车体材料的探讨

项目3　城市轨道交通车辆车体

【项目描述】

车体是城轨车辆重要的组成部分,本项目将对城轨车辆车体的作用、分类、结构等进行分析。本项目的重点是铝合金与不锈钢车体,最后简要介绍模块化结构和车体材料选型的基本知识。

【学习目标】

通过本项目的学习要求掌握以下基本知识：

1.掌握城轨车辆车体的作用与分类。

2.熟悉城轨车辆车体的结构形式。

3.掌握城轨车辆铝合金车体的结构和特点。

4.掌握城轨车辆不锈钢车体的结构和特点。

5.熟悉城轨车辆模块化车体结构的基本知识。

【技能目标】

1.能分析城轨车辆车体的基本结构。

2.能进行车体材料的选型分析。

任务1　城轨车辆车体的认知

【活动场景】

在城轨车辆生产厂的车体生产车间,或在城轨车辆车体的检修现场教学,或在能用多媒体技术展示城轨车辆车体的结构、材料与生产工艺的实训演练场或教室进行。

【任务要求】

掌握城轨车辆车体的基本作用、基本特征及典型车辆车体的结构特点。

【知识准备】

车体是城轨车辆的主体结构,其主要功能是运载旅客、承载和传递载荷,并装有传动机构、电气设备和其他一些设施。为使旅客的乘车环境安全舒适,车体还要安装防火、隔声、隔热材料。

(1)车体的作用与分类

1)车体的作用

城轨车辆的车体可按是否带司机室进行分类,对没有司机室的城轨车辆来说车体是为乘客提供服务的公共场所,也是安装和连接其他设备及组件的基础；对有司机驾驶设备的头车而言,除具有上述功能外,还是司机操作城轨列车和安装司机操作台的场所。

2)车体的分类

①按照车体所使用材料可分为碳素钢车体、铝合金车体和不锈钢车体3种,早期的城轨车辆车体材料基本上是碳素钢(包括普通低碳钢和耐候钢),目前新生产的城轨车辆主要使用铝合金和不锈钢车体。

②按照车体结构有无司机室可分为带司机室车体和无司机室车体两种。

③按照车体尺寸可分为3m宽的A型车车体,2.8m宽的B型车车体和2.6m宽的C型车车体。如,广州地铁1,2号线、深圳地铁车辆采用了A型车；广州地铁3,4号线和天津滨海轻轨采用了B型车。

④按照车体结构工艺不同可分为一体化结构和模块化结构。如广州地铁1号线车辆采用的是一体化结构,而2号线采用的则是模块化结构。

(2)车体的基本特征、结构与要求

城轨车辆是城市内或城市近郊客运的专门交通工具,因而具有与一般轨道交通车辆所不同的特征。

1)车体的基本特征

①城轨车辆车体结构有多样性特点,目前我国的城轨车辆的车体一般为电动车组,有单节、双节、三节式等多种形式；有带有司机室的头车和中间车；有动车与拖车之分。

②城轨车辆属于城市公共交通的范畴,乘客数量多,旅行时间短,上下车频繁,有高峰期、平峰期之分,针对这些特点城轨车辆在制造时车内设置的座位数量少,车门数量多而且开度大,车内服务于乘客的设备相对比较简单。

③为降低城轨线路设施建设的工程投资,城轨车辆的质量限制较为严格,特别是高架轻轨车辆,更是要求列车质量轻、轴重小。

④为减轻列车自重,车辆必须轻量化,对于车体承载结构一般采用大型中空截面挤压铝型材、高强度复合材料或不锈钢等,采用整体承载筒形车体结构,车辆的其他辅助设施也尽量采用轻型材料和轻量化结构。

⑤城轨车辆一般运营于城市人口稠密地区,并用于乘载旅客,因此,对车辆的防火要求非常严格,特别是地铁车辆。通常车体的结构采用防火设计,材料须经过阻燃处理。

⑥对车辆的隔音和降噪有严格要求,以最大限度降低噪声对乘客和沿线居民的影响。

⑦用于城市内交通、车辆外观造型和色彩必须考虑城市文化、环境美化,与城市景观相协调。

2)车体的结构形式

图3.1　钢制车体整体承载结构

按照车体结构承受载荷的方式不同,车体可分为底架承载结构、侧墙和底架共同承载结构和整体承载结构3类。

①底架承载结构。全部载荷由底架来承担的车体结构称为底架承载结构或自由承载结构。

②侧墙和底架共同承载结构。由侧、端墙与底架共同承担载荷的车体结构称为侧墙和底架共同承载结构或侧墙承载结构,侧、端墙与底架等通过固接形成一个整体,具有较高的强度和刚度。

③整体承载结构。如图3.1所示为钢制车体的整体承载结构。由图可知,车体结构是板梁式,侧、端墙上固接由金属板、梁组焊而成的车顶,使车体的底架、侧墙、端墙、车顶连接成一个整体,成为开口或闭口箱形结构,这种车体结构的各部分结构均承受载荷,因而称为整体承载结构。

3)车体结构分析与基本要求

如图3.2所示为城轨车辆车体的一般结构形式,由图可知,城轨车辆车体底架是车体结构和设施的安装基础,承受城轨车辆的主要动、静载荷。因此,底架必须具有足够的强度和刚度,底架也是城轨车辆生产制造厂和城轨车辆检修段制造与检修作业的重点。

底架中部断面较大并沿其纵向中心线贯通全车的梁称为中梁,它是底架的骨干。底架两侧边沿的纵向梁称为侧梁,侧墙固定其上。底架两端部的横向梁称缓冲梁(或称为端梁),端墙固定其上。在转向架的支撑处设有枕梁,为横向梁中断面最大的梁。在两枕梁之间设有两根以上的大横梁。为了吊挂设备,铺设地板,底架上还设有若干小横梁和纵向辅助梁,同时达到了增强底架强度和刚度的目的,由上述梁件构成底架的一般结构,其中,中梁和枕梁承担载荷最大,因而最为重要。城轨车辆整体承载结构车体是由若干纵向、横向梁和立柱组成的钢骨架(也称钢结构),再安装内饰板、外蒙皮、地板、顶板及隔热、隔音材料、车窗、车门及采光设施等组成。一般包括底架、端墙、侧墙、车顶、车窗、车门、贯通道和车内设施等部分。侧墙由杆件、墙板和门窗组成。杆件包括立柱、上弦梁、横梁和其他辅助杆件,它们与底架的侧梁构成一体。墙板有蒙皮和内饰板,蒙皮是用钢板、不锈钢板或铝合金板制成,内饰板具有车内装饰的功能,经过阻燃处理。端墙结构与侧墙基本相同,除端梁外,还设有角柱、端立柱、上端梁和墙板等。车顶结构包括车顶弯梁、车顶横梁、车顶端弯梁及车顶板等。

为满足安全运载旅客的需要,车体钢结构必须有足够的强度；为提高乘坐舒适度,车体必须具有足够的刚度,保证车体的自振频率与转向架的自振频率不一致,避免产生共振现象而降低乘坐舒适度。试验结构表明：转向架采用空气弹簧时,车体钢结构的自振频率应达到8Hz以上。

车体是城轨车辆结构的主体与基础。车体的强度、刚度关系城轨车辆运行安全的可靠性和舒适性；车体的质量则关系能耗、加减速度、载客能力以及列车编组形式。车体结构形式、性能和技术经济指标主要取决于车体材料。对于车辆设计和制造而言,减轻车体自重和降低能耗是必须解决的问题,其中的主要方法是实现车辆的轻量化。城市轨道运输事业的不断发展,给城市轨道车辆提出了越来越高的要求,轻量化,可靠性,怡静化技术,模块化设计等已成为现代化城市轨道车辆设计与制造的重要标志。

图3.2　车体一般结构形式

1-缓冲梁(端梁)；2-枕梁；3-小横梁；4-大横梁；5-中梁；6-侧梁；7-门柱；8-侧立柱； 9-上侧梁；10-角柱；11-车顶弯梁；12-顶端弯梁；13-端立柱；14-端斜撑

