不銹鋼冷彎型材開發(fā)可行性研究報告

楊建龍

摘 要：不銹鋼車體和鋁合金車體材料不同，不銹鋼車體結構采用板梁組合整體承載全焊結構，一般采用進口材料，車體成本較高，焊接程序復雜，不銹鋼的耐腐蝕能力要優(yōu)于鋁合金。鋁合金車體主要采用大型中空閉口型材承載結構，采用國產(chǎn)型材、板材，車體材料成本較低，主要長大焊縫可實現(xiàn)連續(xù)自動焊，工藝簡單。

關鍵詞：不銹鋼;車體材料;可行性研究

0 簡述

軌道交通的目的是運送乘客，方便人們出行。車輛則是直接容納乘客的運載工具，確保運能的基礎。為了車體具有足夠的強度、剛度和長達幾十年的使用壽命，需要采用金屬材料制造。

1 不銹鋼車輛

軌道車輛范指鋼輪承載、導向的鐵路客車和城市軌道交通的城際鐵路、市郊市內(nèi)地鐵、輕軌等車輛。

軌道車輛的車體采用整體承載薄殼結構，以最大限度地提高車體強度、剛度，同時減輕車體重量。

2 不銹鋼車體的特長

在具有同等程度的車體強度、剛度的條件下，鋁合金可以比不銹鋼實現(xiàn)更大的車體輕量化。以車長19米，寬2.8米，高3.8米的標準B型車為例，車體重量碳鋼為9～10噸，不銹鋼為6～7噸，鋁合金為4～5噸。但是，須特別指出的是鋁合金熔點低（650℃左右），一旦出現(xiàn)火災事故，車體有燒塌的危險，給人民生命財產(chǎn)造成更大損失。不銹鋼車體比碳鋼涂漆車體、鋁合金涂漆（或不涂漆）車體最大的長處還在于對惡劣運用環(huán)境的適應能力。具體表現(xiàn)在：

（1）耐大氣腐蝕性能強。適宜于在高溫、潮濕、空氣中含有鹽份等腐蝕介質的南方和沿海地帶、空氣中含有SO2等工業(yè)污染相對嚴重的工業(yè)地帶。

（2）海拔高、風沙大積雪多的高寒地帶。例如青藏鐵路車輛，現(xiàn)用任何油漆都滿足不了風沙的磨擦敲擊和高紫外線國徽老化和劇烈溫差變化。

3 不銹鋼車體的現(xiàn)狀

不銹鋼車體起源于美國60年代。后來歐洲特別是日本發(fā)展速度最快。我國不銹鋼車起步晚，最初是1997年生產(chǎn)過不銹鋼軟臥車，那是采用SUS304的涂漆車。真正具有當代水平的輕量化不銹鋼車，是2002年交付使用的四輛編組北京13號線城軌電動車組。之后，2003年批量投產(chǎn)天津濱海快速涂漆不銹鋼車116輛，2004年10月將完成國產(chǎn)化北京地鐵輕量化不涂漆不銹鋼車。從而揭開了我國生產(chǎn)不銹鋼車的新紀元。將于今年下半年招標2007年前完成的北京城市軌道車輛600余輛，用戶決定采用不銹鋼車體。

正在施工中的青藏鐵路也決定采用不銹鋼車體的車輛，估計在近五年內(nèi)將會有數(shù)百輛不銹鋼鐵路客車上線運營。

此外，杭州、蘇州、無錫等城軌車輛也大有可能選擇不銹鋼車體。就是一直采用鋁合金體的廣州城軌用戶，也在詢問有關不銹鋼車體資料?？磥恚磥韽V州后續(xù)車輛也大有選用不銹鋼車輛的可能。總之，城市快速軌道交通車輛的大部分，邊遠高寒地區(qū)的鐵道車輛都將選用不銹鋼車體。

