不锈钢地铁车辆车体结构设计的要点研究

不锈钢地铁车辆车体结构设计的要点研

究

摘要：车体是车辆结构中最重要的部分。车体材料决定了其结构形式、性能、技术和经济指标。车体的强度和刚度决定了车体运行的安全性、可靠性和舒适性。车体的外观和使用寿命取决于车体的耐腐蚀性、能耗、载客量和乘客舒适性，以

及与车体重量密切相关的列车编组形式（动拖比）。目前，中国许多城市已经开

始建设轨道交通系统。在地铁车辆的设计过程中，车体结构非常重要。本文介绍

了不锈钢地铁车辆的主要部件、结构设计方法、车体制造工艺等方面。

关键词：不锈钢地铁车辆；要点；车体结构设计；研究

1.不锈钢车辆车体结构特点

不锈钢外壳需要外侧板具有平顺性。不锈钢材质生产出了很好的耐腐蚀性，

对于焊接及热变形区有严格要求。波纹板及波纹下部结构需携带对应重物，同时

需要某种强度种类；比重需减小，厚度0.6mm。侧墙是由整体结构中若干单元组

合而成，每一个单元都要承受汽车的重力和多种负荷变形；这些应力集中会使两

个主要单体失效，整体系统性能降低。为确保侧板有合适的刚性与强度，上侧板

支撑与横梁之间、下框架等侧板与骨架焊接。对于大型汽车来说埋弧焊接机器人

具有可行性。当点焊不便，需传递高载荷，可采用环焊、承插焊等等，不会对外

观造成影响、降低热效应，提高车体强度等途径。上部导轨与车体横梁在车体底

部总成中所受作用力最大。焊后须经热处理消除应力集中。下半身框架拉起缓冲器。以保证足够强度，传递拉伸，压缩载荷而不产生摩擦，零件用实心焊接工艺。不锈钢主体因具有自身的特性，对于材料的性能提出了更高的要求，因此，应选

择优质钢材制造。不锈钢的本体主要是钢架构成，提供强度与刚度。车体整体为

焊接部件，疲劳强度高，所述车体下部为全焊接下框架结构。整个应力过程从车

体通过下框架、顶边梁、弯曲梁、各种梁、柱和其他线性骨架结构传递到波纹板

和其他薄板结构，形成稳定车体支撑结构的整个应力系统。结构承受的最大应力

是轴向力，主要来自不同类型的梁和柱构件以及外部包层结构。例如，波纹板主

要受剪切影响。客车车体框架的正确设计至关重要。为了确保车体框架具有足够

的刚度，板条预制成具有特定截面形状的梁柱；穿孔连接板的框架焊接在一起，

外板形成箱形结构，可以很好地抵抗扭转和横向载荷。对于异形零件尺寸和重量

复杂的形状，必须设计弯曲和成形工艺，以使产品符合技术要求[1]。

2.不锈钢地铁车体结构设计要点

2.1选材

不锈钢材料能够满足地下车体各项需求；抗变形稳定性高于其他材质、抗拉

强度大，对耐热、抗弯曲强度大的材料优势发挥着至关重要的作用。也因此对汽

车车体的材料结构，也有着相应要求。汽车设计者在选材上往往对材料理论和工

程实践的要求都很高，既不能只顾及材质强度方面，同时又要充分考虑不锈钢的

物理化学特性。一般汽车材质按硬度分类，可分成五大等级:LD、DLT、ST、MT、HT。而轻质不锈钢体一般以SUS301L、SUS304等其他车用不锈钢材质为首选的。

由于SUS301L与SUS304的比较铁、镍的含量均较低，所以，屈服温度（屈服强

度/抗拉强度）一般也低于0.8。不锈钢的物理与化学性质主要由导热性所决定、

高温膨胀系数，比强度等。车体设计的一条准则,就是要针对各种强度,选用适当

的材质。而不是全部材料都选用不锈钢材料,需要兼顾其他各种因素,例如,实际

负荷和受力状况等。而底盘构造则通常选用疲劳强度大,焊接强度好的高强度低

合金钢[2]。

2.2车体结构设计

不锈钢地下轨道和交通列车制造中，不但要轻便，同时还要保证舒适和安全，并且充分利用不锈钢材料高强度的优点。为了达到这些要求，需要对不锈钢的性

能有充分了解。按不锈钢材料位于车体下，通常有的放矢，选材粗细均宜，例如，车体侧墙上，上外不锈耐酸钢板材质一般为厚度1.5mm，连接面一般为1.5mm或2.0mm厚，车体波纹面一般为0.6mm，侧架及车顶支架直径一般为40mm，主板通

常是1.0mm或者1.2mm。此外，由于不锈钢具有较高的强度和耐腐蚀性能，所以

其主要被用作车辆框架结构件。为了提高钢材硬度，通常采用热接触焊方式对车

体各部分进行焊接，或将电弧焊方法应用到副车架内部焊接中，能有效的提高承

载力，所述侧梁和横梁之间通过环焊连接，点焊用于副车架和侧墙连接，还能有

效地增加结构承载力。

2.3车体骨架设计

在不锈钢地下围墙的结构设计中，它是非常重要的一环，一定要靠骨架结构，是维系整座不锈钢围墙的主要构件之一，由于设计时要考虑到几方面。不锈钢地

下围墙框架包括下层框架，侧墙，端墙和屋顶，一般为板式结构，和围墙结构中

的梁；为了确保荷载的稳定性，一定要注意骨架是否对称，横梁截面形状是否正确。为了避免荷载传递问题，套管框架设计为封闭式。箱形截面更适合梁柱结构

的设计。它可以有效地提高梁柱结构的侧向荷载，提高抗扭能力，有效地避免截

面的突变。梁与柱之间的距离一定要考虑内梁柱厚度和截面变化情况，避免结构

中出现孔洞；框架与外板之间的连接质量由点焊控制，直接影响结构质量。

2.4轻量化、高强度、抗疲劳

不锈钢地铁车体结构设计还要注意轻量化，高强度、抗疲劳等基本原理，地

下结构设计阶段，以上原则还有普遍的倾向。如不锈钢地下车体轻量化设计等，

能有效地减少地下能耗，提高车辆加速度，对地下制动牵引系统消耗进行了有效

的控制，有效地降低了线路冲击磨损，增加了地下车体承载能力。应当看到，在

不锈钢主体设计时，轻量化考虑非常重要，强度高、抗疲劳性好，三者缺一不可。要密切结合。在设计的过程中，要对其加以分析与检验，为了设计出合理的不锈

钢地下主体[3]。

2.5车体结构的强度分析

由于我国铁道事业越来越发达，对于重载火车技术的要求也越来越高，需要

对火车车体进行架构设计。车皮车体架构设计中应始终坚持的基本规范，就是要

满足EN12663标准中规定的《铁路车辆车体结构要求》，该需求采用有限元方法

分析计算结果，及静态强度分析与刚性测试相结合的技术，对于车体结构及车体

内部各个部件在各种行驶条件下进行了强度分析，刚性都有规定、疲劳试验及其

他要求。并以此为基础，测试各部件的局部应力集中系数及模态，为了达到合理