地鐵車輛鋁合金車體與不銹鋼車體的對比及發(fā)展

陳曦

摘 要：地鐵車輛的車體材料選材，是關(guān)系到地鐵運營的安全、可靠、快速、輕量、經(jīng)濟、適用的重大因素之一。文章結(jié)合當前國內(nèi)城市地鐵車輛車體的使用及選購情況，借鑒國外經(jīng)驗，針對不銹鋼、鋁合金車體的材料和結(jié)構(gòu)特點進行分析、比較，并對兩種車體材料的發(fā)展動向進行了探討，為城市軌道交通車輛車體材料的選型提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通車輛 車體選材 不銹鋼 鋁合金

中圖分類號：U270 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）03（a）-0086-02

Comparison and Development of the Stainless Steel and Aluminum Alloy Body in Railway Vehicles

Chen Xi

（Guangzhou Metro Design & Research Institute Co.Ltd.Guangzhou Guangdong，510000，China）

Abstract：The materials selection for bodies of urban railway vehicles is one of thesignificant subjects concerned with“safety， reliability，high speed，lightweight，economy and applicability”in the operation.Combined with the current domesticurban rail transport vehicles and the use of car selection，the article analyses andcompares the stainless steel，aluminum alloy body of material and structural characteristics with respect to foreign experience.It also explored the development direction of two car body material，which provides the reference for the selection of thesematerials.

Key Words：Urban Railway Vehicles；Car Bodies；Stainless Steel；Aluminium

國內(nèi)很多新線車輛段采用上蓋開發(fā)模式，如果像以往的做法，采用鋁合金車體，車輛段內(nèi)必須要設(shè)置噴漆庫。車體噴漆對上蓋建筑是有影響的，國內(nèi)目前還沒有上蓋車輛段內(nèi)設(shè)置噴漆庫的做法。因此，本文對不銹鋼車體和鋁合金車體進行對比。

1 材料

新型不銹鋼車體采用超低碳（C<0.03%）的SUS301L車輛專用經(jīng)濟不銹鋼，通過壓延率的不同分成LT、DLT、ST、MT、HT 5個強度級。SUS301L的改性壓延狀態(tài)機械性能代號HT的屈服點在961 N/mm2以上，拉伸強度在1275 N/mm2以上（超過耐候鋼一倍以上）。但其縱向彈性模量（E）卻只有鋼的85%（鋼的E=2.06×105 N/mm2，不銹鋼的E=1.76×105 N/mm2），這意味著不銹鋼車體比同樣結(jié)構(gòu)（當然結(jié)構(gòu)是有很大不同的）的耐候鋼車剛度要小。剛度下降將導(dǎo)致舒適性下降。這就是不銹鋼車體設(shè)計時盡量設(shè)法增大剛度的原因。

鋁合金車體的主要材料是A1-Mg系（5000系）、A1-Mg-Si系（6000系）和A1-Zn-Mg系（7000系）合金。鋁合金車體的特點是利用鋁的相對體積質(zhì)量約為普通鋼的1/3這一點來減輕車體自重。鋁合金車體的自重一般可達到普通鋼車體的1/2。鋁合金車體的弱點是鋁的縱彈性模量小，約為普通鋼的1/3，因而往往使車體剛度下降。一般鋁合金車體比普通鋼車體、不銹鋼車體的剛度都要小。這是鋁合金車體設(shè)計時加大板厚和盡量加大車體斷面以提高車體抗彎剛度的重要原因。

2 制造工藝

不銹鋼車體結(jié)構(gòu)采用板梁組合整體承載全焊結(jié)構(gòu)。由于使用的板材較?。ㄜ圀w外板厚0.4～1.2 mm，梁柱厚0.8～3 mm），須采用大量薄板（一般為0.8 mm）軋壓成補強（剛）型材與外板點焊連接形成空腔，借以提高外板的剛度、強度。這是不銹鋼車的結(jié)構(gòu)特征之一。為了不降低板材強度和減小變形，應(yīng)盡量采用點焊。特別是強度級高的材料不允許任何形式的弧焊。梁柱之間采用平面或立體接頭、點焊。板的拼接采用搭接縫焊。采用點焊代替弧焊是不銹鋼車的又一特征和技術(shù)關(guān)鍵。近年，由于新工藝的發(fā)展，目前最新采用激光焊來取代點焊。

