城市轨道车辆车体材料选择

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摘 要〗城市轨道交通车辆的车体选材，是关系到运营的“安全、可靠、快速、轻量、经济 、适用”的重大因素之一。对耐候钢、不锈钢、铝合金车体的材料和结构特点进行分析、比较。探讨了针对城市轨道交通特点和对车辆的要求，合理选择车体材料问题。对不同材料车体的发展动向作了介绍。

〖关键词〗城市轨道车辆，车体，材料选择

车体是车辆结构的主体。车体的强度、刚度，关系到运行安全可靠性和舒适性；

车体的防腐耐腐能力、表面保护和装饰方法，关系到车辆外观、寿命和检修制度；车体的重量，则关系到能耗、加减速度、载客能力乃至列车编组形式(动拖比)。以上所述都直接影响运营质量和经济效益。车体结构形式、性能和技术经济指标主要取决于车体材料。故车体选材一开始就成为选择城轨系统时必须同时考虑的诸多重大要素之一。

1 轨道车辆的车体结构和材料

1.1 车体和车体结构的分类

车体结构按使用的主要材料可分为普通碳钢车(现已停产)、高耐候结构钢(耐候钢)车、车辆专用经济不锈钢(不锈钢)车和铝合金车。

按承载方式分类，有底架承载、侧壁承载、整体承载三种方式。

按结构形式分，有板梁组合结构、开口型材与大型中空型材组合结构以及大型中空型材结构三种形式。这些结构又同时属于整体承载结构。

从板与梁(柱)、梁(柱)与梁(柱)之间的结合方式来分，有焊接、铆接、螺柱(钉)粘结连接或混合连接结构。我国和日本大多采用焊接结构。焊接-铆接或焊接-螺栓(钉)连接在欧洲应用较多。

整体承载结构，即所有车体承载构件和外板都参与承载，这样能充分发挥所有承载零部件的承载作用，有效地减轻车体重量。特别是板梁组合结构，原则上可按照有限元法的车体强度 、刚度计算结果来分配材料：强度不足部位补强，刚度不足部位补刚，强度刚度富余的部位将材料去掉，从而收到最佳的轻量效果。

1.2 耐候钢车体

耐候钢车体采用板梁组合整体承载全焊接结构。

制造厂先将购进的冷轧定尺板材或将热孔卷料开卷、矫平，切断的板材经磷

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化预处理。车体 的外板(一般厚为2mm)，是将预处理后的板材用缝焊机接宽接长； 梁柱则将预处理后的板材 (一般厚2.5mm)剪切下料、轧压、冷弯或拉延成型。对于像底架边梁、车顶侧板那样大型板梁，一般可采用冷弯型材(厚3～6 mm)。板和梁(柱)间采用点焊或塞焊，梁柱间采用弧焊(用焊条或二氧化碳气体保护焊)。

车体采用大部件组装方式：将底架、侧墙、车顶、端墙部件预先组成后再组成车体。经变形矫正(打平)后的车体送到油漆工序。底漆、面漆涂完后钢结构车体才算完成(也可在车辆总成涂面漆)。

在车体设计开始，梁柱布置完成后用三维有限元法进行车体强度计算。在头一辆车体制造完工后，进行强度试验。车体的强度试验属于形式试验，即同种车只试验一台，在油漆前进行。车体需经钢结构强度试验通过后才能批量投产。

与铝合金、不锈钢车体相比，耐候钢车体有材料费、制造费低以及工艺性好、造型容易的明显优势，但也存在重量较大、耐腐蚀性不大好而导致运用成本高的劣势。

1.3 不锈钢车体

不锈钢车体结构与耐候钢车体一样也是采用板梁组合整体承载全焊结构。由于使用的板材更薄(车体外板厚0.4～1.2mm ，梁柱厚0.8～3mm)，须采用大量薄板(一般为0.8mm)轧压成补强(刚)型材与外板点焊连接形成空腔，借以提高外板的刚度、强度。这是不锈钢车的结构特征之一。为了不降低板材强度和减小变形，应尽量采用点焊。特别是强度级高的材料不允许任何形式的弧焊。梁柱之间采用平面或立体接头、点焊。板的拼接采用搭接缝焊。采用接触焊代替弧焊是不锈钢车的又一特征和技术关键。