(3)车体结构的发展

城轨车辆车体结构的发展与铁道车辆的车体结构的发展有许多相同之处,即由最初的全木结构,逐渐演变为钢制底架与木制车体的组合结构,到铆接全钢结构；车体材料由钢制的迅速发展为轻量化和耐腐蚀的轻型不锈钢或者铝合金车体结构；车体结构由骨架与外板构成的单壳结构,演变为以不锈钢双薄板结构和铝合金大型中空挤压型材结构为主的全双壳结构。

近代城轨车辆车体均采用整体承载的钢结构或轻金属结构,以达到满足强度和刚度要求的同时降低车辆自重。我国地铁车辆的车体结构从20世纪80年代就开始采用耐候钢无中梁整体承载结构,车体侧墙、车顶的梁柱与蒙皮结合后与底架构成封闭断面,以增强车体的强度和刚度。到20世纪90年代又生产了断面为鼓形的地铁车辆,使其能更好地利用限界。《地铁车辆通用技术条件》(GB/T7928-2003)规定我国地铁车辆车体采用整体承载结构。

【任务实施】

下面以西安地铁2号线城轨车辆为例,认识城轨车辆车体的结构、特点与要求。

(1)总体概述

西安地铁2号线车辆为B2型车,车体断面呈鼓形,可适度增加车体内部的有效空间,车体两侧采用内藏式双开电动拉门结构。西安地铁2号线车辆的车体能够承受自重、载重及列车在牵引、制动产生的纵向载荷和运行检修中产生的斜对称载荷,而且还能够承受一列6辆编组的电动列车以3～5km/h的速度进行车辆联挂时产生的纵向冲击力。车体的纵向静载荷为800kN,以配置安装合理的缓冲吸能结构系统,进而提高车辆的安全性,确保事故时对司乘人员具有更高的保护能力。

(2)车体钢结构分析

西安地铁2号线地铁车辆的车体钢结构采用薄壁、筒型整体承载结构,车体选用高强度不锈钢SUS301L系列为主要承载结构的材料。车体外表面不涂漆。车体为轻量化不锈钢结构,整车除端底架采用碳钢材料外,其余各部位均采用高强度不锈钢材料。各零部件间采用点焊连接,车体总组成也是采用点焊连接。

车顶由波纹顶板、车顶弯梁、车顶边梁、侧顶板、空调机组平台、受电弓平台等几部分组成。车顶采用波纹顶板无纵向梁结构,与车顶弯梁点焊在一起,机组平台由纵梁、弯梁、顶板点焊组成,再与车顶通过点焊与弧焊组成一体。

侧墙主要由侧立柱,窗上、下横梁,门扣铁,侧墙上、中、下墙板(其中上墙板为冷弯型钢),门上横梁,侧墙下边梁等主要零部件组成。端墙为板梁点焊结构,主要特点是端角柱向车体外端翻边,使之与车顶、侧墙的点焊工艺性更好,提高了点焊效率和质量。

底架采用碳钢端底架与不锈钢底架塞焊连接,主横梁与边梁利用过渡连接板实现点焊连接,底架边梁采用4mmSUS301L-HT材料,以提高底架的整体强度和刚度。地板厚度为0.6mm,材料为SUS301L-MT的波纹板。整体冷弯成型,滚焊搭接,以保证密封性。波纹板与主横梁、枕梁、地板梁间采用电铆焊连接,提高车辆承受纵向载荷的能力。在Tc车前端设计中有一撞击能量吸收区,设计和制造该撞击能量吸收区的目标为：一列AW0列车以25km/h的速度与另一列AW0停止状态的列车相撞时,吸收列车的撞击能量,客室无损坏,并确保证司机的安全。

(3)西安地铁2号线车辆车体的主要技术参数

西安地铁2号线车辆车体的主要技术参数如下:

【效果评价】

评价表

任务2　城轨车辆铝合金车体的认知

【活动场景】

在城轨车辆生产车间或检修现场教学,或用多媒体展示铝合金车体的使用与生产。

【任务要求】

掌握城轨铝合金车体的结构、特点和形式。

【知识准备】

铝合金车体是一种轻型整体承载结构,主体材料是铝合金型材,通常采用模块化结构或全焊接组装,是一种新型的车体结构。铝合金材料密度小,比强大,构造的车体在满足车体强度和刚度的同时大幅度地减轻了车体的质量而备受青睐。

(1)铝合金材料特性

铝合金材料的特性主要表现在以下5个方面。

①质轻且柔软,更容易实现车体的轻量化。铝的密度为2.71g/cm3,约为钢密度(7.87 g/cm3)的1/3；杨氏模量也约为钢的1/3.

②强度好。纯铝的抗拉强度约为80MN/m2,是低碳钢的1/5.但经过热处理强化及合金化强化,其强度会大幅增加。如铝合金车体常用的材质6005A-T6,它的最低抗拉强度为360MN/m2,能达到低碳钢相应的强度值。

③耐蚀性能好。铝合金的特性之一是接触空气时表面会形成一层致密的氧化膜,这层膜能防止腐蚀,所以耐蚀性能好。若再实施"氧化铝膜处理法",就可以全面防止腐蚀。

④加工性能好。车辆用型材挤压性能好,二次机加工、弯曲加工也较容易。

⑤易于再生。铝的熔点低(660℃),再生简单。在废弃处理时也无公害,有利于环保,符合可持续发展战略。

根据铝合金车体结构及制造、运用情况,选择材料时应遵循以下原则：从轻量化方面考虑,要求强度、刚度好,而质量轻；从寿命方面考虑,要求耐蚀性、表面处理性、维护保养性好；从制造工艺方面考虑,要求焊接性、挤压加工性、成型加工性高。根据以上原则,铝合金车体主要使用5000系列、6000系列、7000系列的铝合金。3个系列的铝合金材料的特性及用途见表3.1.

表3.1　车辆常用铝合金材料的特性及用途

(2)铝合金材料车体的特点

最早的铝合金车是1952年英国研制的伦敦地铁电动车组。铝合金车体的发展经历了板梁期、开口型材期和现在的大型中空挤压型材期3个发展阶段,现在逐渐走向成熟。铝合金车体具有以下优点：

①能大幅度降低车辆自重,在车辆长度相同的条件下,与碳素钢车体相比,铝合金车体的自重降低为30%～35%,强度质量比约为碳素钢车体的2倍。碳素钢车体、不锈钢车体、铝合金车体的质量之比为10：8：6.

②具有较小的密度及杨氏模量,因此,铝合金对冲击载荷有较高能量吸收能力,可降低振动,减少噪声。

③可运用大型中空挤压型材进行气密性设计,提高车辆密封性能和乘坐舒适性。

④采用大型中空挤压型材制造的板块式结构,可减少连接件的数量和质量。

⑤减少维修费用,延长使用寿命。

(3)铝合金车体形式

1)纯铝合金车体

城轨车辆纯铝合金车可分为以下4种形式：

①车体由铝板和实心型材制成,铝板和型材通过铝制铆钉、连续焊接和金属惰性气体点焊等进行连接。除了车钩部分及车体内的螺钉座使用碳素钢外,其他部位都使用密度仅为碳素钢1/3的铝合金,实现了车体的轻量化。这些铝板和型材等多为拉延材料(板材、挤压型材、锻造材料)。最近,很多地方使用大型挤压型材,进行热处理后,其机械性能有很大的提高。大型挤压型材的组合使车辆制造时焊接大量减少,但制造成本增大。

②车体结构是板条骨架结构,用气体保护的熔焊作为连接方法。

③在车体结构中应用整体结构,板皮和纵向加固件构成高强度大型开口型材。

④车体采用空心截面的大型整体型材,结构更加简单。型材平行放置并总是在车体的全部长度上延伸,通过自动连续焊接进行连接。该车体结构以具有多种多样截面的型材为基础,并充分利用铝合金良好的机械性能。

