不銹鋼軌道車輛的特點(diǎn)

□姚明哲　□楊志勇　□馬秋紅　□趙春風(fēng)天津北車軌道裝備有限公司　天津　300300

不銹鋼軌道車輛的特點(diǎn)

□姚明哲□楊志勇□馬秋紅□趙春風(fēng)
天津北車軌道裝備有限公司天津300300

介紹了不銹鋼軌道車輛的歷史和不銹鋼的材料特性，對不銹鋼軌道車輛所具有的高耐腐蝕性和免維護(hù)性、車體結(jié)構(gòu)的輕量化、高安全性、全壽命周期成本低等優(yōu)勢進(jìn)行了詳細(xì)闡述，證明了不銹鋼軌道車輛符合綠色交通的發(fā)展方向。

綠色、節(jié)能、環(huán)保、安全已經(jīng)成為當(dāng)今軌道車輛發(fā)展的大趨勢，輕量化的車體能夠顯著降低能耗。不銹鋼軌道車輛具有耐腐蝕、免維護(hù)、安全、車體結(jié)構(gòu)輕和全壽命周期成本低等特點(diǎn)，符合綠色交通的發(fā)展方向。

1　不銹鋼軌道車輛發(fā)展史概述

世界上最早將不銹鋼應(yīng)用于車輛的國家是美國。美國巴德（Budd）公司于1932年研制出世界上第一輛不銹鋼鐵路客車，揭開了不銹鋼車體的工程化序幕，但是能夠使這項(xiàng)技術(shù)得到快速發(fā)展和應(yīng)用的是日本。日本東急車輛公司與日本不銹鋼廠合作，進(jìn)行了高強(qiáng)度不銹鋼（SUS301L）的開發(fā)、試制及材料加工技術(shù)的研究，與此同時(shí)，研究了用點(diǎn)焊方式進(jìn)行不銹鋼車體制造，于1962年完成了除底架的一部分（端底架）之外，其它結(jié)構(gòu)或外板均采用不銹鋼制造的東急電鐵7000系，這就是當(dāng)今稱為全不銹鋼車的首輛車。不銹鋼車體的發(fā)展主要經(jīng)歷了4個(gè)階段：不銹鋼外墻板的外板不銹鋼車，普通碳鋼底架的半不銹鋼車，普通碳鋼牽引梁、枕梁的全不銹鋼車，輕量化的不銹鋼車。輕量化的不銹鋼車是從1972年石油危機(jī)爆發(fā)后提出來的，已經(jīng)成為不銹鋼車發(fā)展的方向，輕量化不銹鋼車的開發(fā)已經(jīng)使車體鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量降為普通碳鋼車的1/2左右。

我國不銹鋼車輛的發(fā)展比較緩慢，1987年，長客與太原鋼鐵廠合作生產(chǎn)了2輛RW22型客車，使用0Cr18Ni9材料，結(jié)構(gòu)與工藝仍沿用傳統(tǒng)的形式。1994年長客與韓國韓進(jìn)公司合作生產(chǎn)了30輛時(shí)速200 km/h的不銹鋼鐵路客車，使用韓國的不銹鋼材和點(diǎn)焊工藝，通過與韓進(jìn)的合作，長客初步具備了設(shè)計(jì)、生產(chǎn)不銹鋼客車的能力。真正意義上的輕量化不銹鋼車體是2003年制造的北京城軌輕量化不銹鋼樣車、天津?yàn)I海線輕軌快速不銹鋼車輛。

2　不銹鋼材料特性

不銹鋼是在鋼中加入Cr、Ni等材料，它的耐大氣腐蝕性能大大增強(qiáng)，它的熱傳導(dǎo)率是普通鋼的1/3，熱膨脹系數(shù)是普通鋼的1.5倍，電阻是普通鋼的6～7倍，通常為非磁體。

