軌道交通車輛應（yīng）用越來越廣，對其要求也越來越高，例如（rú）高速運行（háng）、沿海地區運用時的防腐蝕以（yǐ）及（jí）為了進一步提高性價比而降低簧下重量等，傳統（tǒng）金屬材料已難以滿足這些特殊的使用要求，急需新材料來取（qǔ）代。鈦合金材（cái）料的許多優越性（xìng）能很適合（hé）用於軌道交通車輛，但由（yóu）於價格（gé）的（de）原因，一直未進行這方麵的嚐試。隨著電解法製備海綿鈦即將實現工業（yè）化，海綿鈦成本（běn）越來越低，加之我國鈦資源豐富，因此（cǐ），鈦合金材料應用在軌道交通車輛的前景（jǐng）可期。
目前我國高速動車組***高運行速（sù）度為350km/h（預留380km/h）。速度越高，輪軌間的動作用力就越大，輪軌磨耗也就越嚴重（chóng），舒適性也越差。在速度不變的條件下，降低輪（lún）軌間的動作用力（lì）行之有效的辦（bàn）法就是降低車輛（liàng）的軸重，這其中尤（yóu）以降低簧下重量效（xiào）果***為顯著，見經驗公式（1）。
垂（chuí）向動（dòng）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（fèn）重量，t。
軌道車輛的簧下重量（liàng）對車輛的動力學（xué）性能有著重要的影響，簧下（xià）部分主要包括部分電機（軸（zhóu）懸（xuán）式機（jī）車）、輪（lún）對、齒（chǐ）輪箱和（hé）軸箱等（děng）。
目前在國內運用比較多的CRH3、CRH380B及CRH380BL軸重也都是17toUIC（國際鐵路聯盟（méng））規定，車輛運行速度不（bú）小於250km/h時，軸重不（bú）大於17t。既要考慮強（qiáng）度和剛度要求，還（hái）要考慮低溫（wēn）韌性，同時在低溫運行條（tiáo）件下還（hái）要考慮乘客的（de）防寒、防凍，也就是車輛的保溫性能要好，這些都是車輛軸重的約束條件，很（hěn）多零部件（jiàn）都經過優化設計才使軸重（chóng）達（dá）到這個設計要求，進一（yī）步輕量化難（nán）度非常大，且（qiě）潛力有（yǒu）限，因此，急需高強度、密度小的新材料來取代傳統材（cái）料。
鈦合金（jīn）密（mì）度4.5g/cm3，為鋼密度的57％，強度與鋼相當，替換鋼（gāng）材減重43％，是比強度***高的金屬材料，等強度替換鋁（lǚ）合金減（jiǎn）重20％~30％；同時鈦合金材料本（běn）身具有（yǒu）較好的阻（zǔ）尼，在傳（chuán）力、衰減振動和衰減衝擊方（fāng）麵應（yīng）該有（yǒu）所作為田隨著高速動車（chē）組在我國海南島內開行，腐蝕問（wèn）題開始暴（bào）露，如（rú）受電弓及其上的彈簧等。這些零部件都直接暴（bào）露在含鹽量高、濕度（dù）大的空氣中，且受電弓受流電壓（yā）為25kV，電流通過時，溫度很高，也加劇了其腐（fǔ）蝕速度。目前（qián）這些零部（bù）件都是由鋼材製（zhì）成，成型（xíng）後塗防鏽漆，不能從根（gēn）本上解決問題。
因此，從鈦合金材料（liào）的性能出發，分（fèn）4方麵對其在軌道交通車輛上的應用（yòng）進行（háng）可行性分析和展（zhǎn）望。
鈦合金在（zài）軌道交通車輛中的應用展望
鈦合金彈簧
與鋼彈簧比，鈦合金彈簧具有6個優勢：(1)重量輕；(2)強度（dù）高；(3)阻（zǔ）尼性好；(4)工作溫度範圍廣：一50℃~300℃；(5)工作（zuò）應力低；(6)耐腐蝕。
更重要的是鈦合金材料的斷裂韌性也比較合適，當以減小彈簧體積作為設計依據時，σ/G值（式中：σ一彈簧工作應力，Pa；G一材（cái）料剪切模（mó）量，Pa）可以作為選用材料的判據。鈦合金材料的剪切模量比鋼材小，因此，所需彎成的圈數比鋼質彈簧少，這也進一步降低了鈦合金彈簧重量。