2)混合结构铝合金车体

城轨车辆除纯铝合金车体外,还有钢底架的混合结构铝合金车体。这种车体侧墙与底架的连接基本都采用铆接或螺栓连接的方式。其作用有两点：一是可避免热胀冷缩带来的问题；二是取消了成本很高的车体校正工序。

采用铝合金材料制造车体可最大限度地减轻车体自重,从而带来提高车辆的加速度,降低运能消耗,牵引及制动能耗低,减轻了对线路的磨耗及冲击,扩大了输送能力等诸多好处。此外铝合金车体还具有以下优点：耐腐蚀性好(但在有湿气的潮湿地方更容易腐蚀,所以应特别注意排水和密封),外墙板可不涂漆,不仅节能,还节省涂装费,而且不需设置油漆场地,缩短制造周期,并可延长检修周期；可采用长大宽幅挤压型材,与一般钢结构相比,人工费节省约40%,车辆质量减少约30%。

(4)铝合金车体结构

如图3.3所示是深圳地铁1号线一期车辆车体断面图,其形状类似鼓形,采用大型中空铝型材模块结构,紧固件机械连接,整体承载,具有质量轻,承载量大,外形美观等优点。车体分为A车、B车、C车3种车型,其中A车为带有司机室的拖车,B车为带受电弓的动车,C车为不带受电弓的动车。

【注意】车体的A车、B车和C车和前面所说的A型车、B型车、C型车的概念不同。

车体由底架、侧墙、车顶、端墙等预先装配好的模块组成,车体总装配时,用螺栓将这些预装配好的模块按顺序联结在一起。

车体模块是用铝型材(占车体质量约90%)焊接而成,几乎所有的挤压型材是由合金ENAW6005A制成,它们是空心的。由于强度要求,底架的牵引梁用铝合金ENAW7020(铝合金板和一块铝合金挤压材)制成。某些低应力区域由合金板ENAW5083制成。每车模块的每侧有5对客室门结构和4个车窗结构,带司机室的拖车模块每侧还包括1个司机室门框架和一个前端门框架,中间端宽度与贯通道宽度几乎相同。

图3.3　车体断面图

1)底架

底架是车体的基础结构,底架结构模块包括地板、边梁(左和右)、枕梁(2根)、牵引梁(2个)组件。边梁、枕梁、牵引梁采用连续焊接组合在一起,将地板、隔热隔声材料、底架下管路和电线槽预先与底架组成一体,然后与侧墙和端部模块连接,底架边梁在整个长度上与侧墙模块进行机械连接,在底架的架车位置进行局部加强。

①地板。地板包括9块几乎与车辆长度相同的70mm高的挤压型材,C形挤压型材的顶部与地板安装在一起。

②边梁。边梁由两块与车辆长度相同的挤压型材组成,下部挤压型材是安装底架设备的底座,上部挤压件包括地板和侧墙的接口,侧墙接口位于地板以上约150mm处,在门口区域,挤压型材的上部切口有平滑的曲线边缘以减少那一区域的应力。

在司机室区域,边梁经由特殊的挤压型材延伸用作安装司机室模块的底座。

③枕梁。枕梁主要由两个与车辆宽度相同的挤压型材组成、包括一些固定电缆和管的各种加强及固定件组成。B车中的枕梁较特殊,它为安装高压电缆开有安装槽,其他车的所有枕梁是相同的。为安装中心销、空气弹簧和防侧滚杆,枕梁做了某些特殊加工使安装表面平滑。

④牵引梁。牵引梁有两根纵梁和一根横梁,纵梁沿车体纵向布置,其作用是把车钩力分布到地板和枕梁上,一根横梁的作用是承载、提升和牵引力,司机室下面(A车的前端)的牵引梁较长且宽,发生列车冲撞,被压溃的车钩向后运动,牵引梁能够向后微量压缩,避免车体受损坏。

2)侧墙

侧墙由上墙板、下墙板、窗间墙板3部分组成,侧墙由普通铝型材和中空铝型材焊接而成,在侧墙内侧预装有隔热隔声材料、车窗和内墙板。侧墙模块与底架和车顶模块间用拉铆紧固联结。除了第一个客室门和司机室模块之间的小侧墙模块外,所有侧墙模块由6个焊接挤压型材组成,纵向布置,并加上采光设计。C型槽与车内装饰安装件安装在一起,门和窗户支柱均有加强筋,也由挤压型材制成,为了减少扭曲变形,用铆钉把这些支柱安装在6个焊接的挤压型材上。有8个带窗户的大侧墙模块,安装在车辆相应的位置,有2个(左和右)小模块,安装于所有车辆的端墙模块和末端客室门之间。

3)车顶

车顶结构由车顶侧梁(左和右)、车顶板(3块)和空调机组安装槽(2块)组成,B车车顶结构还包括受电弓安装槽(2块)。车顶侧梁由3部分组成,下部挤压型材件有侧墙模块的接口,并包括门口,其特点与底架上边梁相同。中间挤压型材件具有侧墙和车顶的弯曲形状,上部挤压型材件包括车顶板插槽和内部安装c-槽的接口。车顶板与车顶侧梁和风道一起形成封闭的车顶,它包括6个纵向布置的小型挤压型材件。安装槽有一些纵向的小挤压型材件(根据车辆长度)和安装空调机组及受电弓的支架,空调机组安装槽也包括与内部(由板制成的)空调机组安装槽连接的接口槽。

4)端墙(中间端)

端墙安装在客室的两端头,其作用是联结客室车体与贯通(或司机室)的联结体,其结构包括地板、贯通道框架、侧墙部件。端墙上有许多结构部件和孔用于内部和外部设备的安装联结。

(5)铝合金材料使用中应注意的问题

铝合金车体有许多优点,但在设计、制造中尚需注意许多问题。如铝合金选材、大型铝型材料成型技术、铝合金结构焊接工艺的研究、铝合金材料疲劳特性和寿命试验、结构优化设计、刚度问题、防腐问题等。

1)铝合金材料的合理选择

使用铝合金材料的车体多为焊接结构,且在大气条件下工作,因此,要求铝合金材料不仅应具有适当的强度和刚度,而且需具有良好的焊接性能,特别是焊缝性能要接近母材性能水平。最好在焊后的自然时效状态即能达到固熔处理加人工时效状态的性能水平。此外还要求材料的抗腐能力和抗应力腐蚀能力强、应力集中敏感性低、焊接接头处的抗脆断能力和抗疲劳能力高。

参照国外成熟的应用经验,对于大型挤压型材的车体建议选用如下铝合金材料：受力结构件的材质应考虑选用6005A,主要是该种铝合金焊接后,焊缝强度恢复较大。该种材料虽然国内无相应牌号,但西南铝加工厂已研制出该铝合金,板材建议采用5083(国内牌号为LF4)。

2)铝合金车体的组装

铝合金的密度只相当于钢的1/3,弹性模量也只有钢的1/3.材料的刚度与弹性模量有关,因此,铝合金车体的设计不能采用钢质车体的结构形式,而应充分利用新型铝合金的性能特点,采用大型中空挤压型材。采用长大挤压型材使大多数焊缝接头位于长度方向上,因此,可集中焊接；与板梁结构相比较变形大量减少,且机械化程度高,大大减少了人工,从而提高了劳动效率。

整体结构的铝合金车体有非常好的耐冲击性能,因为其工作断面面积增大2～3倍,零件的长细比也明显减小。

车体基本由地板、车顶、两个侧墙及两个端墙6大部件装配而成。而铝型材的边缘设有通长的成型槽,即可供组合整个车体用。当型材沿边缘连接时,能自动形成适宜的焊接坡。端墙完全采用板材,梁采用焊接结构,四角立柱及端顶弯梁采用弯曲型材,端顶横梁采用矩形铝合金型材,外端板选厚5mm的铝合金,并考虑大小风挡结构的需要。

