天津地鐵車輛車體材質(zhì)對比分析

劉忠俊 付光濤

(天津市地下鐵道運(yùn)營有限公司,300222,天津∥第一作者,工程師)

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天津地鐵車輛車體材質(zhì)對比分析

劉忠俊 付光濤

(天津市地下鐵道運(yùn)營有限公司,300222,天津∥第一作者,工程師)

選取鋁合金和不銹鋼兩種材質(zhì)的地鐵車體作為研究對象,以天津地鐵車輛車體材質(zhì)現(xiàn)狀為例,深入分析研究兩種材質(zhì)車體車輛的結(jié)構(gòu)和使用性能。鋁合金車體的輕量化、節(jié)能效果、氣密性及乘坐舒適度均優(yōu)于不銹鋼車體，而不銹鋼車體的耐腐蝕性和安全性更佳。兩種車體均可滿足地鐵車輛的使用要求和安全要求，使用方可根據(jù)需要加以選擇。

天津地鐵車輛; 車體材質(zhì); 鋁合金; 不銹鋼

Author′s address Tianjin Metro Operation Co.,Ltd.,300222,Tianjin,China

我國地鐵車輛制造技術(shù)經(jīng)過了較長的發(fā)展過程。初期的地鐵車輛車體采用碳鋼材質(zhì)。由于碳鋼車體存在耐腐蝕性差、質(zhì)量大、后期維護(hù)費(fèi)用高等缺陷,故碳鋼材質(zhì)在地鐵車輛車體上的應(yīng)用顯著減少。后來，在借鑒國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,我國進(jìn)行了鋁合金車體和不銹鋼車體的研發(fā),并在車體的結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝等方面取得了重要突破[1]。

目前，我國地鐵車輛車體選用的主流材質(zhì)是鋁合金和不銹鋼。其中，大多數(shù)城市采用純鋁合金車體或純不銹鋼車體[2],也有的城市(如哈爾濱)地鐵采用了鋼鋁混合車體。鋁合金材質(zhì)和不銹鋼材質(zhì)之間采用鉚接方式連接。

1 天津地鐵車輛現(xiàn)狀

目前,天津地鐵已建成運(yùn)4條營線路。天津地鐵1號線于2006年開通,采用國內(nèi)較早運(yùn)營的鋁合金車體,其車體性能穩(wěn)定,已使用了10年。天津地鐵2、3號線于2012年開通,采用了目前較為成熟的不銹鋼車體,初期運(yùn)營均配置3動3拖6編組列車。在建的天津地鐵5、6號線車輛車體采用不銹鋼材質(zhì)。津?yàn)I輕軌9號線于2004年開通,是我國首次大批量投入使用的不銹鋼車體車輛。此前，國內(nèi)僅有北京城市軌道交通13號線中的1列4節(jié)編組列車車輛采用不銹鋼車體。

天津城市軌道交通未來規(guī)劃有多條線路,所配置列車將超過千列。按每列車6節(jié)編組計算,實(shí)際車輛總數(shù)將超過6 000節(jié)。車體的材質(zhì)不僅關(guān)乎車輛初期的采購成本,也關(guān)系到后期車輛的檢修維護(hù)成本和使用壽命。因此,車輛材質(zhì)選取是目前天津地鐵研究的一項重要課題。

2 不同材質(zhì)車體結(jié)構(gòu)

2.1 鋁合金材質(zhì)車體

天津地鐵1號線車輛車體采用的是目前市場上通用的大斷面中空有立筋的擠壓鋁合金型材,車體底架上的牽引梁和緩沖梁采用7020 T6型號鋁合金,車體側(cè)墻、車頂、端墻及底架其余部位采用6005A T6型號鋁合金。后兩種型號的鋁合金型材均為固溶處理后再經(jīng)人工時效處理。圖1為天津地鐵1號線車體結(jié)構(gòu)示意圖。鋁合金型材均為分塊結(jié)構(gòu),不同型材間相互插接,型材坡口位置采用電弧焊整體焊接成型,長大直焊縫采用自動焊接工藝,加工工藝比較簡單。鋁合金車體形態(tài)美觀大方,線條清晰。

圖1 天津地鐵1號線鋁合金車體結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 不銹鋼材質(zhì)車體