目前國內(nèi)外不銹鋼城軌車輛大部分采用SUS301L系列不銹鋼，它屬于穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼，經(jīng)過固溶處理后，在室溫下呈現(xiàn)單相奧氏體組織，化學(xué)成分見表1。單相奧氏體組織的不銹鋼本身具有高韌性和塑性，冷加工性能較好，但是其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均不高，不能滿足車體上大部分承重骨架結(jié)構(gòu)的要求，須利用形變強(qiáng)化的方式來提高其強(qiáng)度，即通過多道冷壓延工序，使材料產(chǎn)生一定量形變馬氏體而提高強(qiáng)度，一般分為5個(gè)強(qiáng)度等級，機(jī)械性能見表2。由于不銹鋼具有膨脹系數(shù)大、熱傳導(dǎo)率小、電阻大的特點(diǎn)，非常適合電阻焊（點(diǎn)焊）。

表1　SUS301L不銹鋼的化學(xué)成分/wt%

表2　5種不同強(qiáng)度級別SUS301L不銹鋼的機(jī)械性能

3　不銹鋼軌道車輛的幾大優(yōu)勢

3.1高的耐腐蝕性和免維護(hù)性

耐腐蝕性是不銹鋼的一個(gè)重要指標(biāo)，不銹鋼材料具有特殊的性能，在不銹鋼中含鉻量大于12%，使鐵的電極電位由-0.56 V突升至+0.2 V，阻止了原電池反應(yīng)的發(fā)生，這樣就保證了不銹鋼不會(huì)生銹。不銹鋼的耐腐蝕性能特別強(qiáng)，不銹鋼車體鋼結(jié)構(gòu)可以使用30年不腐蝕，與碳鋼車相比維修費(fèi)用大大降低。因?yàn)槲覈奶间撥囈?jīng)歷3～4次廠級修，維修強(qiáng)度大，工作環(huán)境惡劣，維修成本高。不銹鋼車體可以免涂裝，因?yàn)椴讳P鋼本身具有質(zhì)感和光澤，由于省略了涂裝工序，大大縮短了車輛生產(chǎn)周期。

3.2車體結(jié)構(gòu)的輕量化

不銹鋼車體自重輕，能實(shí)現(xiàn)輕量化的主要原因是具有較高的強(qiáng)度，這樣可以大大減小板材的厚度，如側(cè)墻板和車頂外板厚度為1.0 mm或1.5 mm，而碳鋼車車體一般不低于2 mm，輕量化的不銹鋼車體波紋板材質(zhì)為SUS301L-MT，厚度一般為0.6 mm，而耐候鋼波紋板厚度為1.6 mm。由于不銹鋼具有良好的耐腐蝕能力，因此設(shè)計(jì)時(shí)無需為了對抗腐蝕而對板材進(jìn)行加厚處理，而且車體外表面能夠保持不銹鋼的質(zhì)感和光澤。近年來隨著科學(xué)的進(jìn)步，不銹鋼車體的輕量化水平達(dá)到了一個(gè)新的高度。1998年長春客車廠為北京地鐵復(fù)八線生產(chǎn)的耐候鋼地鐵車體，自重8.5 t，而同期日本東急生產(chǎn)的不銹鋼地鐵車體的外形尺寸與北京地鐵相差無幾，但總重只有4.6 t，由此可見不銹鋼車體的減重效果。圖1為國內(nèi)某型輕量化不銹鋼車體結(jié)構(gòu)。

3.3安全性高

不銹鋼車體的高安全性主要表現(xiàn)在良好的抗沖擊能力和良好的抗升溫能力上。良好的抗沖擊能力方面：在受到巨大的撞擊后，材料斷裂之前會(huì)發(fā)生屈服變形來吸收巨大的沖擊能，這個(gè)特性主要是因?yàn)槠淇估瓘?qiáng)度與屈服強(qiáng)度的比值很大，在斷裂之前延展率特別大，這是奧氏體不銹鋼組織所具有的加工硬化性能導(dǎo)致的。良好的抗升溫能力方面：300系不銹鋼在316～427℃的溫度下仍然具有令人滿意的性能，而6000系的鋁合金，抗拉強(qiáng)度在371℃時(shí)比在室溫下的強(qiáng)度降低10%；不銹鋼在1372～1483℃時(shí)熔化，而鋁合金在649℃就完全熔化了。在較高的溫度下，不銹鋼車體仍能保持很高的剛度，而鋁合金車體在不到500℃就已經(jīng)發(fā)生變形，這會(huì)危及乘客的安全，比如門機(jī)構(gòu)卡死，考慮到上述幾點(diǎn)，不銹鋼車體的安全性更高。

