Дизајн примене опруге од легуре титанијума за локомотиву

Легура титанијума високе чврстоће је један од најбољих материјала кандидата за припрему ваздухопловних опруга. Прва примена опруга од легуре титанијума почела је 1970. године, када је МцДоннелл Доуглас користио опруге од Ти-13В-11Цр-3Ал легура у ДЦ-10 широкотрупним авионима, углавном у носу и опругама главне браве за слетање, као и опругама за управљање лифтом и крилцима.

Године 1971. РМИ је изумео Бета-Ц (ТБ9) метастабилну легуру титанијума. Поред високе чврстоће и ниског модула, легура такође има одличне карактеристике хладне обраде и може се лако припремити у опружну жицу. Титанијумска легура ТБ9 постепено је заменила легуру Ти-13В-11Цр-3Ал која се тешко обрађује и коришћена је као балансна опруга за врата кабине ускотрупног авиона Боеинг 757 , смањујући тежину до 66,6%. Касније су опруге од легуре титанијума ТБ9 коришћене и на Боеинг 777, Ербас А330, А340 и другим моделима.

Осим у области ваздухопловства, легуре титанијума такође имају многе предности и примере примене у опругама локомотива. Прво, легура титанијума има одличну отпорност на корозију, што може смањити сложени процес третмана против корозије, посебно у тешким окружењима, и може осигурати дугорочну стабилну услугу опруга и смањити трошкове одржавања возила. Друго, густина легуре титанијума је само око 60% од густине челика, а модул еластичности и модул смицања легуре титанијума су око половине од челика. Ефективни број намотаја потребан за пројектовање титанијумских опруга је само половина броја челичних опруга, тако да теоријско смањење тежине може достићи око 70%. У складу са стварним оптерећењем и захтевима за монтажу опруга локомотиве, употреба опруга од легуре титанијума може смањити тежину за 40% ~ 60%. Смањење тежине опруге не само да може уштедети енергију и повећати километражу возила, већ и помоћи у побољшању флексибилности и управљања возилом.

Поред тога, опруге од легуре титанијума такође имају добре карактеристике пригушења. Мање енергије је потребно за убрзање и успоравање током кретања. Мања тежина или мање енергије могу узроковати еластичну деформацију, чинећи кретање под оптерећењем глаткијим и подложнијим. Тренутно, многи мотоцикли и бицикли користе опруге од легуре титанијума средње чврстоће (ТЦ4) за замену челичних опруга, углавном због добрих карактеристика пригушења опруга од легуре титанијума, што побољшава удобност у условима неравног пута.

Истовремено, постоји много детаља на које треба обратити пажњу у дизајну опруга од легуре титанијума. На пример, тренутни стандард за дизајн опруге ГБ/Т 23935-2009 „Пројектовање и прорачун цилиндричних спиралних опруга“ је углавном усмерен на челичне опруге, а угао спирале опруге се креће од 5 степени до 9 степени. Међутим, опруге од легуре титанијума имају низак модул еластичности и модул смицања, мали број ефективних намотаја и угао спирале који је често већи од 9 степени. Постојећи стандарди и прорачунске формуле не могу да испуне захтеве за пројектовање опруга од легуре титанијума, па је потребно изменити формулу за прорачун крутости.