天津地鐵2、3號線不銹鋼車體采用典型的薄壁筒型整體承載的點(diǎn)焊結(jié)構(gòu),該車體結(jié)構(gòu)通過焊點(diǎn)傳力。不銹鋼車體的加工工藝比鋁合金車體復(fù)雜,需要大量的夾具等工裝設(shè)備。車體的底架、側(cè)墻、車頂及端墻均由不銹鋼薄壁梁經(jīng)點(diǎn)焊形成整體承載的骨架結(jié)構(gòu),再在骨架上點(diǎn)焊蒙皮。由于受工裝或工藝限制,不能采用點(diǎn)焊的部位一般采用環(huán)焊。車體底架枕梁、牽引梁等局部結(jié)構(gòu)采用耐候鋼,其余結(jié)構(gòu)均采用SUS301L系列奧氏體高強(qiáng)度不銹鋼。圖2為不銹鋼車體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 天津地鐵2、3號線不銹鋼車體結(jié)構(gòu)示意圖

3 兩種材質(zhì)車體運(yùn)用情況對比分析

3.1 抗腐蝕能力

鋁合金材質(zhì)雖然有一定的抗腐蝕能力,但是若長期暴露在空氣中,其材質(zhì)表面會發(fā)生電化學(xué)腐蝕,并且有變色現(xiàn)象,從而降低鋁合金結(jié)構(gòu)的使用可靠性。因此,鋁合金車體外表面需進(jìn)行涂裝處理。

不銹鋼材料通過添加Cr、Ni等元素形成穩(wěn)定的奧氏體組織,其基體具有很強(qiáng)的抗腐蝕能力[3]。不銹鋼車體車輛在運(yùn)用過程中不用考慮腐蝕的影響,其車體外表可不采取任何防腐蝕措施,可以做到鋼結(jié)構(gòu)30年不挖補(bǔ)修理。如果考慮車體表面美觀或消除點(diǎn)焊痕跡,也可在車體表面粘貼彩帶或進(jìn)行涂裝處理。

因此,不銹鋼車體的抗腐蝕能力遠(yuǎn)優(yōu)于鋁合金車體。

3.2 車體輕量化和節(jié)能

鋁合金車體最突出的優(yōu)點(diǎn)就是輕量化[4]。由于鋁合金材料的密度是不銹鋼的1/3，因此即使鋁合金車體采用電弧焊工藝,在焊縫處填充了大量的焊接材料,增加了車體自重,但是對同等類型的地鐵車輛而言,鋁合金車體要比不銹鋼車體輕10%～15%左右。這對車輛運(yùn)營節(jié)能的貢獻(xiàn)很大。以B型地鐵車為例,鋁合金車體比不銹鋼車體輕1 t左右。每走行1 km節(jié)省耗電約0.14 MJ。如按每天走行500 km,每年運(yùn)行300 d計算,一列6節(jié)編組的鋁合金材質(zhì)地鐵車輛可比不銹鋼材質(zhì)車輛節(jié)省3.5萬度電。

因此,鋁合金車體在輕量化和節(jié)能方面要優(yōu)于不銹鋼車體。

3.3 車體氣密性

鋁合金車體由于采用了密閉的擠壓型材,型材之間全部采用電弧焊工藝滿焊連接,型材開口位置都打膠密封。因此,鋁合金車體具有良好的氣密性,車輛隔音降噪效果顯著。

不銹鋼車體的搭接點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)造成了車體存在多處空腔,難以實(shí)現(xiàn)良好密封。因此不銹鋼車體氣密性較差,車輛運(yùn)行時的噪聲容易傳到車內(nèi),隔音效果相對較差。

可見,鋁合金車體的氣密性優(yōu)于不銹鋼車體。3.4 乘坐舒適度

影響車輛乘座舒適度的因素主要是車體的彈性振動。常用車體的垂向剛度來評價車體的彈性振動性能的優(yōu)劣。垂向剛度與車體的輕量化關(guān)系較大。隨著車體重量的降低,垂向剛度隨之降低,從而導(dǎo)致車體頻繁發(fā)生彈性振動,降低了車輛的乘坐舒適度。