底架各梁应设置座椅安装滑槽,侧门滑槽及底架吊挂滑槽,滑槽为T形。底架与转向架的连接件、车钩安装座使用铝合金锻件,锻件与底架型材开坡口焊接。

车顶边梁拟采用大型挤压型材,中间部分采用两种开口铝合金挤压型材,车顶上边梁与侧墙共用,并考虑边梁自带雨檐。组焊时,边梁焊在侧墙上,并由矩形横梁将两边梁连接,保证车顶有足够的刚度。车顶开口型材在总装时,组焊即可。

【任务实施】

本任务以南京地铁2号线的铝合金车辆为例,学习铝合金车体的结构。

(1)南京地铁2号线车辆车体的主要技术参数

车辆长度（车钩连接面之间的长度）

(2)南京地铁2号线地铁车辆主要结构特点

南京地铁2号线地铁车辆的车体整体上采用铝合金材料制造,只有车体底架上的枕梁和端梁是采用高弹性极限钢材制造的,车体外壳采用由铝型材和机械焊接金属板制成的预装组件构成。车体结构主要由底架、侧墙、端墙、车顶组成。

①底架。底架主要由两个边梁、5块底板、两个端梁、两个枕梁(见图3.4)组成。两个枕梁安装于底架之下,用于与转向架相连。

图3.4　枕梁

②侧墙(见图3.5)。每面侧墙主要由侧墙下边梁型材、侧墙上边梁型材、小立柱、大立柱组成。通过主要部件中的大立柱和末端处的小立柱将侧墙下边梁型材侧墙上边梁型材连接起来。

图3.5　侧墙示意图

③端墙。每个车的两端都采用被称为端板的金属板封闭。只有A车在端部1处被驾驶室封闭。端部采用由铝型材和铝板制成的机械焊接组件构成。端部的另一个作用是支承贯通道。

④车顶。车顶采用由大型中空挤压铝型材组焊而成,主要由7块顶板(2个上侧梁、2个侧板、2个中间板、1个中顶板)、2种支撑件组成,车顶安装在两侧墙上边梁上。

【效果评价】

评价表

任务3　城轨车辆不锈钢车体的认知

【活动场景】

在城轨车辆生产车间或检修现场教学,或用多媒体展示不锈钢车体的使用与生产。

【任务要求】

掌握城轨不锈钢车体的结构、特征。

【知识准备】

(1)轻量化不锈钢车辆的发展概况

1)日本轻量化不锈钢车体的开发过程

为使城轨车辆达到轻量化和免维修,日本对用不锈钢材料制造城轨车辆的技术进行了深入地研究与试验。1959年,日本东急车辆公司与美国巴德公司进行技术合作,进行了高抗拉强度不锈钢(SUS301L)的开发、试制和加工技术的研究,如图3.6所示为日本1962年用点焊的方法制造的世界首列全不锈钢车体,东急电铁7000系,这种车体与钢制车相比质量轻2t且几乎不需要补修。

图3.6　天津滨海路不锈钢车体

1973年,受石油危机影响,日本设计制造了更节能和轻量化的不锈钢车体；采用有限元法对车辆车体结构进行强度分析；1975年采用美国波音公司开发的三维解析程序有限元法进行设计,成立轻型不锈钢车辆开发设计组开发轻型不锈钢车体；1977年2月完成了第一阶段的试制车车体结构,1977年11月,试制出达标的车体结构；1978年制造东急电铁8400型,车体比普通碳钢车轻4t、比原有不锈钢车轻2t,是首批不锈钢节能车；1979年生产东急电铁8090 系,设备虽与8000系相同,但车体结构减轻2t；1980年,制造了如图3.7所示定型生产的轻型不锈钢车辆,车体结构设计则采用新型骨架或接头,并将原有波纹外板改成由加长刚性肋(压筋)加工的平外板。1992年制造了如图3.8所示新一代不锈钢车辆,其底架及车体仍以原有轻型不锈钢车体结构为基础,但其外墙板为自动点焊,或对外板补强后的形状与布置加以改进,避免了补强筋突出,改为平板外表面,车体结构骨架更易于作业,部件件数大大减少,提高了精度。

2)我国长客厂不锈钢车体的发展概况

我国北车集团长春轨道客车车辆制造厂从1995年开始进行铁道车辆和城轨车辆不锈钢车体的研制,第一阶段,与韩进公司联合开发轻量化不锈钢车30辆,运行于我国南方衡广铁路,经过六七年的实际运营考核,证明该不锈钢车比碳钢车具有质量轻、耐腐蚀等明显的优势； 2000年开始进行第二阶段的研制,对日本的SUS301L系列不锈钢和点焊结构进行更透彻地消化、吸收,先后对日本、韩国的不锈钢车进行剖析,聘请日本专家进行全程指导、讲课；在2002年初,吸收日本技术制造出了全新的点焊结构轻量化不锈钢车体。在此基础上,又生产出4辆北京城铁不锈钢车辆,从而使不锈钢车辆的研制进入一个全新阶段。在以上不锈钢车的研制基础上,长春客车厂又设计、生产了天津滨海快速轨道交通工程车辆(轻量化点焊结构不锈钢车体)。该车也是鼓形车体整体点焊结构,除端底架用碳钢外,其余主要承载部分都是采用SUS301L系列的HT,MT,DLT,LT钢材。

(2)不锈钢车体的结构

如图3.7所示为我国生产的比较典型的不锈钢车体——大连金州线不锈钢车体,这种车主要由底架、侧墙、车顶、端墙等组成六面体整体承载结构,底架端部采用耐候结构钢材料,其余部分均采用高强度SUS301L系列不锈钢材料。梁、柱间通过连接板相连接,模块构件结合及整体组成主要采用电阻焊接(点焊),形成不锈钢骨架结构,整个钢结构外观为不涂漆装饰。

图3.7　大连金州线不锈钢车体模型

①底架。底架为无中梁结构,主要由侧梁、牵引梁、枕梁、横梁及波纹地板组成,枕梁和牵引梁部位采用耐候钢材料。波纹地板选用标准的型材断面,材料为SUS304,底架两侧边梁SUS301L(HT)级不锈钢型材,在底架前后部,与枕梁和端梁碳钢梁采用塞焊焊接为一体。底架的端梁采用SUS301L(LT)级型材,底架横梁采用SUS301L(HT)级型材。

②侧墙。侧墙结构全部由不锈钢构成,由侧板、立柱、顶部横梁和门框等焊接成为整体。侧墙结构设计时由门开口隔开,各部分模块化设计。窗上纵梁、窗下纵梁及侧墙下边梁材料均采用SUS301L(HT)级型材,厚度为1.5mm。窗上外板、窗中板、窗下外板材料采用SUS301L (DLT)级板材,板厚为1.5mm,表面质量标准为#80Bg.侧墙的外板加强板采用SUS301L (HT)级型材,板厚为0.6mm。

③车顶。车顶棚骨架结构由两个上弦梁和纵向梁、横梁一起焊接组成,骨架上面铺设不锈钢波纹板。上弦梁采用SUS301L(HT)级型材,型材厚度为1.5mm；顶棚横梁及纵向梁采用SUS301L(ST)级型材；顶棚波纹板采用厚度为0.6mm的纵向波纹地板,材料选用SUS301L (MT)级。空调安装梁及受电弓安装梁采用模块化设计,结构强度满足支撑空调机组、管道、照明系统托架、顶板、立柱和其他设备。

④端墙。非司机室的端墙由不锈钢蒙皮、横梁和贯通道加强梁组成。端墙立柱采用SUS301L(ST)级型材,型材厚度为2mm；端墙外板采用SUS304板材,板厚为1.5mm。

(3)城轨轻型不锈钢车辆的特征

①外板。由于不锈钢材料的导热率极小,发生热应变较大,因此传统制造的不锈钢车辆车体,为使其热应变不致太明显,多将侧墙外板做成波纹结构,但波纹结构存在清扫困难的问题；另外,强度方面,波纹结构板在纵向和横向虽有刚性,但在剪切方向则较弱,因此在需要传递剪切力的地方必须另设剪切板。可见,在强度方面,平板结构较好,在质量方面也有利。加工平板时的问题是如何改善热应变后的美观,可采用在一定间隔内设刚性肋的外板。

