鈦合金、復合材料鈦合金、鈦鋁基合金及超強超韌β型鈦合金等新型鈦合金，目前較為常見的是鑄造鈦合金及變形鈦合金。由于鈦合金具有優良的金屬特性，在船舶制造業、航空航天等領域得到了廣泛應用。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，業內已經成功研制出了低成本、高性能的新型鈦合金。新型鈦合金很可能成為地鐵車輛的新材料，幫助解決地鐵車輛的現有難題。鈦合金的優良特性主要體現在如下幾個方面。（1）密度小。鈦合金的密度為4.5g/cm3左右，與鋼相比，可減重40%以上。（2）比強度高。鈦合金具有很高的強度，其抗拉強度≥1350MPa，密度小，故比強度很高。（3）可焊性好。焊縫強度可達到基材90%以上，熱影響區小，可以二次焊接，可修復。（4）耐腐蝕性能優異。鈦與氧有很強的親合力，鈦合金表面可形成氧化膜使鈦合金鈍化而不受腐蝕，無需涂層保護，降低制造成本，保護環境。（5）抗疲勞性能優異。以鈦合金為機體的美國黑鳥偵察機，在24年服役期內未出現機體損壞，驗證了鈦合金優異的抗疲勞性能。
2鈦合金過渡車鉤在地鐵車輛中的應用
由于鈦合金具有如此多的優良特性，各國都紛紛投入大量的人力資源進行研發，并將相應技術應用于實體工業中。雖未見到國內外有將鈦合金過渡車鉤應用于地鐵車輛的相關報道，但國內已有單位研制出了適用于高鐵動車組和地鐵車輛的鈦合金過渡車鉤。目前，該鈦合金過渡車鉤仍處于試驗階段。不過，試驗測得的數據表明，此鈦合金過渡車鉤滿足現場使用要求，可以應用于高鐵動車組及地鐵車輛密接式車鉤與救援機車車鉤的連接。
2.1鈦合金過渡車鉤的靜強度計算
在三維建模軟件CATIA中建立鈦合金過渡車鉤的幾何模型，并將模型導入ANSYSWorkbench軟件。先定義鈦合金材料屬性，再對鈦合金過渡車鉤進行網格劃分。有限元模型采用solid186實體網格離散，最終有限元模型共有385384個節點和404591個四面體實體單元。對有限元模型施加載荷，設定邊界條件，求解，最后利用軟件的后處理功能，查看計算結果。圖1、圖2分別是鈦合金過渡車鉤的幾何模型、有限元模型。圖3是鈦合金過渡車鉤在拉伸載荷為950kN時的應力云圖，結果表明鈦合金過渡車鉤滿足靜強度要求。
2.2鈦合金過渡車鉤的試驗
與普通過渡車鉤相比，鈦合金過渡車鉤具有質量輕、強度高、可焊性好、阻尼特性好、耐腐蝕和抗疲勞等6大優勢。以某單位研制的地鐵鈦合金過渡車鉤為例，每套鈦合金過渡車鉤包含10型、13號鈦合金過渡車鉤2個分體單件，總質量為40kg，相比于70kg的普通過渡車鉤，減重40%以上。普通過渡車鉤采用Q345鋼材質，屈服強度在400MPa以內，鈦合金過渡車鉤，屈服強度超過800MPa，可見鈦合金過渡車鉤的屈服強度遠遠高于普通過渡車鉤的屈服強度。在滿足強度要求的情況下，減輕了車鉤重量，實現車輛的輕量化。為降低運行阻力，節省牽引及制動需要的能量，改善車輛動力學性能提供了技術支持。由于每套鈦合金過渡車鉤的質量為40kg，分體單件在20kg左右，單人便可完成整個操作過程，大幅降低了工作人員的勞動強度和人力成本，提高了工作效率。