城市轨道交通车辆车体材料的选型分析

城市轨道交通车辆车体材料的选型分析

发表时间：2018-12-17T10:39:56.620Z 来源：《防护工程》2018年第26期作者：王海东

[导读] 则会对能耗大小、加减速度、载客能力、乘客舒适度乃至列车编组形式（动拖比）。以上所述又都直接影响运营质量和经济效益。中车唐山机车车辆有限公司河北唐山 063000

摘要：车体是车辆的关键部件，其材料选型不仅牵涉车辆本身的投资大小、车重、安全性、美观性，而且还影响车辆供货商的选择、投入运营后的运营维修费用、乘客乘坐舒适度、环境影响等，是控制车辆投资、提高服务水平及运营成本的重要因素。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，则会对能耗大小、加减速度、载客能力、乘客舒适度乃至列车编组形式（动拖比）。以上所述又都直接影响运营质量和经济效益。

关键词：轨道交通；车辆车体材料；选型

轨道交通装备制造业是我国自主创新程度最高、国际创新竞争力最强、产业带动效应最明显的高端装备制造行业之一。在新的发展时期，绿色、环保、智能、可持续等理念使公众对轨道交通安全、舒适、环保和可靠的期望不断提高，金属材料制造的传统结构车体在高原、沙漠、高温、高寒和高海拔等复杂多变的服役环境中面临诸多性能挑战。

一、城市轨道交通车辆车体材料的选型

1.材料供货情况。一是不锈钢。以前车辆用不锈钢需要从日本进口，近几年，太原钢铁（集团）有限公司和宝钢不锈钢分公司为国产地铁车辆研发的不锈钢材料经长春客车厂验证，产品质量接近进口产品水平，尤其是表面质量平直度、表面拉丝立体感尤佳，现已应用在北京地铁线上，不锈钢的国产也不存在问题。二是铝合金。目前，国内城轨车辆市场铝合金原材料供货商主要为吉林麦达斯铝业有限公司、山东丛林集团龙口市丛林铝材有限公司、西南铝厂等单位。据了解吉林麦达斯铝业有限公司主要为长客厂供货，山东丛林集团龙口市丛林铝材有限公司主要为四方厂供货，而西南铝厂相对重视军工市场，对于要求较为苛刻的城轨车辆市场积极性不高。

2.不锈钢。（1）制造工艺。不锈钢车体结构采用板梁组合整体承载全焊结构。由于使用的板材较薄，须采用大量薄板（一般为0.8 mm）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。由于车体零件数量少、焊接工作量少，且容易实现自动化，大大降低了车体制造成本，提高了产品质量。在面板、筋板上还贴防震吸音材料，或填充（半填充）聚氨脂泡沫（型材挤压过程中发泡），大大提高了防震隔音效果。就制造工艺来说，铝合金车体比不锈钢车体要简单一些。（2）外观质量。不锈钢车体在制造过程中虽然不必进行防腐保护，也无需涂漆，但为了提高装饰性，板材自带线条或梨皮点状装饰。车辆制造厂家可进行适当修饰，或用彩色胶膜装修，或喷涂水性漆。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。铝合金车体的耐腐蚀性能较差，但中空铝型材平整、挺拔，又可根据用户要求选择不同的装饰和颜色，因此，给人的感觉是庄重、美观，广大乘客容易接受。就外观质量来说，铝合金外观较好，但不锈钢通过最新的工艺采用水性漆也一样可以达到铝合金喷漆后的外观效果。（3）安全性。铝合金材料的屈服强度为200 ～260 M Pa，不锈钢材料的屈服强度为345MPa-685MPa，不锈钢材料强度明显高于铝合金材料，具有更强的承载能力。不锈钢车体主要采用点焊工艺，在意外撞击时，结构将发生类似手风琴的叠缩变形，沿着受力方向，焊点将逐次破坏失效；铝合金车体采用电弧焊工艺，在意外撞击时，将会沿焊缝或母材薄弱区整体撕开，这也是为什么发生意外撞击时，铝合金车体更容易发生整车破坏而不锈钢车体只发生局部变形的主要原因。不锈钢的熔点为1500 ℃，铝合金的熔点为660 ℃，且到300 ℃以上就发软变形，铝合金的耐热性仅是不锈钢的44%。在发生严重火灾时，铝合金车体将会很快熔化掉，带来灾难性的后果。就安全性来说，不锈钢车体远胜过于铝合金车体。

3. 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2 mm）。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）。大型中空型材组焊式车体制造时，只需将型材沿车体长度方向对接连续自动弧焊。由于车体零件数量少、焊接工作量少，且容易实现自动化，大大降低了车体制造成本，提高了产品质量。铝合金结构的变形校正（通常也采用火焰校正）非常困难。因此不管什么结构形式，都必须千方百计用工装卡具来限制焊接变形。铝合金车体的主要材料是A1~ Mg 系（5000系）、A1~ Mg~ Si 系（6000 系）和A1~ Zn~ Mg 系（7000 系）合金。铝合金车体的特点是利用铝的相对体积质量约为普通钢的1/ 3 这一点来减轻车体自重。铝合金车体的自重一般可达到普通钢车体的1/ 2。铝合金车体的弱点是铝的纵弹性模量小，约为普通钢的1/ 3，因而往往使车体刚度下降。一般铝合金车体比普通钢车体、不锈钢车体的刚度都要小。这是铝合金车体设计时加大板厚和尽量加大车体断面以提高车体抗弯刚度的重要原因。铝合金车体的另一个不尽人意处就是耐腐蚀性能差，不能像不锈钢那样达到不用涂漆的程度。不涂漆的铝合金车体虽然也有，但用过一段时间后，由于大气中的腐蚀条件（如水、洗涤剂的作用以及运用环境中与金属粉尘接触），表面总会出现面蚀、点蚀、变色，影响美观，故大部分车都涂漆。铝合金车体设计中还应注意的是：由于铝的熔点低，在地板下面吊装的高压大电流的发热设备（如制动电阻箱等）应加装隔热板，以防车辆火灾的发生。铝合金车体的车辆一旦发生火灾事故，将会引发更大的灾难。当然，采用其他材料的车体也必须加隔热板。铝合金车体的最新结构是车顶、侧墙无梁柱的桁架式中空型材结构，有的在面板、肋板上还贴防震吸音材或填充（半填充）聚氨脂泡沫（型材挤压过程中发泡），大大提高了防震隔音效果。

二、几个值得探讨的问题

1. 关于目前我国城市轨道车辆车体选材的倾向问题。目前我国城市轨道交通车辆的车体选材，似乎出现了铝合金热，相形之下在我国地铁车上沿用了30 多年的耐候钢有受到冷落的倾向。实际上这三种材料各有特点。就是同一种材料也有不同的牌号、种类和性能，但无好坏可言。材料及车体的结构型式是多种多样而且总是在发展变化的，选材就要扬长避短因材施用。

2.关于车辆轻量化。在人们的印象中，一提起轻量化就联想到减轻车体重量。轻量化应当是对车辆总体而言，车辆上所有构件、设