城市轨道交通车辆车体认知

车体支撑在转向架上，其内部是容纳乘客和驾驶员的地方，其底架下部及车顶上部安装有大量机械设备部件及组件，构成了车辆的主体结构。为满足安全运载旅客的需要，城市轨道交通车辆车体应当有足够的强度以承受车辆运行过程中的各种载荷，同时在保证足够的强度和刚度的条件下实现轻量化。车体主要由车体钢结构、车辆内部装饰组成。车体钢结构作为承载结构，由底架、侧墙、车顶、端墙等焊接组成。车辆内部装饰的主要作用是使车厢内的乘客感觉美观、舒适、安全。车体内部装饰由客室内部装饰和司机室内部装饰组成。

城市轨道交通车辆主要用作城市或近郊客运，其车体有以下特征：

（1）采用多辆车编组运行，有头车、中间车以及动车与拖车之分。

（2）车体需承受自重、载重、牵引力、横向力、制动力等载荷及作用力。

（3）乘客数量多、上下车频繁，因此车体内部布置特点是座位少、车门多且开度大。

（4）车体钢结构及设备尽量采用轻量化设备，以减轻车辆质量，降低线路设施的投资。

（5）对防火要求严格，要求所有非金属材料均采用防火、阻燃、低烟、低毒的材料。

（6）对车辆的隔音降噪有严格要求，最大限度降低噪声对乘客和沿线居民的影响。

（7）在外部造型、装饰和车头设计上要求有现代列车的造型特点，体现现代城市运输系统的时尚；还应适当考虑所在城市的人文历史特色。

一、车体类型

1.按车体使用材料分类

按照使用的材料不同，车体钢结构又可以分为碳钢车体、铝合金车体和不锈钢车体，采用何种材料的车体对于整车的结构、性能、制造、使用、维修以及经济性有直接影响。

普通碳素钢车体使用中腐蚀十分严重，为了提高车体的耐腐蚀性，延长车体的使用寿命，现在较多应用的是含铜或含镍铬等合金元素的耐腐蚀的低合金钢材料（或称耐候钢）。

采用半不锈钢（地板为不锈钢，骨架为普通碳素钢）或全不锈钢车体，免除了车体内壁涂敷防腐蚀涂料和表面涂漆，在保证强度、刚度的前提下，板厚可减小，同时也提高了使用寿命。一般不锈钢车体自重比普通碳素钢可减轻1～2t（10%～20%）。

为了进一步实现车体的轻量化，德、日、英等国在近代的高速列车、地铁车辆和轻轨车辆上采用铝合金车体。为了充分发挥材料的承载能力，铝制和钢制车体在结构形式上有很大的差异。在铝制车体结构设计中，车体主要承载构件一般采用大型中空截面挤压铝型材，以提高构件的刚度，充分发挥材料的承载能力，最大限度地减轻车辆的自重。全车的底板、侧墙、车顶均采用大型中空截面的挤压铝型材拼焊而成。

2.按车体结构承受载荷的方式分类

车体钢结构是车辆的主体结构，由底架、侧墙、端墙和车顶构成，按照承受载荷的方式不同，可以分为底架承载、侧墙和底架共同承载及整体承载结构三类。

（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，也称为自由承载结构。

（2）侧墙和底架共同承载结构。

由侧墙、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，也称为侧墙承载结构。其侧墙、端墙与底架等通过固接形成一个整体，具有较高的强度、刚度。

（3）整体承载结构。

在板梁式侧墙、端墙上固接由金属板、金属梁焊接而成的车顶，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，此时车体各部分结构均参与承受载荷，因而称这种结构为整体承载结构，如图2-1-1所示。

为满足安全运载旅客的需求，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。

二、不锈钢车体

不锈钢车体钢结构采用薄壁、筒形整体承载结构，如图2-1-1所示。采用轻型高强度不锈钢材料，外板不涂装，具有车体质量轻、防腐性能好、不需要涂漆进行防腐蚀保护的特点，这样车辆段就不需要设置维修用的脱漆、涂漆工装设备，从而能够大大降低基建设备投资和维修费用，也避免了对环境的污染，综合成本低。车体强度可以满足在极端条件下承受静载荷、动载荷以及冲击载荷，并在架车、起吊、救援、调车、连挂、多辆编组回送作业的工况下，不超过设计许用应力，通常在30年的工作载荷作用下不产生疲劳破坏。

