يعد النقل بالسكك الحديدية نوعًا من وسائل النقل الآمنة والمريحة وحماية البيئة وتوفير الطاقة، وهو جزء مهم من وسائل النقل العام في الصين. يتوسع نطاق بناء النقل بالسكك الحديدية عامًا بعد عام، وتتزايد شبكة التشغيل، ويتزايد استهلاك الطاقة بشكل ملحوظ. يمثل استهلاك طاقة الجر حوالي 30% من إجمالي استهلاك الطاقة في النقل بالسكك الحديدية. إذا تم تقليل وزن السيارة بنسبة 10%، فيمكن تقليل استهلاك الطاقة بنسبة 6% ~ 8%.
مع الترويج القوي لبناء النقل بالسكك الحديدية في الصين، أصبحت صناعة معدات النقل بالسكك الحديدية أيضًا في فترة فرصة التطوير للنمو السريع خلال فترة الخطة الخمسية الرابعة عشرة. تعد احتياجات تطوير معدات النقل بالسكك الحديدية أكثر إلحاحًا من حيث المواد الجديدة والتقنيات الجديدة والعمليات الجديدة، خاصة في اتجاه الوزن الخفيف والنسب والحمولة الثقيلة عالية السرعة والذكاء الأخضر للمعدات. لقد جذبت سبائك التيتانيوم انتباه صناعة النقل بالسكك الحديدية نظرًا لخصائصها ذات الكثافة المنخفضة والقوة المحددة العالية وقابلية اللحام الجيدة والمقاومة الجيدة للتآكل، ونفذت تدريجيًا دراسة جدوى سبائك التيتانيوم للمنتجات ذات الصلة والتطبيقات على متن الطائرة.
الحالة البحثية لسبائك التيتانيوم 02 في مركبات النقل بالسكك الحديدية
2.1 إطار العربة من سبائك التيتانيوم
يعد Bogie أحد أهم مكونات مركبات السكك الحديدية، والذي يرتبط بشكل مباشر بجودة التشغيل والأداء الديناميكي وسلامة قيادة مركبات السكك الحديدية. الإطار هو الناقل لتجميع مكونات العربة، بما في ذلك بشكل عام العارضة الجانبية والعارضة ومقعد التعليق المطلوب لتركيب المعدات ذات الصلة. يمكن لإطار سبائك التيتانيوم تحقيق القوة العالية وهيكل العربة خفيف الوزن، وتقليل كتلة الزنبرك وكتلة الزنبرك، ومن ثم تحسين القوة بين العجلة والسكك الحديدية، وتحسين سلامة وموثوقية تشغيل هيكل العربة.
في لحام إطار العربة من سبائك التيتانيوم، يتم استخدام سبائك التيتانيوم TA2 وTA18. على أساس تلبية قوة الإطار الحالي، يتم تقليل الكتلة الإجمالية لإطار العربة بحوالي 40%، كما هو موضح في الشكل 1 والشكل 2. في عملية تطوير إطار سبائك التيتانيوم، يتم حل المشكلات الفنية للتشوه الكبير في عملية اللحام لتكوين العارضة الجانبية لسبائك التيتانيوم، تم حل مشكلة عدم قدرة بعض الوصلات الملحومة على الحماية بشكل فعال بواسطة الغاز الخامل. بعد اللحام، تم التخلص من الإجهاد الداخلي المتبقي للحام عن طريق المعالجة الحرارية الفراغية، واستوفى إطار سبائك التيتانيوم متطلبات مؤشرات التصميم الحالية، والتي جمعت البيانات الأساسية لمزيد من التحسين الهيكلي وتصميم إطار سبائك التيتانيوم.
تين. 1 تكوين الحزم الجانبية لإطار سبائك التيتانيوم
تين. 2 إطار من سبائك التيتانيوم
2.2 مشبك الفرامل من سبائك التيتانيوم
باعتباره الجزء الأساسي من نظام الكبح، فإن أداء ووظيفة مشبك الفرامل يؤثر بشكل مباشر على حالة التشغيل وجودة نظام الكبح. تطبيق مشبك الفرامل من سبائك التيتانيوم يمكن أن يقلل الكتلة تحت وبين الينابيع، ويحسن جودة التشغيل ويحسن قدرة مقاومة التآكل؛ في ظل بيئة درجة الحرارة المنخفضة، يكون أداء القوة الهيكلية أكثر استقرارًا.