鈦合金材料耐蝕性好、維護成本低，會延長使用壽命。海水中電（diàn）位0.09v，其在大氣、雨水、海洋中腐蝕速率為0，見表1。軌道交通車（chē）輛中轉向架（jià）及受電（diàn）弓上的零部件絕大多數都直接暴露（lù）在外，除了塗一層防鏽漆外沒有任何其他庇（bì）護，鈦合金材料的耐蝕性也比較適合用在軌道交通車輛上，尤其適（shì）合運用於沿海一帶的（de）軌道交通車輛上。
運用現代企（qǐ）業管理（lǐ）方式及多年積累的企業文化，先後與國內（nèi）外30餘（yú）家知名企業建立了配套關係，如中壓電器生（shēng）產線焊接組裝用翻轉工裝， 諾基亞手機生產線配套工裝夾具，鋼（gāng）鐵研究總院光譜分析儀鑄鋁外（wài）殼、衝擊試驗機，北京不鏽鋼異型件加工，北京不鏽鋼零件加工（gōng），空（kōng）氣濾芯衝壓模具。
在軌道交通車輛中，比較重要的彈簧基本都采用51crV4或製成，如（rú）高速動車（chē）組及（jí）機車上（shàng）二係彈簧等（děng），其性能見表2。
圖1是用TB6鈦合金試製成的用於（yú）CRH3高（gāo）速動車組的一係簧（包（bāo）括內簧和外簧），經理論（lùn）計（jì）算和（hé）檢測各項（xiàng）指標均符合動車組（zǔ）的使用要求。以外（wài）簧為例，重量（liàng）由原來（lái）鋼彈簧的32.26kg降低為鈦合金（jīn）彈簧的18.29kg，減輕了43.3％。目前，鈦合金彈簧正在進（jìn）行（háng）200萬次（cì）的疲（pí）勞試驗。因為是取代原合金鋼彈簧，不僅各向剛（gāng）度（包括垂（chuí）向和橫向）要與原彈簧一致，而且還要與原彈（dàn）簧安裝結構完（wán）全一樣，應力也要小於原鋼彈簧，以確保使用壽命不低於原（yuán）鋼彈簧，其設計難度顯然大於彈簧（huáng）的新設計。
圖一：TB6鈦合金彈簧 圖二：ZTC4鈦合金葉（yè）輪
從文獻檢（jiǎn）索可知，鈦合金彈簧尚未用（yòng）於軌道交通車輛，但2001年就在汽車領域（yù）得（dé）到了成功應用。
從鈦合金彈簧試（shì）製情況看，與傳統鋼彈簧的加工工藝及流程基本相（xiàng）同，因此，可有效利用原有加工設備，但也有差別，如熱卷溫度及如何控製（zhì）鈦合金彈簧的回（huí）彈量（liàng）等。現在***缺的是鈦合金彈簧材料的有關疲勞壽（shòu）命數據，目前正著（zhe）手這方麵的試驗研究（jiū）。
軌道交通車輛一般按30年壽命設計，因此，像一係彈簧這些（xiē）重要零部件也是按30年（nián）的設計（jì）壽命計算的，這與（yǔ）汽車（chē）的要（yào）求（qiú）不同。
鈦合金葉輪
在-253℃~550℃溫度範圍，鈦合金具有較（jiào）高的強韌性，比（bǐ）較適合（hé）製造內燃機車（chē）柴油機的增壓器葉輪和汽輪機葉輪，見（jiàn）表3。
圖2為ZTC4材料用真空（kōng）離心澆鑄技術鑄造的葉（yè）輪。原葉輪材料為2618，材料（liào）性能滿足表4要（yào）求（qiú）（試驗溫度23℃±5℃）。由表4可知，鈦合金ZTC4鑄造性能（néng）無論是強度、硬度還是（shì）伸長率都完全滿足葉輪的性（xìng）能要求。鈦合（hé）金葉輪試製後，下一步將開展測（cè）試，尤其要進行模擬運行工況下的疲勞試驗，以檢驗鈦（tài）合金的鑄造工藝和材料的疲勞性（xìng）能。
鈦合金軸箱
在軌道交通（tōng）車輛行業，把套在軸頸上（shàng）連接輪對和轉向架構架或二軸車車體的（de）部件簡稱為軸箱。其作用（yòng）是把車體及構架重量和（hé）載荷傳遞給輪對，潤滑軸頸，減少摩擦，降低運行阻力。軸箱與車軸直接（jiē）通過軸承相連，輪軌動作用力由鋼軌直（zhí）接傳遞給車輪、車軸後，又（yòu）未經任何衰減傳遞給軸（zhóu）箱，因此，軸箱重（chóng）量屬（shǔ）典型的簧下重量，其輕量化尤其具有重要意義。