4 不銹鋼冷彎型材在不銹鋼車體中的應用

不銹鋼車體的演變過程分三個階段。第一個階段半不銹鋼車體和第二階段全不銹鋼車體，采用SUS304的可弧焊接不銹鋼材料和類似碳鋼車體的制造工藝。

但是不銹鋼本身不生銹，再加上設備打磨的線條具有很好的裝飾性。從環(huán)保和降低維修費用，特別是為了滿足惡劣環(huán)境要求，不銹鋼車體應該是不涂漆的。

為了減輕車體重量，車體構件要用薄板（通常0.8～3mm）制造。薄板的承載能力問題不是強度而是剛度，即板在平面內(nèi)承受壓縮、剪切應力而不喪失穩(wěn)定。為此，板材必須加工成各種形狀的型材，特別是長大冷彎型材。

不銹鋼的物理性質是熱傳導率低，僅為鋼的1/3，熱膨脹系數(shù)大，大約為鋼的1.5倍，比電阻大，約是鋼的6～7倍（參見附件4材料的物理性質）。因此不銹鋼車應盡量避免焊接，特別是電弧焊，以防材料強度下降和產(chǎn)生焊接變形。

對不涂漆的不銹鋼車體來說凡是外露面幾乎都不得采用電弧焊。原因是除了強度、變形因素外，焊縫破壞了板材原來的裝飾生，修復困難且不能復原。所以車頂、側墻、底架的長大構件都是用與車體長度相當?shù)拈L大冷彎型材構成。長大型材在車體中所占的比例，鐵路客車約為50%，城軌客車約為40%。鐵路客車車體約重12t，城軌客車車體重約7t，按上述比例換算的話，則型材分別為5t，2.8t，10多個品種（參見附件5不銹鋼車體圖、附件6技術協(xié)議書）。通過型材品種的開發(fā)，冷彎型材在車體中的比八一建軍節(jié)還會進一步增加。

日本的不銹鋼車體冷彎型鋼有數(shù)十種，而且已經(jīng)形成了標準化、系列化（參見附件7RIS142不銹鋼車輛用車體型材）。

5 不銹鋼冷彎型材開發(fā)

不銹鋼是在鋼中加入Cr、Ni等金屬而形成的具有耐介質腐蝕的鋼種。根據(jù)使用環(huán)境和腐蝕介質、強度等級不同，不銹鋼有耐酸堿、耐高溫、耐大氣和不同強度級等種類。

車輛上用作車體的不銹鋼是一種被稱為SUS301L的奧氏體車輛專用經(jīng)濟不銹鋼。這種鋼之所以經(jīng)濟是因為相對于奧氏體不銹鋼SUS304來說，貴重金屬Cr、Ni含量略低，并含有N。這種鋼的性能特點是可以利用不同的冷態(tài)加工度使其組織形式不同數(shù)量的形態(tài)馬氏體，從而具有通常稱為LT、DLT、ST、HT5個強度級，以適應車體不同部位的加工工藝和設計強度要求。參見附件8材料的化學成分和機械性質。

車輛用不銹鋼冷彎型材不同于一般結構和建筑型材，主要特點一是使用的材料強度大、屈強比（σ0.2/σb）高、沒有像碳鋼那樣明顯的屈服強度（σs），因此成型困難;二是形狀要求嚴。

不銹鋼車體制造工藝特點是零部件的無調(diào)修和自動點焊。對于大斷面長尺寸的型材來說，要求零部件精度非常高。（參見附件9RIS1312I不銹鋼型材的尺寸精度標準）

由于上述冷彎型材的特點，要求冷彎加工設備品種多剛度大、模具精度嚴、復雜系數(shù)高，調(diào)整工藝難度大，成本高。一臺冷彎設備約需80～100萬元。普通斷面型材模具費應在15萬元左右。

6 結論

鐵道車輛用不銹鋼冷彎型材開發(fā)須投入大量人力、物力，而且隨著產(chǎn)品變化需不斷更新?lián)Q代。不銹鋼車體結構復雜，生產(chǎn)周期長，工序多且復雜，所以人工成本高。不銹鋼車體材料可以不涂油漆，可節(jié)省維護費用，車輛段不需建噴漆庫。冷彎型鋼不銹鋼車體具有不可比擬的優(yōu)勢。

參考文獻：

[1]《JIS G -2005冷軋不銹鋼板材、薄板和帶材》[S].