Applikasjonsdesign av titanlegeringsfjær for lokomotiv

Høyfast titanlegering er et av de beste kandidatmaterialene for fremstilling av flyfjærer. Den første bruken av titanlegeringsfjærer begynte i 1970, da McDonnell Douglas brukte Ti-13V-11Cr-3Al-legeringsfjærer i DC-10 bredkroppsfly, hovedsakelig i nese- og hovedlandingslåsfjærer, samt heis- og rullefjærkontrollfjærer.

I 1971 oppfant RMI Beta-C (TB9) metastabil titanlegering. I tillegg til høy styrke og lav modul, har legeringen også utmerkede kaldbehandlingsegenskaper og kan enkelt prepareres til fjærtråd. TB9 titanlegering erstattet gradvis den vanskelige å behandle Ti-13V-11Cr-3Al-legeringen og ble brukt som balansefjær for kabindøren til Boeing 757 smalkroppsfly , noe som reduserer vekten med opptil 66,6 %. Senere ble TB9 titanlegeringsfjærer også brukt på Boeing 777, Airbus A330, A340 og andre modeller.

I tillegg til luftfartsfeltet har titanlegeringer også mange fordeler og brukseksempler i lokomotivfjærer. For det første har titanlegering utmerket korrosjonsmotstand, noe som kan redusere den komplekse anti-korrosjonsbehandlingsprosessen, spesielt i tøffe miljøer, og kan sikre langsiktig stabil drift av fjærer og redusere vedlikeholdskostnadene til kjøretøy. For det andre er tettheten til titanlegering bare omtrent 60 % av den for stål, og elastisitetsmodulen og skjærmodulen til titanlegeringen er omtrent halvparten av stålets. Det effektive antallet spoler som kreves for utformingen av titaniumfjærer er bare halvparten av det for stålfjærer, så den teoretiske vektreduksjonen kan nå rundt 70%. I henhold til de faktiske belastnings- og monteringskravene til lokomotivfjærer, kan bruken av titanlegeringsfjærer redusere vekten med 40% ~ 60%. Vektreduksjon med fjær kan ikke bare spare energi og øke kjøretøyets kjørelengde, men også bidra til å forbedre fleksibiliteten og håndteringen av kjøretøyet.

I tillegg har titanlegeringsfjærer også gode dempningsegenskaper. Mindre energi kreves for akselerasjon og retardasjon under bevegelse. Lavere vekt eller mindre energi kan forårsake elastisk deformasjon, noe som gjør bevegelsen under belastning jevnere og mer kontrollerbar. For tiden bruker mange motorsykler og sykler middels sterke titanlegeringsfjærer (TC4) for å erstatte stålfjærer, hovedsakelig på grunn av de gode dempingsegenskapene til titanlegeringsfjærer, som forbedrer komforten under humpete veiforhold.

Samtidig er det mange detaljer som må tas hensyn til i utformingen av titanlegeringsfjærer. For eksempel er den nåværende fjærdesignstandarden GB/T 23935-2009 «Design and Calculation of Cylindrical Helical Springs» hovedsakelig rettet mot stålfjærer, og fjærens helixvinkel varierer fra 5 grader til 9 grader . Imidlertid har titanlegeringsfjærer lav elastisitetsmodul og skjærmodul, et lite antall effektive spoler og en helixvinkel som ofte er større enn 9 grader. De eksisterende standardene og beregningsformlene kan ikke oppfylle designkravene til titanlegeringsfjærer, og stivhetsberegningsformelen må endres.