②骨架结构。不锈钢车体在试制之初,只是把钢制车的骨架换成不锈钢的结构,根据部位不同,使用不同高度的乙型材或帽型材,因此骨架的接头接合很复杂。制造轻型不锈钢车辆时,最困难的就是骨架构成。在反复进行强度分析后得知,乙型材由于是开口截面,加载后易产生扭曲,难以充分传递载荷。因此,考虑以箱型截面与外板组合,箱型截面对于横向载荷非常有效,骨架的板材厚度可降低为1.2mm。结构体的组装以点焊为基础,结构上难以处理的地方则应采用以环形焊或塞焊,以考虑热影响。

③不锈钢材料的特性。城轨车辆使用的不锈钢,从耐腐蚀性、加工性、机械强度等方面考虑主要采用奥氏体系的SUS301系不锈钢,这种材料冷轧加工后能提高抗拉强度,且压制加工性好。抗拉强度为LT,DLT,ST,MT,HT这5个等级,按照所需强度分别使用。不锈钢的化学成分也影响其性能,为改进不锈钢的焊接性,需大幅度降低钢的含碳量。SUS301L标准的出现,是轻型不锈钢车辆成功的主要原因,在机械性能方面,分析了加工性与强度之间的均衡情况,修改了抗拉强度的规定范围,即HT材质标准；对影响车辆美观的外板平面度,通过对表面处理的反复试验,修改了DLT材质标准。

(4)轻量化不锈钢车体材料的特点

1)车辆用不锈钢材料的化学成分及力学性能

轻量化不锈钢车体主要采用车辆专用不锈钢,材质为SUS301L和SUS304,SUS301L中Ni 和Cr的含量比SUS304的少因而具有更加良好的冲压加工性能,且能通过冷冲压加工提高其抗拉强度。SUS301L材质抗拉强度分为5个等级。表3.2为车辆专用不锈钢的化学成分,表3.3为车辆专用不锈钢的机械性能。

表3.2　车辆专用不锈钢材料化学成分的质量分数/%

表3.3　车辆专用不锈钢的机械性能

2)车辆用不锈钢材料的物理性能

车辆用不锈钢材料具有较低的热传导率和较高的热膨胀系数。奥氏体不锈钢的热传导率仅为钢的1/3,因此,焊接产生的热量不能很快被分散,大量的热量聚集在焊缝区域,而不锈钢中的奥氏体组织在高温下具有不稳定性,在500～800℃时,钢材中Cr的碳化物会沿晶界析出,使得晶界附近因含Cr量下降而出现晶界腐蚀,同时屈服强度和抗拉强度会急剧下降。另外,不锈钢材料的热膨胀系数约为钢的115倍,使得同样的热量其变形比普通钢材变形要大很多。因此,不锈钢车体制造工艺中一般避免采用电弧满焊,多采用电阻点焊工艺。

(5)不锈钢材料使用中应注意的问题

不锈钢车体由于具有耐腐蚀性较好、不用修补、使用寿命长等优点,因此,使用不锈钢材料作车体在保证强度、刚度的条件下,板厚可以大大减少,从而实现车体的轻量化。但在设计、制造中尚需注意许多问题,如,不锈钢选材、不锈钢制造技术、不锈钢结构焊接工艺的研究、不锈钢材料疲劳特性和寿命的实验、结构优化设计、刚度的问题、防腐的问题等。

1)不锈钢材料的合理选择

根据城轨车辆的结构特点、制造工艺以及使用环境,同时考虑制造成本,要求车体所使用的不锈钢材料必须具有价格便宜、通用性高,容易购买；耐腐蚀性好；具有足够的强度；加工性好,进行剪切、弯曲、拉延、焊接等加工时,不会产生缺陷等特点。能满足以上条件的不锈钢材料有30～40种,其中具有代表性的是SUS304(S30400)和SUS301.1983年开发出的低碳不锈钢SUS301L(L表示低碳),其碳的质量分数在0.03%以下,目前,城轨车辆均使用这种强度高、耐腐蚀性好的不锈钢材料。

SUS301L这种不锈钢材料在进行冷压延加工时,如将加工量(也称压延率)在5%～20%的范围内进行控制的话,可得到不同强度级的材料,SUS301L一般分为5个强度等级：

①SUS301L-LT：不进行冷压加工,其特点是强度较低,与SUS304基本相同,多用于强度要求不高处,拉伸加工料件。

②SUS301L-DLT(1/4H)：其特点是压延加工度低,板的平面度在几种调质材料中最好,多用于外板。

③SUS301L-ST(1/2H)：其特点是具有较高强度,同时拉伸性良好。多用于车顶弯梁、侧立柱、端立柱等处。

④SUS301L-MT(3/4H)：其特点是强度很高,但不易进行弧焊加工,加热至600℃以上时,强度会大幅降低,系为冷弯型钢用料。

⑤SUS301L-HT(H)：其特点是屈服强度和强度极限在几种调质材料中都是最大的,与MT相同,加热至600℃以上时,强度会大幅下降,多用于底架边梁、主横梁、侧立柱等对强度要求很高的部位。

2)不锈钢材料的焊接

碳素钢车体采用弧焊组装钢结构,靠点焊产生的热量熔化填充金属,使两个构件熔敷接合。弧焊所产生的热量很大,对构件的热输入量也很大,这种焊接方法对于焊接不锈钢材料是很不利的。

不锈钢导热系数只是碳素钢的1/3,而热膨胀系数是碳素钢的1.5倍,热量输入后散热慢而变形大,不利于对构件尺寸及形状的控制,但由于不锈钢材料的电阻较大,因此,对不锈钢材料的焊接一般都采用电阻焊(即点焊)。点焊就是将两个或两个以上相叠加的金属用电极加压,通过大电流利用金属的电阻,产生高热,使叠加的金属在加压区产生熔合,使金属连接到一起。点焊的特点是对构件的热输入量少,容易实现自动控制,焊接时不需要技能很高、很熟练的操作者也可保证焊接质量。

不锈钢车体采用点焊,这就决定了不锈钢车体必须采用很多与以往碳素钢车体不同的特殊结构,以实现点焊连接的目的。不锈钢车体在组合外板、梁、柱时为了减少热量的输入,采用点焊代替弧焊,梁、柱的结合部位采用连接板传递载荷。但由于受到设备、工装、工序等各方面的限制,有些部位无法实现点焊,可采用塞焊来减少热影响区。

轻量化不锈钢车体中几乎所有的零、部件都是通过点焊连接的,所以焊点的质量将直接影响车体钢结构的质量和强度。为保证车体质量,在日常生产中,控制焊点质量是必需的。现在采取的方法是在每次作业前进行点焊拉伸试验和切片实验,检验合格后再按照实验的焊接规范进行作业。

【任务实施】

以西安地铁1号线车辆为例,学习不锈钢车体的结构。

(1)西安地铁1号线地铁车辆的主要参数

(2)西安地铁1号线不锈钢车体的结构

西安地铁1号线车体结构为薄壁筒形整体承载焊接结构,虽然有Tc,Mp,M,T这4种车型,但在结构上均由顶棚、侧墙、端墙、底架等部分组成。

1)顶棚装配

如图3.8所示是西安地铁,顶棚装配主要由波纹顶板、侧顶板、顶棚弯梁、上弦梁、空调机组平台等组成。如图3.9所示为空调平台示意图,采用模块化设计,组焊后的空调机组平台整体与顶棚弯梁、波纹顶板及车顶上弦梁组焊为一体；设计时充分考虑整个平台的强度和刚度。整个平台由横梁、纵梁等几部分组成,装配各梁之间使用点焊形成框架结构。