鋁合金車體從結(jié)構(gòu)形式上可分為：板梁、大型開口型材和大型中空閉口型材及其組合形式。

鋁合金車體目前普遍采用的結(jié)構(gòu)是大型桁架式中空型材組焊式（一般采用自動弧焊）。大型中空型材組焊式車體制造時，只需將型材沿車體長度方向?qū)舆B續(xù)自動弧焊。由于車體零件數(shù)量少、焊接工作量少，且容易實現(xiàn)自動化，大大降低了車體制造成本，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。隔音方面，有的在面板、筋板上還貼防震吸音材料，或填充（半填充）聚氨脂泡沫（型材擠壓過程中發(fā)泡），大大提高了防震隔音效果。

就制造工藝來說，鋁合金車體比不銹鋼車體要簡單一些。

3 輕量化

鋁合金的比重為2.71 g/cm3，不銹鋼的比重為7.85 g/cm3，雖然鋁合金的比重遠小于不銹鋼，但是鋁合金的抗拉強度較差，鋁合金的抗拉強度為270～310 MPa，而不銹鋼的抗拉強度可達690～930 MPa，是鋁合金的2～3倍。而且，鋁合金的剛度較低，其彈性模量僅為0.71E10N/mm2，而不銹鋼為2.06E10N/mm2，為鋁合金的3倍，因此，為保證地鐵車輛由足夠的承載強度和剛度，鋁合金車輛必須采用大型中空型材及其組合件。為提高鋁合金車體斷面系數(shù)，增大抗彎強度，需加大板厚，壁厚為2～6.5 mm，而不銹鋼車體可采用板梁組合整體承載全焊結(jié)構(gòu)，車體的梁柱板厚0.8～3 mm，車體外板厚0.6～1.2 mm，實現(xiàn)車體輕量化（見表1）。endprint

不銹鋼車體基本采用點焊或激光焊工藝，只有很少的部位采用電弧焊，焊接填充材料很少；鋁合金車體完全采用電弧焊工藝，在焊縫處填充了大量的焊接材料，增加了車體自重。

不銹鋼車體一般為非涂裝車體，不存在涂裝材料的重量；鋁合金車體表面涂有聚脂膩子、底漆、面漆等涂裝材料，增加了車體重量。

總體來說，經(jīng)過輕量化的不銹鋼車體比鋁合金車體重0.5～1 t/輛車。

4 外觀質(zhì)量

不銹鋼車體在制造過程中雖然不必進行防腐保護，也無需涂漆，但為了提高裝飾性，板材自帶線條或梨皮點狀裝飾。車輛制造廠家可進行適當修飾，或用彩色膠膜裝修，或噴涂水性漆。由于車體表面裝飾大多是原材料帶有的，因此，在焊接前的加工過程中要貼膜保護。因為外墻板很?。ㄒ话銥?.5 mm）、很光，對不平度反應(yīng)過敏，只要有0.2 mm的凹凸，經(jīng)反光折射，肉眼就感到不舒服；如采用點焊的工藝進行焊接，點焊印子是無法消除的；如采用激光焊工藝進行焊接，焊接點美觀大方。

鋁合金車體的耐腐蝕性能較差，但中空鋁型材平整、挺拔，又可根據(jù)用戶要求選擇不同的裝飾和顏色，因此，給人的感覺是莊重、美觀，廣大乘客容易接受。鋁合金車體的另一個不盡人意處就是耐腐蝕性能差，不能像不銹鋼那樣達到不用涂漆的程度。不涂漆的鋁合金車體雖然也有，但用過一段時間后，由于大氣中的腐蝕條件（如水、洗滌劑的作用以及運用環(huán)境中與金屬粉塵接觸），表面總會出現(xiàn)面蝕、點蝕、變色，影響美觀，故大部分車都涂漆。