鋁合金車體可改變車體用材的截面形狀。目前使用的大型中空擠壓型材普遍采用雙殼帶筋板結(jié)構(gòu),能顯著提高車體的垂向剛度,改善鋁合金車體的乘座舒適度。

為減輕車體自重,不銹鋼車體常使用薄壁板材,導(dǎo)致整車的垂向剛度相應(yīng)降低,從而降低車輛的乘坐舒適度。因此,鋁合金車輛的乘坐舒適度要優(yōu)于不銹鋼車輛。

3.5 車輛安全性

當(dāng)鋁合金車體遭受意外撞擊時,車體存在沿焊縫或母材薄弱區(qū)整體撕開的可能。因此,鋁合金車體在耐撞性設(shè)計時需特別注意車體縱向剛度的協(xié)調(diào),對于底架前端緩沖結(jié)構(gòu)等部位要盡量使車體在碰撞時能夠?qū)⒅饕呐鲎矂幽芟谀妥参芙Y(jié)構(gòu)中,從而減少對車體縱向長大焊縫的沖擊。另外,鋁合金車體的熔點(diǎn)低,在溫度接近500 ℃的環(huán)境里就會發(fā)生車體變形,容易導(dǎo)致車門打不開。達(dá)到660 ℃的熔點(diǎn)時,車體很快就會熔化掉,嚴(yán)重危及乘客安全。

不銹鋼的屈強(qiáng)比較低,在材料開始屈服直到斷裂前的延伸率很大,變形區(qū)塑性高,因此在發(fā)生撞擊時,不銹鋼車體可以通過變形吸收大量的能量,具有優(yōu)良的抗沖擊性能。并且不銹鋼車體的點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)受到撞擊后焊點(diǎn)將逐次破壞失效,不會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)突然裂開的情況,提高了意外事故情況下的安全性能。不銹鋼的熔點(diǎn)為1 500 ℃,遠(yuǎn)高于鋁合金的熔點(diǎn),并且，不銹鋼車體在高溫條件下仍有很好的機(jī)械性能。

兩種材質(zhì)的車體均能滿足地鐵車輛的安全要求,但從物理性能方面比較,不銹鋼車體的安全性更好。

4 結(jié)語

從我國各城市地鐵的情況看,北京、成都、沈陽等城市的地鐵車輛多以不銹鋼材質(zhì)為主,廣州、深圳、上海、武漢等城市的地鐵車輛大多采用鋁合金車體。兩種材質(zhì)車體的使用反饋均較好。綜合上述分析發(fā)現(xiàn),鋁合金和不銹鋼兩種材質(zhì)車體有各自的特點(diǎn),都能滿足地鐵車輛使用性能的要求。

對于地鐵車輛使用方來說,若偏重于車輛的輕量化、氣密性及乘坐舒適度,可考慮選擇鋁合金車體;若偏重于車體的耐腐蝕性及更高的安全性,可考慮選擇不銹鋼車體。本文對于鋁合金和不銹鋼兩種車體材質(zhì)的對比分析希望能夠?yàn)榈罔F車輛車體材質(zhì)的選擇提供一定的參考和借鑒。

[1] 森久史,彭惠民.鐵道車輛車體的輕量化和高剛度化技術(shù)[J].國外機(jī)車車輛工藝,2012(4):67.

[2] 曾妮.城軌車輛車體材料的發(fā)展與選擇[J].黑龍江科技信息,2012(29):25.

[3] 肖彥君,楊潤棟.地鐵車輛車體材料的選型分析[J].現(xiàn)代城市軌道交通,2005(1):43.

[4] 徐群峰.鋁合金車體發(fā)展概況[J].中國金屬通報,2011(39):39.

Comparative Analysis of the Carbody Materials Used in Tianjin Metro Vehicle

LIU Zhongjun, FU Guangtao

Two kinds of carbody material made of aluminum alloy and stainless steel are selected as the research object, then according to the situation of carbody materials used in Tianjin metro vehicle, the vehicle structure and the material properties are studied. In aspects of light weight, energy-saving, airtightness and riding comfort, aluminum alloy carbody is better than stainless steel carbody, but the latter features corrosion resistance and safe operation. Both of them could meet the demands of vehicle performance, users could select the materials according to their special needs.

Tianjin Metro vehicle; carbody material; aluminum alloy; stainless steel

U 270.4

10.16037/j.1007-869x.2016.06.028

2016-01-08)