1.不锈钢材料

不锈钢按其Cr和Ni含量分为两大系：高络系不锈钢，包括有马氏体不锈钢和铁素体不锈钢两种；高铬、镍系不锈钢，此种材料含有Cr、Ni元素，耐腐性、延展性及加工性都很优越，主要是指奥氏体不锈钢。奥氏体不锈钢是指Fe中含有18%的Cr和8%的Ni的合金，其和马氏体不锈钢和铁素体不锈钢相比，具有耐腐蚀性强、韧性好、易加工等优点。

不锈钢车体主要采用车体专用不锈钢SUS301L。这种材料与广泛采用的SUS304同属奥氏体不锈钢，但在成分上含碳量低（wC ≤0.03%），从而大大减小或消除了焊接加热过程中焊缝形成碳化铬（CrC）的现象，避免产生晶间腐蚀和应力裂纹倾向；另一个特点是板材在冷轧过程中形成加工马氏体组织的倾向大。这样就可以在不改变材料的化学成分的前提下利用压延率大小的不同得到不同强度级的材料。LT材料为只进行很少压延的2B表面，DLT～HT通常压延率为3%～20%，形成由低到高DLT、ST、MT、HT，共计5个强度级，如表2-1-1所示。

图2-1-1　不锈钢车体结构

表2-1-1　SUS301L 、SUS304不锈钢的机械性质（JIS E4049）

2.不锈钢车体钢结构的焊接

不锈钢车体采用弧焊组装钢结构，靠电弧产生的热量融化填充金属，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，这对不锈钢很不利。由于不锈钢具有热传导率小、热膨胀率大的物理性能，所以输入热量后，其散热慢而变形大，不利于对构件尺寸及形状的控制，仅焊点之间容易产生晶蚀造成剥离。

不锈钢的电阻大，所以适于采用电阻焊（即点焊）。所谓点焊，就是将两个或两个以上相叠加的金属用电极加压，通过大电流后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，从而使金属连接到一起。点焊的特点是对构件的热输入量小，容易实现自动控制。

不锈钢车体中几乎所有的零部件都是通过点焊连接的，所以点焊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，在生产中，必须控制焊点质量。目前，采取的方法是，在每次作业时进行点焊拉伸试验和切片实验，检验合格后，按照试验的焊接规范进行作业。

3.不锈钢车体的结构

从结构上来说，不锈钢车体钢结构主要由底架、侧墙、端墙和车顶四大部分焊接构成，如图2-1-1所示。

（1）底架钢结构。

底架由端底架、不锈钢边梁、主横梁、波纹地板等主要零部件组成。端底架材料为耐候钢，主要由牵引梁、枕梁、端梁组成。端底架与不锈钢底架采用塞焊连接，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4 mm SUS301L-HT材料，以提高底架的整体强度和刚度。

（2）侧墙钢结构。

侧墙钢结构由外板、立柱、横梁、门框、连接板等部件组成。

侧墙选用塞拉门、连续窗结构。为适应该要求，侧墙钢结构部分采取了比较特殊的方法。一扇连续窗全长4070 mm，在此范围内，钢结构必须便于车窗的安装、固定，不得有任何与车窗相干涉的结构。同时，工艺性要好，结构上必须可实现点焊。设计中，将窗间有玻璃通过的侧立柱压出凹形，再通过窗带过渡与窗框相连接。为便于加工，压出凹形的立柱采用了强度较低的SUS301L-ST材料，同时为保证该处强度，在其背面加了一根补强梁。为保证窗口及侧墙的平面度，窗口周围所有梁柱、补强部分均为点焊结构。