3.4全壽命周期成本低

從表面來看，不銹鋼作為一種價(jià)格較貴的金屬，在地鐵車輛上大范圍使用是否會(huì)增加車輛成本，經(jīng)認(rèn)真核算，對于軌道交通裝備而言，全壽命周期成本（life-cycle-cost，LCC）包括了購置費(fèi)、維修費(fèi)、運(yùn)營費(fèi)等幾部分，長期以來人們往往特別在意初次購置費(fèi)的多少，導(dǎo)致了研發(fā)和生產(chǎn)費(fèi)用很低，卻忽略了運(yùn)營費(fèi)和維修費(fèi)，致使地鐵公司對購入的地鐵車輛要付出高昂的運(yùn)營費(fèi)和維修費(fèi)用，因此導(dǎo)致了全壽命周期成本LCC居高不下。在這方面日本曾對普通碳鋼、鋁合金、不銹鋼車體結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)及其20年的總費(fèi)用進(jìn)行了一次比較，見表3。

圖1　國內(nèi)某型輕量化不銹鋼車體結(jié)構(gòu)

表3　日本3種車體的制造價(jià)格/（美元）

就制造價(jià)格（包括原材料、焊材、噴漆、加工、操作等）而言，鋁合金車體最高，比普通碳鋼車高約6萬美元一輛，不銹鋼車體比普通碳鋼車高約6千美元一輛。就其20年的總費(fèi)用而言，普通碳鋼車是不銹鋼車體的1.75倍，鋁合金車體是不銹鋼車體的1.69倍，如圖2所示。因此不銹鋼車體全壽命周期成本LCC是最低的，其經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)勢極為明顯。

圖2　日本三種車體總的費(fèi)用（含制造、維修費(fèi)）

4　結(jié)束語

由于不銹鋼軌道車輛具有優(yōu)良的耐腐蝕性、抗升溫能力和抗沖擊性能，有利于提高行車安全，所以以輕量化不銹鋼軌道車輛為代表的綠色交通必將成為城市的一道亮麗風(fēng)景線。

［1］趙明花，劉玉民.城市軌道車輛不銹鋼車體的研發(fā)［J］.城市軌道交通研究，2004（1）：76-81.

［2］姚曙光，田紅旗.高速不銹鋼車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，5（1）：72-75，86.

［3］內(nèi)田博行，高魁源.日本不銹鋼車輛技術(shù)［J］.國外鐵道車輛，2001，38（4）：1-4.

［4］王潤嬌.冷軋奧氏體不銹鋼車體板多點(diǎn)焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞可靠性的實(shí)驗(yàn)研究［D］.北京：北京交通大學(xué)，2010.

It gives a description on the history of the stainless steel rail vehicle and the material properties of stainless steel.And a detailed representation on the advantages possessed by the stainless steel rail vehicle such as high corrosion resistance&maintenance-free properties，lightweight body structure，high reliability and low life-cycle cost etc.All these advantages prove that the stainless steelrailvehicles conforms the trend ofgreen transportation.

不銹鋼軌道車輛；SUS301L；耐腐蝕；輕量化；全壽命周期

Stainless SteelRailVehicle；SUS301L；Corrosion Resistance；Light Weight；FullLife Cycle

U121

B

1672-0555（2015）03-010-04

2015年6月

姚明哲（1980-），男，本科，工程師，主要從事軌道車輛車體工藝工作