图3.8　车顶棚示意图

图3.9　空调机组平台示意图

如图3.10所示是弯梁上波纹顶板组成。波纹顶板两端增加补强板以保证车顶的强度及刚度。波纹顶板与弯梁之间使用点焊连接,在每个“波谷”位置均与弯梁焊两点,端部补强板与波纹顶板也使用点焊连接。为保证空调机组上空调冷凝水的排放,在空调机组平台上设有专门的冷凝水排水管道,通过侧墙底架排到车下。如图3.11所示是车顶两侧的雨檐,雨水可通过雨檐经端部排水管排出,保持侧墙清洁。如图3.12所示是车顶内部的吊座,吊座与顶棚钢结构刚性连接,用来安装二次骨架等。为了减轻钢结构质量,吊座采用分段式分体吊座,每个吊座作为一个独立的单元。

图3.10　波纹顶板点焊示意图

图3.11　雨檐示意图

2)侧墙装配

如图3.13所示为Tc车侧墙装配图,侧墙装配主要由连接板、分块侧墙组成、客室(司机室)门上梁装配、窗上板、客室(司机室)门框装配等组成。分块侧墙组成由门立柱装配、窗立柱装配、窗上梁装配、窗下梁装配、底部横梁等组成,各部件间均采用点焊连接。分块侧墙组成框架结构如图3.14所示。车体侧墙两侧设有一定数量的安装座、安装梁及走线架,与侧墙钢结构刚性连接,用来安装门系统、客室座椅、内墙板、门立柱及走线等。

图3.12　车顶内部示意图

图3.13　Tc车侧墙示意图

图3.14　分块侧墙组成框架结构

3)端墙装配

端墙装配主要由端墙骨架和蒙皮组焊组成,如图3.15所示。

4)底架装配

如图3.16所示,底架装配主要由端底架组成、不锈钢横梁、波纹地板、不锈钢底架边梁等组成。Tc车Ⅰ位端底架主要由吸能结构、牵缓组成、枕梁组成等组成。吸能结构具有：一列AW0列车以25km/h的速度与另一列AW0停止状态的列车相撞时,吸收列车的撞击能量,确保客室无损坏,保证司机的安全。防爬组成防止列车相撞时,由于惯性过大,一辆列车攀爬另一辆列车之上。如图3.17所示,牵缓组成是由上下盖板、牵引梁、缓冲梁、车钩座及补强梁等构成。是连接车钩系统的承载,起牵引车体的作用。为了安装车钩及减轻质量,在下盖板上开有减重孔。如图3.18所示,枕梁组成是连接车体和转向架的载体,由枕梁上(下)盖板、中心销垫板、空气弹簧座、空气弹簧垫板、加强梁等组成。(图3.19中为了更清晰的表达结构,仅表示部分枕梁下盖板。)Ⅱ位牵引梁组成是由牵引梁、下盖板、冲击座、补强板等组成。由于与Tc车前端安装的车钩及作用有所不同,Ⅱ位端采用的是冲击座结构的牵引梁组成。如图3.20所示,除了Tc车底架Ⅰ位端外,其他车型底架端部均采用Ⅱ位端底架组成结构(见图3.21)。底架装配上铺有波纹地板,相互缝焊好的波纹地板,通过电铆焊与连接梁装配焊接在一起。连接梁装配的另一端与边梁焊接后用密封胶密封。

图3.15　端墙骨架组成

图3.16　Tc车底架装配

5)玻璃钢司机室

如图3.22所示,玻璃钢司机室主要由玻璃钢外罩组成(含钢结构骨架)、裙板、挡板、脚蹬等组成。玻璃钢外罩钢结构骨架与玻璃钢外罩间的螺栓连接方式,可进行上下和前后的调节。为保证密封,司机室玻璃钢在装配前,在玻璃钢与底架接合处预先涂抹密封胶之后再将玻璃钢与底架用螺栓进行连接,玻璃钢骨架与顶棚装配、侧墙装配进行塞焊,中间缝隙用密封胶进行密封。

图3.17　吸能结构

图3.18　牵缓组成

图3.19　枕梁组成

图3.20　Ⅱ位牵引梁组成

图3.21　Ⅱ位端底架组成

图3.22　玻璃钢司机室

【效果评价】

评价表

续表

任务4　车体的模块化结构研究

【活动场景】

在城轨车辆生产车间或用多媒体展示城轨车辆车体模块化生产。

【任务要求】

掌握车体模块化结构的优缺点。

【知识准备】

(1)模块化结构的概念

近几十年来,传统城市轨道交通车辆的车体结构基本上是大家比较熟悉的全组焊接结构,即由底架、侧墙、车顶和端墙组装焊接而成,这种车体结构称为整体焊接结构,也称为一体化结构。随着技术的发展,近几年来,国外研制出了一种称为模块化的结构,目前,我国深圳地铁、广州地铁2号线、南京地铁1、2号线车辆也采用了模块化结构。

模块化车体结构与整体焊接结构车体相比,最显著的特点就在于将模块化的概念引入车体设计、制造与生产管理的各个环节之中。整体焊接结构车体是先制造车体结构的车顶、侧墙、底架、端强、司机室等部件,然后进行整个车体总成焊接,车体总成后再进行内装、布管、布线。模块化车体设计是将整个车体分为若干个模块,如图3.23所示,在每个模块化的制造过程中完成整车需要的内装、布管与布线的预组装,如图3.24所示,并解决相互之间的接口问题。如图3.25所示,各模块完成后即可进行整车组装。每一模块的结构部分采用焊接,而各模块间的总成则采用机械连接。

图3.23　车体模块化组成

1-底架模块；2-侧墙模块；3-端部模块；4-车顶模块；5-牵引梁模块；6-整梁模块

图3.24　车顶模块

1-顶板吊梁；2-顶板横梁；3-空调风道；4-隔音、隔热材料；5-内部装饰； 6-灯带；7-出风口；8-顶板悬挂

(2)模块化结构的优点

模块化结构的优点如下：

①在每个模块的制造过程中均注意验证质量。模块制成后均需进行实验,从而保证整车总装后实验比较简单,整车质量也容易保证。

②由于每个模块的制造可独立进行,并解决了模块之间的接口问题,因此,各模块和部件可以由不同的工厂同时生产。而且,模块化生产对总装生产线要求不高。

③可改善劳动条件、降低施工难度、提高劳动效率、保证整车质量。

④可减少工装设备、简化施工程序、降低生产成本。

⑤在车辆检修中,可采用更换模块的方式进行,方便维修。目前,国内地铁车辆生产企业在模块化车体的设计、制造、实验与生产管理过程中已形成了整套的经验,从而保证了批量生产的质量。

图3.25　模块化车体组成

1-车顶模块；2-螺栓；3-侧墙模块；4-底架模块

(3)模块化结构的缺点

从车体结构局部来分析,存在如下缺点：模块化结构的个别部件(如驾驶室框架)有的采用了部分钢材制造,各部件之间又采用了钢制螺栓连接,所以车体自重要比全焊结构稍重。

由于车体是容纳旅客的场所,就车辆结构而言,其强度是保证旅客安全的关键特性,因此在设计过程中必须进行详细的强度、刚度计算,在此理论的指导下进行设计。试制完成后,必须进行相应的实验,证实确实满足要求,才能投入批量生产。

为保证隔热、隔音性能,在车体组装后,在内部需喷涂隔音阻尼浆和安装玻璃棉或其他隔热、隔音材料。

车体结构在使用中一般仅对表面涂装进行必要的维修,就结构自身而言,在正常工况下可满足使用寿命30年的要求。如果由于事故和大修中需对车体某部件进行检修时,可采用更换模块的方式进行,以减少维修工作量。

