淺析地鐵車輛車體材料選擇

張鵬

摘要：車體材料決定了車體的結構形式、車體的制造與維護費用，是城軌車輛在采購和運用中的關鍵問題之一。文章結合當前國內(nèi)城市軌道交通車輛車體的使用及選購情況，針對不銹鋼、鋁合金車體的材料和結構特點進行分析、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)。

關鍵詞：地鐵車輛;車體材料;選擇與分析

1.引言

車體是車輛的關鍵部件，其材料選型不僅牽涉車輛本身的投資大小、車重、安全性、美觀性，?而且還影響車輛供貨商的選擇、投入運營后的運營維修費用、乘客乘坐舒適度、環(huán)境影響等，是控制車輛投資、提高服務水平及運營成本的重要因素。

車體是車輛結構的主體。車體的強度、剛度，?關系到運行安全可靠性和舒適性;車體的防腐耐腐能力、表面保護和裝飾方法，關系到車輛外觀、壽命和檢修制度?;車體的重量，則會對能耗大小、加減速度、載客能力?、乘客舒適度乃至列車編組形式（動拖比）。以上所述又都直接影響運營質(zhì)量和經(jīng)濟效益。車體結構形式、性能和技術經(jīng)濟指標主要取決于車體材料。故車體選材在城市軌道交通工程建設中是需要考慮的一個重要問題。

2. 車體材料的類型

車城軌車輛的發(fā)展中，車體材料先后出現(xiàn)了碳鋼（耐候鋼）、不銹鋼、鋁合金和新型復合材料，因碳鋼重量較大、耐腐蝕性差，技術相對較落后，且新型復合材料的應用相對較少，本文將著重討論不銹鋼和鋁合金的性能選擇。

2.1不銹鋼車體。隨著材料學的進步和制造工藝的不斷突破，不銹鋼材料由于具有高強度、耐腐蝕和質(zhì)感好等優(yōu)良特性，已被廣泛應用于軌道車輛行業(yè)，成為車體結構的主要材料。與碳鋼車體相比，不銹鋼車體重量輕、耐腐蝕、變形量小、殘余應力低，車體壽命長，可實現(xiàn)無涂裝工藝、環(huán)保等優(yōu)點。目前常用于車體材料的不銹鋼有兩種：奧氏體系不銹鋼的SUS301L、SUS304。由于?SUS?301L具有通過軋制加工而易于增加硬度和抗拉強度的特性，故可根據(jù)使用部位選用適當?shù)燃壍牟牧?。SUS?304一般用于強度要求不高的部位。不銹鋼車體的造價稍高于碳鋼車體，其維修費用最低;從輕量化水平不及鋁合金車體，但是比碳鋼車體好很多。

2.2鋁合金車體。鋁合金的比重只相當于普通鋼的?1/3，彈性模量也只有鋼的?1/3，在保證車體同等強度的條件下，車體自重最大可減輕50%，而且鋁合金的耐腐蝕性好，可延長車輛的使用壽命。因此，許多國家都在積極開發(fā)和生產(chǎn)鋁合金車。鋁合金車體制造技術很大程度依賴于原材料制造工業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)車輛用鋁型材、板材的制造產(chǎn)業(yè)與國外相比有很大差距。目前我們的型材制造技術雖然有很大提高，但在材料質(zhì)量、尺寸公差上還不能滿足車輛裝配和焊接的要求。

3. 不銹鋼車體與鋁合金車體技術性能比較

3.1安全性

不銹鋼的熔點為1?500?℃，?鋁合金的熔點是?660?℃，鋁合金的耐熱性僅是不銹鋼的?44?%。在發(fā)生嚴重火災情況下，鋁合金車體將會很快熔化掉，?帶來可怕的災難性后果?。相比較而言?，不銹鋼車體?骨架難以熔化。2003?年?9?月莫斯科地鐵火災事故中，車體鋼骨架雖變形，?但沒有熔化掉。莫斯科地鐵和紐約地鐵車輛至今不用鋁合金車體。因此，從乘客和設備安全性出發(fā)，為減少人員的傷亡和火災事故的損失，不銹鋼車體占優(yōu)。