就外觀質(zhì)量來說，鋁合金外觀較好，但不銹鋼通過最新的工藝采用水性漆也一樣可以達到鋁合金噴漆后的外觀效果。

5 安全性

鋁合金材料的屈服強度為200～260 MPa，不銹鋼材料的屈服強度為345MPa-685 MPa，不銹鋼材料強度明顯高于鋁合金材料，具有更強的承載能力。

鋁合金材料的抗拉強度為270～310MPa，其屈服強度與抗拉強度的比值（簡稱屈強比）僅約0.84，當意外發(fā)生時，鋁合金屈服變形后很快就會發(fā)生斷裂；不銹鋼材料的抗拉強度為690～930 MPa，屈強比為0.5～0.74，在材料發(fā)生屈服變形到斷裂的過程中，材料本身將產(chǎn)生較大的塑性變形，能夠吸收更多的沖擊能量。

不銹鋼車體主要采用點焊工藝，在意外撞擊時，結(jié)構(gòu)將發(fā)生類似手風(fēng)琴的疊縮變形，沿著受力方向，焊點將逐次破壞失效；鋁合金車體采用電弧焊工藝，在意外撞擊時，將會沿焊縫或母材薄弱區(qū)整體撕開，這也是為什么發(fā)生意外撞擊時，鋁合金車體更容易發(fā)生整車破壞而不銹鋼車體只發(fā)生局部變形的主要原因。

不銹鋼的熔點為1500 ℃，鋁合金的熔點為660 ℃，且到300 ℃以上就發(fā)軟變形，鋁合金的耐熱性僅是不銹鋼的44%。在發(fā)生嚴重火災(zāi)時，鋁合金車體將會很快熔化掉，帶來災(zāi)難性的后果。

就安全性來說，不銹鋼車體遠勝過于鋁合金車體。

6 結(jié)語

綜上所述，在地鐵車輛選型中，不銹鋼車體與鋁合金車體各有優(yōu)勢，具體到某一個城市的車輛選型應(yīng)該綜合考慮以上問題，尤其是要考慮到車體選型對本地產(chǎn)業(yè)鏈的影響及本地的人文特色。特別在有些上蓋車輛段，更要從環(huán)境角度和人文關(guān)懷角度考慮鋁合金和不銹鋼兩種車輛的優(yōu)劣，再結(jié)合經(jīng)濟、安全、外觀等因素綜合考慮，同一個城市的多條線路在車體選型中應(yīng)盡量統(tǒng)一，以有利于線網(wǎng)的資源共享。

參考文獻

[1] 不銹鋼車體與鋁合金車體的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].都市快軌交通，2008（6）.

[2] 薛克仲.城市軌道交通車輛車體材料選擇[J].城市軌道交通研究，2003，6（1）.

[3] 郭澤闊.城市軌道交通車輛車體材料的選型分析[J].公路運輸，2009（10）.

[4] 海邦君.鋁合金車體設(shè)計研究[J].鐵道車輛，2003（10）.

[5] 肖彥君.用壽命周期費用法選擇城軌車輛車體材料的探討[J].電力機車與城軌車輛，2003（5）.endprint

不銹鋼車體基本采用點焊或激光焊工藝，只有很少的部位采用電弧焊，焊接填充材料很少；鋁合金車體完全采用電弧焊工藝，在焊縫處填充了大量的焊接材料，增加了車體自重。

不銹鋼車體一般為非涂裝車體，不存在涂裝材料的重量；鋁合金車體表面涂有聚脂膩子、底漆、面漆等涂裝材料，增加了車體重量。

總體來說，經(jīng)過輕量化的不銹鋼車體比鋁合金車體重0.5～1 t/輛車。

4 外觀質(zhì)量

不銹鋼車體在制造過程中雖然不必進行防腐保護，也無需涂漆，但為了提高裝飾性，板材自帶線條或梨皮點狀裝飾。車輛制造廠家可進行適當修飾，或用彩色膠膜裝修，或噴涂水性漆。由于車體表面裝飾大多是原材料帶有的，因此，在焊接前的加工過程中要貼膜保護。因為外墻板很薄（一般為1.5 mm）、很光，對不平度反應(yīng)過敏，只要有0.2 mm的凹凸，經(jīng)反光折射，肉眼就感到不舒服；如采用點焊的工藝進行焊接，點焊印子是無法消除的；如采用激光焊工藝進行焊接，焊接點美觀大方。