يظهر الشكل 3 مشبك الفرامل ثلاثي النقاط من سبائك التيتانيوم. يتم استخدام سبائك التيتانيوم TC4 لمكونات الحمل الرئيسية مثل التعليق، ودعم وسادة الفرامل، والمقعد المعلق، ورأس الأسطوانة، وأنبوب المكبس، وقناة رأس الأسطوانة، والنير والرافعة، مع انخفاض إجمالي الوزن قدره 17.6 كجم. تم إجراء اختبار القوة، اختبار الختم للضغط المنخفض والضغط العالي في درجة حرارة الغرفة، اختبار حساسية درجة حرارة الغرفة، اختبار تعديل الخلوص الأولي، اختبار ضبط الخلوص الأقصى واختبار تخفيف الخلوص على التوالي لوحدة مشبك الفرامل من سبائك التيتانيوم. تظهر نتائج الاختبار أن وحدات مشبك الفرامل المصنوعة من سبائك التيتانيوم تلبي المتطلبات الوظيفية، وفي الوقت نفسه، اجتازت مليون اختبار تعب واختبار اهتزاز التصادم. في بيئة درجة الحرارة المنخفضة البالغة -50 درجة، بعد 48 ساعة، تكون وظائف وحدة مشبك الفرامل المصنوعة من سبائك التيتانيوم طبيعية، مما يشير إلى أن مشبك الفرامل المصنوع من سبائك التيتانيوم يتمتع بمقاومة قوية لدرجات الحرارة المنخفضة ومناسب للاستخدام في درجات الحرارة المرتفعة بيئة.
تين. 3 وحدة مشبك فرامل من سبائك التيتانيوم ثلاثية النقاط
2.3 مقرنة انتقال سبائك التيتانيوم
قارنة التوصيل الانتقالية هي قارنة توصيل تستخدم لربط نوعين مختلفين من قارنة التوصيل، لضمان النقل الآمن والسلس للقاطرة للمركبات التي سيتم إصلاحها، في حين أن قارنة التوصيل الانتقالية المستخدمة تتطلب التحميل والتفريغ اليدوي المتكرر. وفقًا لـ UIC660، يجب ألا يتجاوز الوزن الفردي لقارنة التوصيل الانتقالية 50 كجم. ومع ذلك، فإن قارنة التوصيل الانتقالية الحالية ثقيلة في الهيكل، الأمر الذي يتطلب حملها من قبل العديد من الأشخاص في نفس الوقت أثناء التحميل والتفريغ. في حالة وقوع حادث أثناء المناولة، فإنه سيؤدي أيضًا إلى إصابة شخصية لموظفي الصيانة.
تم تصميم قارنة التوصيل الانتقالية خفيفة الوزن من سبائك التيتانيوم. استنادًا إلى طريقة الكثافة المتغيرة، تم استخدام وحدة تحسين الشكل في ANSYSWorkbench لتحسين طوبولوجيا قارنة التوصيل الانتقالية، وتم تصميم الهيكل خفيف الوزن لقارنة التوصيل الانتقالية المصنوعة من سبائك التيتانيوم وفقًا لنتائج تحسين الهيكل. تزن قارنة التوصيل الانتقالية المصنوعة من سبائك التيتانيوم خفيفة الوزن 42.15 كجم. بالمقارنة مع قارنة التوصيل الفولاذية الأصلية من الدرجة E، فإن تقليل الوزن يصل إلى 58.15 كجم، ونسبة تخفيض الوزن تصل إلى 57.98%.