表1給出了普通過渡車鉤與鈦合金過渡車鉤的性能對比。圖4、圖5分別是地鐵10型、13號鈦合金過渡車鉤。10型和13號鈦合金過渡車鉤在試驗臺已進行過拉伸工況和壓縮工況的試驗，2個鈦合金過渡車鉤在拉伸載荷為750kN和壓縮載荷為850kN時，鉤體均未發生斷裂。卸載后檢查鉤體，10型鈦合金過渡車鉤鉤體、主軸、鉤舌和連掛桿無明顯變形；13號鈦合金過渡車鉤鉤舌面無明顯變形、無損傷。在整個試驗過程中，鈦合金過渡車鉤后端插隼結構沒有發生變形，試驗結束后連接銷可以順暢地插入和拔出插隼結構的插孔。圖6、圖7分別是拉伸、壓縮試驗后的鈦合金過渡車鉤。試驗結果表明，10型和13號鈦合金過渡車鉤均滿足拉伸750kN和壓縮850kN的試驗載荷要求，輕量化的車鉤滿足當前車鉤運行的安全需要。鈦合金材料良好的可焊性大大降低了鈦合金過渡車鉤的焊接難度，同時，焊縫的熱影響區較小，這使得焊縫對鈦合金基材強度和變形的影響降低很多，且焊縫強度可達到鈦合金基材90%以上。焊接結構都存在焊接缺陷，鈦合金良好的焊接性能使焊縫對鈦合金過渡車鉤性能的影響降低很多。從制造方面來看，一個不存在或含有極少原始缺陷的鈦合金過渡車鉤，才是保證其具有高強度、抗沖擊、耐疲勞等優良特性的本質原因。表2給出了鈦合金基材與焊接接頭力學性能情況。圖8是鈦合金基材與焊接接頭的顯微組織圖。過渡車鉤在滿足強度要求的前提下，還應具有良好的抗沖擊能力，提高救援機車的連掛速度，降低救援機車司機的操作難度。與普通車鉤相比，鈦合金過渡車鉤因具有優良的阻尼特性，可以減小車輛之間的縱向沖擊。同時，還可以減少因沖擊力過大造成的其它零部件損傷，降低車輛運行噪聲。表3給出了鈦合金與其他材料的衰減率及屈服強度，衰減率是表征材料阻尼特性的重要指標。鈦合金過渡車鉤具有良好的耐腐蝕性，車鉤表面無需噴漆就已具有高防腐的性能，這使得車鉤不受地鐵車輛所處外界環境的影響。由鈦合金材料特性可知，鈦合金過渡車鉤還具有良好的抗疲勞性，下一步將進行相關的疲勞試驗。待疲勞性能試驗數據達到相關標準后，才可將鈦合金過渡車鉤試用于地鐵車輛。當地鐵車輛發生故障或意外事故需要救援時，鈦合金過渡車鉤可實現單人操作，大幅降低了救援人員的勞動強度，提高了工作效率。同時，隨著車鉤強度的提高，地鐵車輛救援對接速度可從3km/h提高到5km/h，大大降低了救援機車司機的操縱難度。但是，鈦合金過渡車鉤目前仍處于試驗階段，待所有測試數據符合標準后，才能將鈦合金過渡車鉤試用于地鐵車輛。另外，鈦合金價格偏高，還要考慮性價比的問題。
3結論與建議
（1）鈦合金過渡車鉤具有很多優良性能，適用于地鐵車輛，但其可靠性還未得到驗證。需多方攜手試驗、共同研究優化，爭取早日將鈦合金過渡車鉤應用于地鐵車輛。（2）目前來看，價格是限制鈦合金過渡車鉤應用于地鐵車輛最主要的原因。可以先對鈦合金材料進行研究，并測試鈦合金過渡車鉤的性能，尤其是疲勞性能。到技術相對成熟，成本降低后再批量應用。
作者:穆云飛 黃志輝 張科 單位:西南交通大學牽引動力國家重點實驗室 沈陽中鈦裝備制造有限公司