Применение пружины из титанового сплава для локомотива
Высокопрочный титановый сплав является одним из лучших материалов-кандидатов для изготовления авиационных пружин. Первое применение пружин из титанового сплава началось в 1970 году, когда McDonnell Douglas использовала пружины из сплава Ti-13V-11Cr-3Al в широкофюзеляжном самолете DC-10, в основном в пружинах носового и основного замка шасси, а также в пружинах управления рулем высоты и элеронами.
В 1971 году RMI изобрела метастабильный титановый сплав Beta-C (TB9). Помимо высокой прочности и низкого модуля, сплав также обладает превосходными свойствами холодной обработки и может быть легко подготовлен в пружинную проволоку. Титановый сплав TB9 постепенно заменил труднообрабатываемый сплав Ti-13V-11Cr-3Al и использовался в качестве пружины баланса для двери салона узкофюзеляжного самолета Boeing 757, что позволило снизить вес до 66,6%. Позднее пружины из титанового сплава TB9 также использовались в Boeing 777, Airbus A330, A340 и других моделях.
Помимо авиационной сферы, титановые сплавы также имеют много преимуществ и примеров применения в локомотивных пружинах. Во-первых, титановый сплав обладает превосходной коррозионной стойкостью, что может сократить сложный процесс антикоррозионной обработки, особенно в суровых условиях, и может обеспечить долгосрочную стабильную службу пружин и снизить расходы на техническое обслуживание транспортных средств. Во-вторых, плотность титанового сплава составляет всего около 60% от плотности стали, а модуль упругости и модуль сдвига титанового сплава составляют около половины от таковых у стали. Эффективное количество витков, необходимое для проектирования титановых пружин, составляет всего половину от количества стальных пружин, поэтому теоретическое снижение веса может достигать около 70%. Согласно фактическим требованиям к нагрузке и сборке локомотивных пружин, использование пружин из титанового сплава может снизить вес на 40%~60%. Уменьшение веса пружины может не только сэкономить энергию и увеличить пробег транспортного средства, но и помочь улучшить гибкость и управляемость транспортного средства.
Кроме того, пружины из титанового сплава также обладают хорошими демпфирующими характеристиками. Для ускорения и замедления во время движения требуется меньше энергии. Меньший вес или меньшая энергия могут вызвать упругую деформацию, делая движение под нагрузкой более плавным и контролируемым. В настоящее время во многих мотоциклах и велосипедах используются пружины из титанового сплава средней прочности (TC4) для замены стальных пружин, в основном из-за хороших демпфирующих характеристик пружин из титанового сплава, что повышает комфорт в условиях неровной дороги.
В то же время, есть много деталей, на которые необходимо обратить внимание при проектировании пружин из титанового сплава. Например, текущий стандарт проектирования пружин GB/T 23935-2009 "Проектирование и расчет цилиндрических винтовых пружин" в основном нацелен на стальные пружины, а угол наклона винтовой линии пружины составляет от 5 до 9 градусов. Однако пружины из титанового сплава имеют низкие модуль упругости и модуль сдвига, небольшое количество эффективных витков и угол наклона винтовой линии, который часто превышает 9 градусов. Существующие стандарты и формулы расчета не могут удовлетворить требованиям к проектированию пружин из титанового сплава, и формулу расчета жесткости необходимо изменить.