قامت إحدى شركات CRRC بتطوير قارنة التوصيل الانتقالية من سبائك التيتانيوم، كما هو موضح في الشكل 4 والشكل 5. يزن خطاف الوحدة الواحدة حوالي 20 كجم، ويمكن لشخص واحد إكمال عملية التشغيل بأكملها. في اختبار حمل الشد 750 كيلو نيوتن واختبار حمل الضغط 850 كيلو نيوتن، لم ينكسر خطاف قارنة التوصيل، كما هو موضح في الشكل 6. بعد التفريغ، تم فحص جسم قارنة التوصيل وفحصه ككل، ولم يكن هناك أي تشوه أو تلف واضح في جميع أجزاء سبائك التيتانيوم من النوع 10 والنوع 13 المقرنة الانتقالية. تظهر نتائج الاختبار أن قارنة التوصيل الانتقالية المصنوعة من سبائك التيتانيوم خفيفة الوزن تتميز بوزن خفيف وقوة عالية وكفاءة تشغيل عالية، وتلبي احتياجات السلامة لتشغيل قارنة التوصيل الانتقالية الحالية، كما أن هناك أيضًا جدوى لمزيد من الوزن الخفيف.
تين. 4 قارنة التوصيل من سبائك التيتانيوم موديل 10
الشكل 5. قارنة التوصيل من سبائك التيتانيوم موديل 13
تين. 6 اختبار الشد والضغط لقارنة التوصيل من سبائك التيتانيوم 10
في إنتاج المخروط المحدب لمقرنة النقل لمترو الأنفاق من سبائك التيتانيوم، تتبنى شركة Shenyang Zhongti Equipment Manufacturing Co., Ltd. عملية تشكيل قالب لوحة التيتانيوم ولحام الضلع. بالمقارنة مع عملية الصب الأصلية للمخروط المحدب الفولاذي، فإن هذه الطريقة تتميز بقابلية تشكيل جيدة وكفاءة عالية وأداء جيد للمخروط المحدب. يظهر شكل مخروط محدب لتزوير سبائك التيتانيوم في الشكل 7.
الشكل 7. مخروط محدب من التيتانيوم مزور وملحوم جزئيًا
2.4 قضيب السحب
يتكون جهاز الجر المركزي بشكل أساسي من دبوس الجر المركزي، ومجموعة قضيب ربط الجر (بما في ذلك قضيب الربط والمفاصل الكروية المطاطية في كلا الطرفين) ومسمار التوصيل. وتتمثل وظيفتها الرئيسية في تحقيق الاتصال بين جسم السيارة والعربة، وتحقيق نقل قوة الجر وقوة الكبح. هيكل قضيب الجر بسيط، وعملية التشكيل بسيطة نسبيًا. إن استبدال مادة سبائك التيتانيوم لا يحقق تأثير تقليل الوزن فحسب، بل يحسن أيضًا معدل استخدام المواد من خلال استخدام نظام تزوير القالب، ولن يتم تحسين التكلفة الإجمالية بشكل كبير.
يتم تصنيع قضيب الجر المصنوع من سبائك التيتانيوم بشكل مشترك من قبل شركة CRRC Sifang Co., Ltd. وشركة China Titanium Equipment Co., Ltd. جزئيًا بعد تشكيل القالب، ويمكن أن يصل معدل استخدام المواد إلى أكثر من 50%، ويتم تقليل الوزن الإجمالي بنسبة حوالي 42%. إن تأثير خفض الوزن واضح جدًا، كما هو موضح في الشكل 8 والشكل 9.
تين. 8 نموذج تزوير لقضيب الجر
تين. 9 الخروج من حالة قضيب السحب بعد تزوير القالب
الحجم والخصائص الميكانيكية لقضيب الجر المصنوع من سبائك التيتانيوم تلبي متطلبات الاستخدام. من أجل ضمان التشغيل الآمن لـ EMU، يجب التحقق من القوة الثابتة وقوة الكلال لقضيب ربط الجر من سبائك التيتانيوم تحت الحمل المقابل من خلال الاختبارات وفقًا للشروط الفنية لقضيب ربط الجر للعربة. نظرًا لأن معامل المرونة لسبائك التيتانيوم يبلغ حوالي نصف معامل المرونة للفولاذ، فمن الضروري أيضًا التحقق من تأثير صلابة قضيب ربط الجر الخاص بسبائك التيتانيوم على وضع اهتزاز العربة والمركبة والأداء الديناميكي للمركبة أثناء الجر والكبح .