新型不锈钢车体采用超低碳(C ＜0.03%)的SUS301L 车辆专用经济不锈钢，通过压延率的不同分成LT 、DLT 、ST 、MT 、HT 5个强度级。SUS301L 的改性压延状态机械性能代号HT 的屈服点在 961 Ｎ／mm ２以上，拉伸强度在1275 N/mm ２以上(超过耐候钢一倍以上)。但其纵向弹性模量(E)却只有钢的85%(钢的 E ＝２．０６×１０ ５ N/mm ２，不锈钢的 E ＝１．７６×１ ０ ５ Ｎ／mm ２)，这意味着不锈钢车体比同样结构(当然结构是有很大不同的)的耐候钢车刚度要小。刚度下降将导致舒适性下降。这就是不锈钢车体设计时尽量设法增大刚度的原因。

不锈钢车体制造过程中虽然不必进行防腐保护，完工后也不需涂漆，但为了提高装饰性，板材自带线条或梨皮点状装饰。车辆制造厂家可自己进行某种修饰，也可用彩色胶膜装修。由于车体表面装饰大多是原材料带有的，因此在焊接前的加工过程中要贴膜保护，在制造的全过程要小心操作。

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为了降低制造成本或提高工艺性，对这种车体上没有腐蚀倾向的部位，通常采用普通钢或耐候钢，如牵引梁、枕梁、侧门内立柱的下部(距地板面300mm 以上)内端墙立柱等。因此，即使轻量化不锈钢车体也大约有30%的普通钢或耐候钢。

不锈钢车体比耐候钢车体大约可轻30%～40%，另外还不需涂漆(干膜油漆重量大约200～300kg/车)。

不锈钢车体的制造工艺性远不如钢车，不能采用弧焊；特别是不锈钢成形困难，因此不锈钢车体的前端造型若特别复杂或数量很少时，不得不采用钢材或玻璃钢制造(涂漆)。

由于现在生产的不锈钢车体大量采用点焊，密封性不如连续焊，因此不适用于频繁进出隧道等导致车内外压差大的高速车车体。

日本最新的不锈钢车体是1993年完成的209系电车采用的两种形式的结构：一种是侧墙外板为平板、内部仍然采用压型型材的骨架(含补强)，但板厚进一步减小(侧墙外板厚1.2mm ， 车顶、地板波纹板厚0.6mm ，弯梁、立柱厚1mm)；另一种形式采用SUS304材料的内外双层板点焊结构，内板上带有凸起代替骨架。东日本旅客铁道(株)、新日本制铁(株)、东急 车辆制造(株)等三家公司最近共同试制出了“不锈钢双层复合板车体”，其目的在于能像铝合金中空型材车体那样减少零部件数量和焊接工作量，以降低制造成本和提高外板平滑性，提高产品质量。预计4～5年后这种新车将会投入使用。

1.4 铝合金车体

铝合金车体从结构形式上可分为：板梁、大型开口型材和大型中空闭口型材及其组合形式。

板梁式铝合金车体在结构形式上类似于耐候钢车体，但为了提高断面系数，防止板材由于剪力产生失稳现象，因此加大板厚(一般取钢板的1.4倍，最薄用到2mm)。铝合金车体的薄板焊接非常困难，技术水平要求高，而且变形大矫正困难，因此必须采用接触焊。

开口型材将板、梁合成一体，简化了车体制造工艺，提高了质量，但成本也相应增加。

铝合金车体目前普遍采用的结构是大型桁架式中空型材组焊式(一般采用自动弧焊)。