【任务实施】

以广州地铁2号线车辆为例,认知模块化车体结构。

(1)广州地铁2号线车辆车体的主要技术参数

广州地铁2号线采用模块化结构制造,广州地铁2号线车辆的车体结构设计是整体承载的轻量化结构,采用大断面铝合金挤压型材、模块化设计制造而成,挤压型材是由两块铝板通过中间夹层连接,且中间没有基板,因此也被称为“中空型材”。底架、侧墙、车顶、端墙被焊接成车辆壳体,形成一个整体承载结构,各模块化部件之间通过螺栓、垫圈、螺母连接成一体构成车体合件。充分发挥车体各个构件的强度,并大大提高了车体的整体刚度。此外,由于是由强度质量比较大的大型铝合金挤压型材焊接而成,大大降低了车辆自重,不仅提高了车体的承载能力,对于降低能量消耗、节约运营成本和延长线路钢轨的使用寿命等也具有重要的意义。表3.4是广州地铁2号线地铁车辆的主要技术参数。

表3.4　广州地铁2号线地铁车辆的主要技术参数

(2)广州地铁2号线地铁车辆结构特点简介

广州地铁2号线电动客车的车体主要由以下几部分组成：

①底架。底架的主要作用是承受车体上部载荷并传递给整个车体,承受因各种原因而引起的横向力和走行部传来的各种振动和冲击。底架由以下部分构成：侧梁、底架、挤压板、底架端部附属部件。底架设备包括转向架、轮对、驱动装置、空气压缩机、空气干燥器、空气控制屏(包括制动控制单元)、供风缸、辅助逆变器、DC/DC逆变器。

②侧墙。侧墙也是由多个空腔结构按纵向分布组成,由中空截面的铝合金挤压型材焊接而成。侧墙内安装有窗玻璃、照明灯、5对内藏式对开门、乘务员锁开关,此外A车侧墙还装有两扇单开的司机室侧门。

③端墙。车辆端部为简单的焊接结构,过渡设备用框架固定。

④车顶。车顶由几个空腔部分按照纵向排列组成,包括拱形顶梁。每节车顶主要装有8个静通风口、两个空调设备及其换气连接、电力供应、排水装置,此外A车车顶装有受电弓及其连接装置、车辆无线电天线等。

【效果评价】

评价表

任务5　车体材料的探讨

【活动场景】

采用课堂授课形式,讲解车体材料的选型。

【任务要求】

掌握普通钢、不锈钢、铝合金3种车体材料的综合分析。

【知识准备】

城轨车辆车体选用何种材料不但影响车体的强度和刚度,直接关系车辆运行的安全性和乘客的舒适性,而且关系车辆的载客能力和能耗大小,也关系车辆检修工作量和使用寿命,还会影响车辆采购费和运营维修费的高低。因此,选择地铁车辆车体材料时,不但要考虑车辆采购价格,还要考虑车辆长期运行时的运营和维修费用。

(1)国内外地铁车辆车体材料的状况

目前,城市地铁车辆车体材料有普通钢(含耐候钢)、不锈钢和铝合金3种材料。自1863年英国伦敦建成世界上第一条地铁线以来,地铁车辆长期采用普通钢车体。因为普通钢车体强度低、质量大、能耗高、腐蚀重、维修量大、使用寿命短,自20世纪50年代开始,人们开始用不锈钢和铝合金取代普通钢车体。

不锈钢是一种含镍铬的高强度合金钢,其强度是普通钢的1倍以上,特别是轻量化不锈钢的强度可达到普通钢的3倍,可使车体轻量化。不锈钢车体的耐腐蚀性优越,不但减少了维修工作量和维修费用,而且延长了车辆的使用寿命。因此,美国最早于20世纪50年代由巴德公司生产了不锈钢车。日本东急车辆公司于1959年末从美国引进不锈钢车体技术,1962年生产了日本最早的7000系全不锈钢车,到2000年累计生产不锈钢车约12000辆。加拿大庞巴迪拉柏卡尔夫工厂1982-1992年累计生产1546辆客车中,不锈钢车占89%。韩国韩进重工业公司1995年生产了250辆客车,不锈钢车占80%。韩国汉城地铁5号线和釜山地铁也采用了不锈钢车体。莫斯科地铁也采用了不锈钢车体。我国长客厂1987年生产两辆RW2型不锈钢客车,1998年又与韩国合作生产了30辆不锈钢客车,2002年长客厂又中标承接了天津滨海快速轨道116辆不锈钢车的生产任务。

铝合金的密度只相当于普通钢的1/3,弹性模量也只有钢的1/3,在保证车体同等强度下,车体自重最大可减轻50%；且铝合金的耐腐蚀性好,可延长车辆的使用寿命。因此,许多国家都在积极开发和生产铝合金车体。法国于1896年将铝金用于铁道客车车窗上。1905年英国铁路电动车的外墙板采用了铝合金。美国在1923-1932年间有700辆电动车和客车的侧墙和车顶采用铝合金。1952年伦敦地铁、1954年加拿大多伦多地铁车辆均采用了铝合金车体。 20世纪60年代以来,德国科隆、波恩铁路的市郊电动车组也相继实现了车体铝合金化。日本从1962年的山阳地铁2000系开始采用铝合金车体,至1999年累计约1万辆。法国、德国、英国和俄罗斯等国在高速铁路车辆上都采用了铝合金车体。20世纪90年代以来,意大利米兰地铁、奥地利维也纳地铁以及新加坡地铁都采用了铝合金车体。近年来,我国地铁车辆车体也采用了铝合金材料,上海地铁1号、2号线及明珠线,广州地铁1号、2号及3号线,深圳地铁1号、4号线,南京地铁1号线等都采购了铝合金车体车辆。

(2)不锈钢车体和铝合金车体技术性能

不锈钢车体和铝合金车体各有优点和缺点,应在确保安全可靠的前提下,结合地铁的特点和实际情况,进行比较分析,再选择是采用不锈钢车体还是铝合金车体。

1)安全性

不锈钢的熔点为1500℃,铝合金的熔点为660℃,铝合金的耐热性仅是不锈钢的44%。在发生严重火灾的情况下,铝合金车体将会很快熔化掉,会带来可怕的灾难性后果。相比较而言,不锈钢车体骨架难以熔化。2003年9月莫斯科地铁火灾事故中,车体钢骨架虽然变形,但没有熔化掉。莫斯科地铁和纽约地铁车辆至今不用铝合金车体。因此,从乘客和设备安全性出发,为减少人员的伤亡和火灾事故的损失,应选用不锈钢车体。

2)轻量化

铝合金的密度为2.71g/cm3,仅是不锈钢(7.85g/cm3)的1/3,从理论上讲,铝合金材料更能使车体轻量化。但是,铝合金的抗拉强度不如不锈钢,铝合金抗拉强度为274～352N/mm2,而一般不锈钢抗拉强度为520～685N/mm2,采用超低碳(C＜0.03%)轻量化不锈钢的抗拉强度达到960～1200N/mm2,是铝合金的2～5倍。而且,铝合金刚度低,其弹性模量为0.71X 105N/mm2,是不锈钢(2.06X105N/mm2)的约1/3.因此,为保证地铁车辆有足够的承载强度和刚度,铝合金车辆必须采用大型中空型材及其组合件。为了提高铝合金车体断面系数,增大抗弯刚度,防止板材产生失稳,必须加大板厚,一般取钢板的1.4倍,最小2mm,最大壁厚达6.5mm。而不锈钢车体可采用板梁组合整体承载全焊结构,车体的梁柱板厚0.8～3mm,车体外板厚0.4～1.2mm,能有效地减轻车体自重,到实现车体轻量化的目的。为充分保证地铁车辆不锈钢和铝合金车体的强度和刚度,根据国内外地铁车辆车体采用不锈钢和铝合金的实践经验,地铁车辆耐候钢车体自重为9～10t,不锈钢车体自重为6～7t,铝合金车体自重为4～ 5t。如果以耐候钢车体自重为基准,则不锈钢车体可减轻自重30%左右,铝合金车体可减轻自重50%左右。因此,铝合金车体轻量化效果比不锈钢车体更明显些。