鋁合金車體的耐腐蝕性能較差，但中空鋁型材平整、挺拔，又可根據(jù)用戶要求選擇不同的裝飾和顏色，因此，給人的感覺是莊重、美觀，廣大乘客容易接受。鋁合金車體的另一個不盡人意處就是耐腐蝕性能差，不能像不銹鋼那樣達到不用涂漆的程度。不涂漆的鋁合金車體雖然也有，但用過一段時間后，由于大氣中的腐蝕條件（如水、洗滌劑的作用以及運用環(huán)境中與金屬粉塵接觸），表面總會出現(xiàn)面蝕、點蝕、變色，影響美觀，故大部分車都涂漆。

就外觀質(zhì)量來說，鋁合金外觀較好，但不銹鋼通過最新的工藝采用水性漆也一樣可以達到鋁合金噴漆后的外觀效果。

5 安全性

鋁合金材料的屈服強度為200～260 MPa，不銹鋼材料的屈服強度為345MPa-685 MPa，不銹鋼材料強度明顯高于鋁合金材料，具有更強的承載能力。

鋁合金材料的抗拉強度為270～310MPa，其屈服強度與抗拉強度的比值（簡稱屈強比）僅約0.84，當意外發(fā)生時，鋁合金屈服變形后很快就會發(fā)生斷裂；不銹鋼材料的抗拉強度為690～930 MPa，屈強比為0.5～0.74，在材料發(fā)生屈服變形到斷裂的過程中，材料本身將產(chǎn)生較大的塑性變形，能夠吸收更多的沖擊能量。

不銹鋼車體主要采用點焊工藝，在意外撞擊時，結(jié)構(gòu)將發(fā)生類似手風(fēng)琴的疊縮變形，沿著受力方向，焊點將逐次破壞失效；鋁合金車體采用電弧焊工藝，在意外撞擊時，將會沿焊縫或母材薄弱區(qū)整體撕開，這也是為什么發(fā)生意外撞擊時，鋁合金車體更容易發(fā)生整車破壞而不銹鋼車體只發(fā)生局部變形的主要原因。

不銹鋼的熔點為1500 ℃，鋁合金的熔點為660 ℃，且到300 ℃以上就發(fā)軟變形，鋁合金的耐熱性僅是不銹鋼的44%。在發(fā)生嚴重火災(zāi)時，鋁合金車體將會很快熔化掉，帶來災(zāi)難性的后果。

就安全性來說，不銹鋼車體遠勝過于鋁合金車體。

6 結(jié)語

綜上所述，在地鐵車輛選型中，不銹鋼車體與鋁合金車體各有優(yōu)勢，具體到某一個城市的車輛選型應(yīng)該綜合考慮以上問題，尤其是要考慮到車體選型對本地產(chǎn)業(yè)鏈的影響及本地的人文特色。特別在有些上蓋車輛段，更要從環(huán)境角度和人文關(guān)懷角度考慮鋁合金和不銹鋼兩種車輛的優(yōu)劣，再結(jié)合經(jīng)濟、安全、外觀等因素綜合考慮，同一個城市的多條線路在車體選型中應(yīng)盡量統(tǒng)一，以有利于線網(wǎng)的資源共享。

參考文獻

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[2] 薛克仲.城市軌道交通車輛車體材料選擇[J].城市軌道交通研究，2003，6（1）.

[3] 郭澤闊.城市軌道交通車輛車體材料的選型分析[J].公路運輸，2009（10）.

[4] 海邦君.鋁合金車體設(shè)計研究[J].鐵道車輛，2003（10）.

[5] 肖彥君.用壽命周期費用法選擇城軌車輛車體材料的探討[J].電力機車與城軌車輛，2003（5）.endprint

不銹鋼車體基本采用點焊或激光焊工藝，只有很少的部位采用電弧焊，焊接填充材料很少；鋁合金車體完全采用電弧焊工藝，在焊縫處填充了大量的焊接材料，增加了車體自重。

不銹鋼車體一般為非涂裝車體，不存在涂裝材料的重量；鋁合金車體表面涂有聚脂膩子、底漆、面漆等涂裝材料，增加了車體重量。

總體來說，經(jīng)過輕量化的不銹鋼車體比鋁合金車體重0.5～1 t/輛車。

4 外觀質(zhì)量

不銹鋼車體在制造過程中雖然不必進行防腐保護，也無需涂漆，但為了提高裝飾性，板材自帶線條或梨皮點狀裝飾。車輛制造廠家可進行適當修飾，或用彩色膠膜裝修，或噴涂水性漆。由于車體表面裝飾大多是原材料帶有的，因此，在焊接前的加工過程中要貼膜保護。因為外墻板很?。ㄒ话銥?.5 mm）、很光，對不平度反應(yīng)過敏，只要有0.2 mm的凹凸，經(jīng)反光折射，肉眼就感到不舒服；如采用點焊的工藝進行焊接，點焊印子是無法消除的；如采用激光焊工藝進行焊接，焊接點美觀大方。