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，結構將發(fā)生類似手風琴的疊縮變形，?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。

3.2輕量化

鋁合金的比重為?2.71?g/?cm3?，?僅是不銹鋼?（7.85?g/?cm3）的?1/3?，從理論上講，鋁合金材料更能使車體輕量化。但是，鋁合金的抗拉強度不如不銹鋼，鋁合金抗拉強度274～352?N/mm?，而一般不銹鋼抗拉強度520～685?N/mm?，?采用超低碳（C?<?0.03?%）輕量化不銹鋼的抗拉強度?達到960～1?200?N/mm?，是鋁合金的2～5?倍。而且，鋁合金剛度低?，其彈性模量為?0.71?×10?s?N/mm2?，?是不銹鋼（2.06?×10?N/mm）的?1/3。因此，?為保證地鐵車輛有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充分保證地鐵車輛不銹鋼和鋁合金車體的強度和剛度，根據(jù)國內(nèi)外地鐵車輛車體采用不銹鋼和鋁合金的實踐經(jīng)驗，地鐵車輛耐候鋼車體自重約9～10?t?，不銹鋼車體自重約6～7?t?，?鋁合金車體自重約4～5?t。如果以耐候鋼車體自重為基準，則不銹鋼車體可減輕自重30?%?左右?，鋁合金車體可減輕自重?50?%左右。因此，鋁合金車體輕量化效果比不銹鋼車體更明顯些。

3.3外觀質(zhì)量

不銹鋼和鋁合金車體都具有較好的耐腐蝕性，但不銹鋼車體比鋁合金車體更優(yōu)越，由于不銹鋼含鉻?>12%，使原電池腐蝕不易發(fā)生，?這就顯著提高了不銹鋼車體的耐腐蝕性。鋁合金車體的耐腐蝕性是由于在空氣中鋁合金表面形成一層致密的三氧化二鋁保護膜而具有很好的防腐蝕能力。但鋁合金車體在長期運用中，?特別是在潮濕的環(huán)境下，遇到空氣介質(zhì)中的陰離子（如?C1），?就會產(chǎn)生局部原電池，發(fā)生點蝕、面蝕和變色?，影響車體強度和美觀。因此不銹鋼車體的耐腐蝕性比鋁合金車體要好些。在抵御磕碰、防劃傷能力方面，鋁合金占優(yōu)?，且可以修復;?不銹鋼由于是薄板且為拉絲板，?容易劃傷，更忌諱異向劃痕，出現(xiàn)劃痕難以消除。

3.4車底布置與能耗

中空鋁型材車體，?車下空間大，?適應大線槽布線和空氣管路預裝配，?做到整體吊裝，實現(xiàn)模塊化結構要求;不銹鋼車體由于板?。ǖ准苓吜阂仓皇遣捎米詈竦?δ=4?mm鋼板軋制而成），板梁點焊結構，車下空間小，設備布置分散，?只能用傳統(tǒng)的預留線槽線道、現(xiàn)車穿線工藝，?線路?、管路布置零亂。

能耗方面對B型車而言鋁合金車體比不銹鋼車體每輛車輕1?t左右，?對于城軌車輛，?1?t自重每走行1?km，?耗電約0.137?MJ，按每日若以每日走行500km（洛陽軌道1號線）計算，則一年所消耗的電能為24622MJ，折合68396kW?。

4. 結論

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，?建議國內(nèi)城市在車輛選型中采用層次分析法?，結合經(jīng)濟?、安全、外觀等因素綜合考慮，在采購和運用城軌車輛時，應當充分考慮這些問題，不可盲目采購鋁合金車體，應具體問題具體分析，做出合理的選擇。

參考文獻

[1]薛克仲.城市軌道車輛車體材料選擇[J].城市軌道交通研究.2003.

[2]新井浩.鐵道車輛的車體材料及其特征[J].國外機車車輛工藝.2005.

[3]張國慶.不銹鋼車輛車體剛度研究[D].大連：大連交通大學.2010.

[4]員華，鄒鵬.不銹鋼車體與鋁合金車體的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].機電工程.2008.

[5]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.