3)耐腐蚀性

不锈钢和铝合金车体都具有较好的耐腐蚀性,但不锈钢车体比铝合金车体更优越,由于不锈钢含铬大于12%,使铁的电极电位由-0.56V突升至+0.2V,使原电池腐蚀不易发生,这就显著提高了不锈钢车体的耐腐蚀性,在制造过程中不用进行防腐保护,完工后也不需涂漆。为提高车辆装饰性,可用彩色胶膜装修。铝合金车体的耐腐蚀性是由于在空气中铝合金表面形成一层致密的三氧化二铝保护膜而具有很好的防腐蚀能力。但铝合金车体在长期运用中,特别是在潮湿的环境下,遇到空气介质中的阴离子(如Cl-),就会产生局部原电池,发生点蚀、面蚀和变色,影响车体强度和美观。所以大部分铝合金车体都要涂漆。因此不锈钢车体的耐腐蚀性比铝合金车体要好些。

4)工艺性

地铁车辆用的是铬镍型奥氏体不锈钢,强度高,冷加工性能好,但不能用热处理强化。奥氏体不锈钢热膨胀系数是钢的1.5倍,热传导率仅为钢的1/3,电阻率大。这些就决定了不锈钢车体从设计到制造比钢结构车更复杂,多采用搭接方式,使用过渡件。不锈钢车体的焊接不能用电弧焊,为减少热量的输入避免晶界腐蚀及热变形,需用水冷却在2min内降至室温,这就需要特殊的点焊机。由于不锈钢车体使用点焊工艺,车体的气密性较差,因而在高速车辆上使用受到限制。但对于低速的地铁、轻轨车辆是适用的铝合金的焊接工艺复杂,手工操作难,容易产生较大的热应力变形、裂纹和气孔,焊缝区域机械强度低于母材。但铝合金具有良好的塑性,采用现代铝挤压成型技术,大型中空铝合金型材组成的铝合金车体得到了较快发展。目前大型中空铝合金型材的铝合金车体可以是整体焊接结构,利用自动焊机连续焊接；也可用模块化结构采用特殊螺栓连接方式组合成铝合金车体。因此,铝合金车体和不锈钢车体虽具有不同的工艺性能,但通过采用不同的工艺手段,都能实现批量化生产。

【任务实施】

不锈钢车体和铝合金车体的经济性分析

用户对城轨车辆的总体要求是：在车辆使用期内安全可靠、低运营费和易于维修。用户采用何种车辆,不仅受到车辆采购费的影响,而且还受到车辆使用期内用户承担的运用费用和维修费用的影响。车辆采购费和运用维修费之和称为车辆寿命周期费用。下面通过几个方面对普通钢车体、不锈钢车体和铝合金车体进行经济性分析。

(1)采购费计算依据

目前,国内城市轨道车辆进行招投标,车辆采购费一般由车辆制造价格、备品备件、特殊工具、技术文件、设计联络、检验验收、培训、运输税费和保险等费用构成。根据近年来北京、上海、广州、深圳、南京、天津等城市地铁车辆和城轨车辆采购价格的分析(见表3.5)。

表3.5　各城市轨道交通车辆费用比较

从表3.5可知,铝合金的平均采购价格约是普通钢车的1.8倍,不锈钢车的采购价格约是普通钢车的1.2倍。日本是生产和运用不锈钢车和铝合金车数量多和时间长的国家,根据统计分析(见表3.6)。

表3.6　日本3种车体的制造价格

铝合金车的采购价格是普通钢车的1.6倍,不锈钢车的采购价格是普通钢车的1.1倍。参照国内外的情况,在分析中采用铝合金车的采购价格是普通钢车的1.8倍,不锈钢车的采购价格是普通钢车的1.2倍。

(2)能耗费计算依据

普通钢车以北京地铁复八线耐候钢车为例,从2000年6月28日正式开通投入运营以来,每年运营里程为12万km。根据每辆车的电能表记录,每辆车百公里平均耗电175kW・h.北京地铁复八线采用不锈钢电动车组的总重为249.2t,比耐候钢电动车组轻16.2t。采用铝合金电动车组的总重为238.4t,比耐候钢电动车组总重轻27t。

(3)维修费用计算依据

1)日本3种车体维修费用

维修费用的多少与车辆的性能、维修量、修程和维修效率以及物价水平有关。据统计日本碳钢车体、铝合金车体与不锈钢车体的维修费用：在20年使用期内,不锈钢车体的维修费用最低,铝合金车体的维修费高于不锈钢车体,小于碳钢车体,碳钢车体的维修费最高；特别是超过12年后,碳钢车体和铝合金车体的维修费显著增加,在第20年,不锈钢车体的维修费不到1万美元,铝合金车体超过2万美元,碳钢车体达到10万美元以上。

2)北京地铁车辆维修费用定额

北京地铁车辆现行检修规程可分为列检、月修、定修、架修和厂修。列检是指值列车运行4d进行一次检查；月修是指列车运行1个月或1万km；定修是指列车运行1.5年或13万～ 15万km；架修是指列车运行3年或27万～30万km；厂修是指列车运行7～9年或72万～ 90万km。在定修、架修和厂修中需要检修车体。根据地铁车辆的性能和运用状态,北京地铁公司制定了地铁车辆在不同修程中的维修费用定额。列检：每车百公里8元；月修：每辆车平均240元；定修：每辆车平均1.4万元；架修：每辆车平均3.8万元；厂修：每辆车平均50万元。

(4)地铁车辆寿命周期费用计算

按地铁车辆的使用寿命为20年计算,则得到普通钢车体、铝合金车体和不锈钢车体寿命周期费用结果(见表3.7)。

表3.7　地铁车辆寿命周期费用

其结果表明：铝合金车辆寿命周期费用是普通钢车辆寿命周期费用的1.31倍,是不锈钢车辆寿命周期费用的1.25倍。如果按复八线需要174辆车辆估算,铝合金车辆寿命周期费用达到25.54亿元,比不锈钢车增加5.13亿元。因此,从车辆寿命周期费用分析看,复八线采用铝合金车辆是不经济的,主要原因是铝合金车辆的采购费用高,占该车辆寿命周期费用的60%以上。不锈钢车辆的寿命周期费用与普通钢车辆的寿命周期费用相差不多。

【效果评价】

评价表

项目小结

城轨车辆车体是容纳乘客和司机驾驶的部分,是安装和连接其他设备及组件的基础。按照车体所使用的材料可分为碳素钢车体、铝合金车体和不锈钢车体3种。车体结构分为底架承载结构、侧墙和底架共同承载结构和整体承载结构三类。城轨车辆整体承载结构包括：底架、端墙、侧墙、车顶、车窗、车门、贯通道和车内设施等部分。

铝合金车体是一种轻型整体承载结构,主体材料是铝合金型材,采用模块化结构或全焊接组装。铝合金材料密度小,比强大,这种车体在满足车体强度和刚度的同时大幅度地减轻了车体的质量,但使用铝合金材料应注意相关问题。

轻量化不锈钢车体使车体钢结构的质量降为碳素钢车体的1/2,在节能和降低维修费用方面的优越性,使用不锈钢材料也应注意相关问题。

模块化车体结构最显著的特点就在于将模块化的概念引入车体设计、制造与生产管理的各个环节之中。将整个车体分为若干个模块,在每个模块的制造过程中完成整车需要的内装、布管与布线的预组装并解决相互之间的接口问题。各模块完成后即可进行整车组装。每一模块的结构部分本身采用焊接,而各模块之间的总成采用机械连接。

城轨车辆车体材料的选择,对整个车辆的结构、性能、制造、使用、维修,以及经济性等将产生重要的影响。

思考与练习

1.简述车体的作用与分类。

2.简述车体基本结构的组成。

3.按车体承载特点,车体结构形式有哪几类?各有什么特点?

4.简述车体的基本特征。

5.试述铝合金车体的结构组成和各组成部分的结构特点。

6.试述铝合金材料使用中应注意的问题。

7.试述不锈钢车体的结构组成和各组成部分的结构特点。

8.试述不锈钢材料使用中应注意的问题。

9.什么是车体模块化结构?有何优缺点?

10.分析和比较碳钢、铝合金和不锈钢3种车体的综合性能。