鋁合金車體的耐腐蝕性能較差，但中空鋁型材平整、挺拔，又可根據(jù)用戶要求選擇不同的裝飾和顏色，因此，給人的感覺是莊重、美觀，廣大乘客容易接受。鋁合金車體的另一個不盡人意處就是耐腐蝕性能差，不能像不銹鋼那樣達到不用涂漆的程度。不涂漆的鋁合金車體雖然也有，但用過一段時間后，由于大氣中的腐蝕條件（如水、洗滌劑的作用以及運用環(huán)境中與金屬粉塵接觸），表面總會出現(xiàn)面蝕、點蝕、變色，影響美觀，故大部分車都涂漆。

就外觀質(zhì)量來說，鋁合金外觀較好，但不銹鋼通過最新的工藝采用水性漆也一樣可以達到鋁合金噴漆后的外觀效果。

5 安全性

鋁合金材料的屈服強度為200～260 MPa，不銹鋼材料的屈服強度為345MPa-685 MPa，不銹鋼材料強度明顯高于鋁合金材料，具有更強的承載能力。

鋁合金材料的抗拉強度為270～310MPa，其屈服強度與抗拉強度的比值（簡稱屈強比）僅約0.84，當意外發(fā)生時，鋁合金屈服變形后很快就會發(fā)生斷裂；不銹鋼材料的抗拉強度為690～930 MPa，屈強比為0.5～0.74，在材料發(fā)生屈服變形到斷裂的過程中，材料本身將產(chǎn)生較大的塑性變形，能夠吸收更多的沖擊能量。

不銹鋼車體主要采用點焊工藝，在意外撞擊時，結(jié)構(gòu)將發(fā)生類似手風(fēng)琴的疊縮變形，沿著受力方向，焊點將逐次破壞失效；鋁合金車體采用電弧焊工藝，在意外撞擊時，將會沿焊縫或母材薄弱區(qū)整體撕開，這也是為什么發(fā)生意外撞擊時，鋁合金車體更容易發(fā)生整車破壞而不銹鋼車體只發(fā)生局部變形的主要原因。

不銹鋼的熔點為1500 ℃，鋁合金的熔點為660 ℃，且到300 ℃以上就發(fā)軟變形，鋁合金的耐熱性僅是不銹鋼的44%。在發(fā)生嚴重火災(zāi)時，鋁合金車體將會很快熔化掉，帶來災(zāi)難性的后果。

就安全性來說，不銹鋼車體遠勝過于鋁合金車體。

6 結(jié)語

綜上所述，在地鐵車輛選型中，不銹鋼車體與鋁合金車體各有優(yōu)勢，具體到某一個城市的車輛選型應(yīng)該綜合考慮以上問題，尤其是要考慮到車體選型對本地產(chǎn)業(yè)鏈的影響及本地的人文特色。特別在有些上蓋車輛段，更要從環(huán)境角度和人文關(guān)懷角度考慮鋁合金和不銹鋼兩種車輛的優(yōu)劣，再結(jié)合經(jīng)濟、安全、外觀等因素綜合考慮，同一個城市的多條線路在車體選型中應(yīng)盡量統(tǒng)一，以有利于線網(wǎng)的資源共享。

參考文獻

[1] 不銹鋼車體與鋁合金車體的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].都市快軌交通，2008（6）.

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[3] 郭澤闊.城市軌道交通車輛車體材料的選型分析[J].公路運輸，2009（10）.

[4] 海邦君.鋁合金車體設(shè)計研究[J].鐵道車輛，2003（10）.

[5] 肖彥君.用壽命周期費用法選擇城軌車輛車體材料的探討[J].電力機車與城軌車輛，2003（5）.endprint