由于车门开口对钢结构的强度和刚度影响很大。为此需采取补强措施，如加长门上框翻边长度，在门上加补强板，将底架碳素钢边梁延长过车门口等。为消除门角应力集中的问题，采用在门口外围进行补强及加过渡圆弧，在门角内加门角补强铁的方法。通常采用上述这些措施来增加车体刚度及强度。

（3）端墙钢结构。

端墙钢结构主要由板、梁组成。端墙的板、梁均采用点焊结构。

（4）车顶钢结构。

车顶钢结构由机组平台、车顶弯梁、波纹顶板、车顶上边梁、侧顶板等部件组成。

车顶采用波纹顶板无纵向梁结构，顶板间通过搭接焊缝连接，与车顶弯梁点焊在一起。机组平台由纵梁、弯梁、顶板点焊组成部件，再与车顶通过点焊及塞焊组成一体。由于车顶是无纵梁结构，波纹顶板要传递车体纵向力，所以选择强度较高的SUS301L-MT材料，厚度为0.6 mm。车顶边梁是车顶也是整车的主要承载部件，所以选用强度最高的SUS301L-HT材料，整体冷弯成形，材料厚度为1.5 mm。车顶弯梁采用SUS301L-ST材料，厚度为1.5 mm。

三、铝合金车体

铝合金车体结构采用大断面中空铝合金型材整体承载焊接结构。这种结构的特点是零件数量少，焊接变形小，型材沿车体长度纵向焊缝多，便于实现自动焊接。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、强度大，铝合金材料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。

1.铝合金材料的特点

（1）质轻且柔软。

铝的密度为2.71g/cm2，约为钢密度（7.89 g/cm2）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80 MPa，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360 MPa，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：

（1）从轻量化方面考虑，要求强度、刚度高，而质量轻。

（2）从寿命方面考虑，要求耐蚀性、表面处理性、维护保养性好。

（3）从制造工艺方面考虑，要求焊接性、挤压加工性、成形加工性高。

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，如表2-1-2所示。

表2-1-2　铝合金材料的机械性质

2.铝合金车体的特点

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。铝合金车体具有如下特点：

（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约为10∶8∶6。

（2）具有较小的密度及杨氏模量，所以铝合金对冲击载荷有较高的能量吸收能力，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，提高了车辆的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.铝合金车体的结构

从结构上来说，铝合金车体结构主要由底架、侧墙、端墙和车顶四大部分焊接构成，如图2-1-2所示。使用焊接方式将侧墙组件在整个长度方向上与车顶组件和底架组件连接起来；端部组件与车顶、底架、侧墙组件使用焊接式连接；在装配接口处进行防腐处理。

图2-1-2　铝合金车体结构组成

（1）底架。

底架组件由大型中空截面挤压铝型材拼焊而成，由边梁、辅助横梁、主横梁和端部组件连续焊接而成；车体底架设计成上拱形，在空截状态下车体中央位置最大上挠度为10 mm，在满载时地板面保持水平，即挠度为零。

在带司机室车体的底架上设置了防爬器，车体底架和顶盖各设置了两根边梁，其作用是在严重撞击情况下，防止过载穿透到车体客室。防爬器是一种可承受压力相对客室区域较小的可更换式吸能元件，用来吸收撞击时产生的能量，减少事故中伤害乘客的风险。底架采用无中梁结构，在两枕梁之间设地板梁和侧梁而无横梁，作用于地板的垂向载荷和由牵引梁传来的纵向力（牵引力或冲击力）均由地板梁和侧梁承担。

（2）侧墙。

从组装工艺上看，侧墙不作为独立的整体部件，而是由分块侧墙拼焊而成，如图2-1-3所示。侧墙结构使用大型中空桁架结构的压制型材，以省略客车内侧的侧立柱。同型型材间的焊接在车体长度方向采用连续焊接。但侧墙和车体、侧墙和侧梁间的接合在车内侧用点固焊，车外侧用连续焊。

