城市轨道交通车辆车体结构

【任务目标】

1．车体的制造材料种类。

2．掌握车体的结构特点。

【任务分析】

车体是城市轨道车辆的重要组成部分，是车辆结构的主体，通过本任务的学习重点掌握车体的基本结构特征以及车体主要材料。

【知识链接】

车体坐落在转向架上，是容纳旅客和车辆设备的安装基础，驾驶室也设置在车体中，车体由底架、侧墙、端墙、车顶、车门、车窗及车内设施等组成。车体的强度、刚度要符合安全要求，同时车体材料也要具备防腐、耐腐蚀能力。

【知识描述】

一、车体的类型及结构特征

（一）车体的类型

车体按照制造材质可分为钢木混合结构和全钢结构。全钢结构的车体有普通钢和合金钢两种。钢结构车体在制造工艺上分为铆接结构和焊接结构。现代车辆车体结构基本上采用全钢焊接结构。车体按照其承载特点可分为底架承载结构、底架侧墙共同承载结构和整体承载结构3种。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。

（二）车体的基本特征

①城市轨道交通车辆一般为电动车组，有单节、双节、三节式等；有头车（即带有驾驶室的车辆）和中间车，以及动车与拖车之分，其车体结构也就有其多样性。

②由于城市轨道交通车辆是服务于城市内的公共交通，乘客数量多，旅行时间短，上下车频繁，因此车内设置的座位数量少、车门数量多而且开度大，服务于乘客的车内设备简单。

③对车辆的质量限制较为严格，特别是高架轻轨，要求列车质量轻、轴重小，以降低线路设施的工程投资。

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城市轨道交通车辆一般运营于城市人口稠密地区，并用于乘载旅客，所以对车辆的防火要求严格，特别是地铁车辆。

⑥对车辆的隔音和降噪有严格要求，以最大限度地降低噪声对乘客和沿线居民的影响。

⑦城市轨道交通车辆主要用于城市内交通，所以车辆外观造型和色彩必须考虑城市文化、环境美化，并与城市景观相协调。

（三）车体的结构特征

城市轨道车辆车体为整体承载结构，如图2．1所示，其特点是在板梁式侧墙、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，此时车体各部分结构均参与承受载荷。

图2．1　车体整体承载结构　

图2．2　车体的一般结构形式
1—缓冲梁（端梁）；2—枕梁；3—小横梁；4—大横梁；
5—中梁；6—倒梁；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

城市轨道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，如图2．2所示。

1．底架

由于底架是车体结构和设施的安装基础，主要作用是承受车体上部载荷并传递给整个车体，承受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，因此底架必须具有足够的强度和刚度，是检修作业的重点。车底架通常由大型铝合金蜂窝状挤压型材焊接而成，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为缓冲梁（或称为端梁），端墙固定其上。在转向架的支承处设有枕梁，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。在上述梁件中，中梁和枕梁承担载荷最大，因而尤为重要。底架上还设有各种吊梁、吊卡、线槽、安装座，用以安装车钩缓冲装置、机电设备、制动装置等设备。底架上部还铺设有地板，一般的地板主要由金属地板、地板布、支撑梁、隔音隔热材料和阻尼浆等组成。

2．侧墙

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，且经过阻燃处理。侧墙主要用于安装客室玻璃、客室车门、座椅等部件。

3．端墙

车辆端部为简单的焊接或铆接结构，过渡设备用框架固定。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。端墙主要用于贯通道、空调单元、司机室的连接。

4．车顶

车顶由波纹顶板、车顶弯梁、车顶边梁、侧顶板、空调机组平台等几部分组成。车顶采用波纹顶板无纵向梁结构，顶板间搭接缝焊连接，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，再与车顶通过点焊与塞焊组成一体。

5．车窗

在客室侧门之间的车体侧墙上设有车窗，车窗根据其结构形式的不同可分为单层玻璃和双层玻璃结构；有框窗和无框窗结构；还有连续车窗和非连续车窗。

二、车体材料

（一）碳素钢、耐候钢车体

早期的城轨车辆车体材料基本上是碳素钢，其自重大，腐蚀严重，在使用中不仅强度随腐蚀而降低，而且增加了维修工作量与维修费用。为了提高车体的耐腐蚀性，减轻自重，延长车体使用寿命，从20世纪80年代开始，采用09CuPbCrNi这种铜或镍铬等金属元素的耐大气腐蚀的低合金钢系列，可使车体钢结构自重减轻；在工艺上采取了一些防腐措施后，使车体寿命有所延长，但仍不能彻底满足减轻自重和防腐蚀的需要。

（二）不锈钢车体

为了提高车辆的抗腐蚀性能，减轻自重，早在1934年美国就制作了不锈钢车辆。不锈钢车与普通碳钢车相比，具有质量轻、耐腐蚀性强、不用修补、使用寿命长等优点。日本从1958年开始制造半不锈钢车，所用不锈钢材料为SUS304。最初不锈钢车体结构是将钢制车体结构的简单置换，后来发展到采用板梁组合整体承载全焊接结构。在制造中为了降低成本而大量采用将薄板轧压或补强型材与外板点焊连接形成空腔结构，借以提高外板的刚度、强度。由于不锈钢导热系数低，热膨胀率大，为了减少变形，不降低板材强度，应尽量采用点焊。特别是对强度级别较高的材料不允许采用电弧焊。梁柱之间采用平面或立体接头点焊。板的拼接采用搭接结构，由于不锈钢的纵向弹性模量只有钢的85%，因而不锈钢车体要比同样结构的耐候钢车体刚度要低，因而在设计不锈钢车体时注意提高其刚度。由于不锈钢一般不涂漆，但为了提高其装饰性，往往在板材上制出花纹。为降低制造成本，在不易腐蚀部位，如牵引梁、枕梁、侧门立柱的下部等，可采用普通钢板代替。

（三）铝合金车体

为了尽可能地降低车辆的自重，一般均采用全铝合金结构，并广泛采用大型中空截面挤压型材，以保证车体在具有足够强度和刚度的前提下，使材料得到充分的利用。使用铝合金作为车体结构材料的最大优点是轻量化，铝合金材料质轻且柔软，强度好，耐腐蚀性以及加工性能好，易于再生，所以采用铝合金材料作为车体制造材料，可以制作出大型中空型材，不仅刚度可以与钢制车体一样，质量也可大大减轻，并且具有很好的耐腐蚀性能。

与钢相比，铝合金焊接的施工难度较大。但是，随着近年来的铝合金挤压型材的大型化和轻薄化，车体结构能够由大型轻薄的挤压型材的组合构成，纵向可以大幅度采用自动焊接，以提高质量和生产率，所以，以高速车辆为主的车辆越来越多地采用了铝合金制车体结构。

铝合金整体承载筒形结构的车体断面结构形式通常如图2．3所示。组成车体的底架、侧墙和车顶采用大型空心截面的挤压铝型材拼焊而成。底架地板由上下翼板、斜筋板和腹板组成的中空挤压型材，长度可达车体全长。下侧梁、侧墙板、车顶板也采用形状各异的中空截面挤压铝型材。这样在制造车体时仅留下少数几条长焊缝，制造工艺大为简化，焊接变形也易于控制，个体的制造精度也大为提高。