現階段我國軌道交通（tōng）車輛軸箱普遍采用鑄鐵或（huò）鑄鋼，如機車軸箱采用c級鑄鋼，抗拉強度不小（xiǎo）於620MPa，屈服強（qiáng）度不小於4巧MPa，伸長率不小於22％。鈦合金與其他材料（liào）的比阻尼及屈服強度見（jiàn）表5。顯而易見，鈦合（hé）金材料性能（néng）優勢突出，完全可滿足使（shǐ）用要求，但價格偏高，因此，要著重考慮性價比。
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級鑄鋼（gāng）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（liào）鑄造性能的特點，鈦合金軸箱運用真空離心澆鑄技術製作完成，這與普通的鑄（zhù）鐵、鑄鋼的鑄造技術大不相同，目前正在進行疲勞試驗。預計裝車後會明（míng）顯改善機車的動力學（xué）性能，提升（shēng）鐵路機（jī）車運行的安全性和舒適性。
鈦合金車鉤（gōu）、緩衝器和牽引杆
目前我國（guó）貨車占車輛的絕大多數，其車鉤（gōu）主（zhǔ）要類（lèi）型為13號車（chē）鉤係列，約占95％以上，材料（liào）均為ZG25MnCrNiMoo由於車型不同，車鉤承受的拉壓力也不同，因此，各型號車鉤采用了不同的熱處理方式。13C型車鉤采用正火+回火工藝，13E和13A型車鉤均采用調質處理工藝。用於（yú）重載（zǎi）牽引的巧號轉動車鉤和17號（hào）固定（dìng）車鉤的材質同樣是ZG25MnCrNiMo，但采用淬火+回火的（de）熱處理工藝。其材質性能為：Rm＞827Mpa、Rp＞689MPa、伸長率δ≥14％、斷麵收縮率（lǜ）Ψ≥30％、Akv≥（一40℃）27J。
緩衝器（qì）能耗件材料分（fèn）為摩擦、彈簧、橡膠及液壓4種，如果緩衝器本身采用鈦合金（jīn）材料，不僅能承受各種縱向（即車（chē）鉤方向（xiàng））載荷（hé），且能利（lì）用鈦合金材料的阻尼特性（見（jiàn）表5）耗（hào）散一部分縱向動載荷，這對減小列車的縱（zòng）向衝擊是非常有利的。機車牽引杆有的采用25CrM04無縫鋼管，屈服極限400MPa、材料彈（dàn）性（xìng）模量210GPa、材料泊鬆（sōng）比0.3、材料密度7850kg/m3。
由此可見采用鈦合金材料完全可滿足車鉤、緩衝器及牽引杆的使用要求，但成型卻是問題，因為這些鑄件的零件尺（chǐ）寸都比較大，要投（tóu）入（rù）新（xīn）的設備。現（xiàn）在的車鉤、緩衝器（qì）都是鑄造成型，牽引杆有鑄造（zào）也有鍛造的還（hái）有利（lì）用無縫鋼管製造（zào）的。因此（cǐ），現階段僅僅是（shì）展（zhǎn）望，還未開始試製。隨著技術（shù）的發展，成型應該不會成（chéng）為限製鈦合金製（zhì）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（de）限製，采用新材料是必然的、也是迫（pò）切的，否則（zé）很難滿足使（shǐ）用要求，且這個市場潛力巨大（dà）。
（2）鈦合金材料的很多優越性能都是軌道交通車（chē）輛所需（xū）的，本文4個方麵的（de）展望還隻是探索，還有很多應用等待開（kāi）發，其可（kě）靠性（xìng）更需得到驗證（zhèng）。
（3）從調研情況（kuàng）看，軌道（dào）交通（tōng）車輛市（shì）場沒有壁壘，目前的限製條件就是價格，即鈦合金零部件（jiàn）性價比是否合（hé）適（shì）。可分2步走（zǒu）：******行鈦合金材料的性能試驗及相關（guān）零部（bù）件試（shì）驗，為批量應用摸索和積累經驗，到（dào）技（jì）術相對成熟，成本降（jiàng）低後再批量應用，而不是等成本降（jiàng）低後再投人研究。
（作者：黃誌輝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沈陽泰恒通用技術有限公司）
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