图2-1-3　分块侧墙

（3）车顶。

车顶结构由大型中空压制型材所组成，相同型材在车体长度方向连续焊接，和侧墙的接合在车内侧采用点固焊，在车外侧为连续焊，采取有效措施盖住外部连接件，并设雨水及空调冷凝水引导装置；根据需要，车顶上有空调基础和受电弓安装平台。

（4）端墙。

端墙组件为铝合金结构，框架满足连挂载荷和吸收能量的要求，地板的结构可支撑渡板，并将载荷从端墙结构传递到底架边梁上。

四、车辆内部装饰

城市轨道交通车辆的主要作用是安全、快速、舒适地运送旅客，因此对于其内部装饰的要求是美观、适用、隔音、减振、防火并且安全可靠。如图2-1-4所示，车辆内部装饰分为客室内部装饰和司机室内部装饰，客室内部装饰主要由顶板、侧墙、端墙、地板及车内扶手等部分组成，司机室内部装饰主要由顶板、侧墙板、前端墙板、地板、间壁等组成。

1.客室顶板

客室顶板分为中顶板和侧顶板，中顶板通常采用表面喷漆的铝蜂窝结构，通过螺钉安装在二次骨架上面，主要起装饰作用，通常不需要拆卸检修，但在顶板上装有带通风口的检查门，用于空调机组的回风和检修。

中顶板两侧布置空调送风格栅和灯带，照明灯具在客室的整个长度内沿顶板纵向布置，照明灯具有透光良好的面罩，并方便更换灯管和清洁灯具，格栅采用铝型材。

侧顶板通常选用铝型材，表面喷漆处理，侧顶板安装在车顶两侧，均为可开启式的活门结构，其中折页固定在车顶二次骨架结构上，锁挡板固定在侧板上。这种活门结构便于里面的机构和设备的检修。

2.客室侧墙

侧墙板通常采用玻璃钢墙板，材料具有良好的抗拉强度、耐磨性、阻燃性和防化学腐蚀性能，表面喷漆，起装饰作用，不需要拆卸和检修。

图2-1-4　车辆内部装饰

3.客室端墙

端墙位于车辆端部，采用聚酯玻璃钢材料，表面喷漆，主要起装饰作用，不需要拆卸检修，通常上面安装扶手，供贯通道附近站立的乘客使用。

4.地板

地板通常采用铝蜂窝隔音地板和粘贴地板布的结构形式。地板布选用PVC聚合材料，施胶黏接在铝蜂窝地板上。为减少接缝，车辆采用宽幅地板布，其厚度为3 mm，具有抗压、抗拉、耐磨、防火、防滑、隔热、吸音、减振、耐酸、耐碱、寿命长、不开裂等特性，而且具有美观、易于清洁的特点。地板及地板布的安装牢固可靠，在长期运营中能够保证良好的外观质量。

5.客室扶手

客室扶手主要供站立乘客使用，包括座椅区横杆扶手、门区横杆扶手、立罩板扶手、端部扶手和中立柱扶手，通常采用不锈钢管，表面拉丝。座椅区横杆扶手、门区横杆扶手通过三通与挡风板扶手连接，中立柱扶手分别与二次骨架和钢结构底架地板固定。在座椅区横杆扶手上设有一定数量的吊环，满足不同身高乘客的乘车需求。

6.客室座椅

客室座椅通常采用不锈钢或玻璃钢材料，其造型美观、乘坐舒适。座椅的安装采用悬臂结构，通过座椅支架与钢结构侧墙连接，座椅和座椅骨架之间通过橡胶垫减振、降噪。在寒冷地区，座椅下方通常安装有电热器，用于在冬季对客室进行加热。

7.间　壁

间壁位于司机室和客室之间，采用聚酯玻璃钢材料，主要作用是将客室和司机室隔开，在间壁上安装有间壁门，一般情况下只允许司机打开。在间壁内部安装有大量电气设备，在间壁上安装有检查门，可以打开对内部设备进行检修。

8.司机室座椅

司机室座椅是按照人体工程学的原理进行设计的，可以使驾驶员在长时间的驾驶过程中保持最舒适的坐姿。座椅透气性好，乘坐舒适，可以上下、前后调节。