浅谈地铁不锈钢车体和铝合金车体

陈树娟 马纪军 徐雷 郭会生 刘东军

(唐山轨道客车有限责任公司,河北唐山 063035)

浅谈地铁不锈钢车体和铝合金车体

陈树娟 马纪军 徐雷 郭会生 刘东军

(唐山轨道客车有限责任公司,河北唐山 063035)

随着城市发展和人们生活的需要,各个城市都纷纷规划、修建地铁线路,地铁的方便、快捷给人们的出行带来了好处。我国城市轨道交通车辆的车体主要采用不锈钢和铝合金材料。本文对这两种车体的结构、材料、制造工艺及外观质量等进行比较,希望对城市轨道交通车体的选择有所借鉴。

地铁 车体 不锈钢 铝合金

1 地铁车体概述

车体是车辆结构的主体。车体的强度、刚度,关系到车辆运行的安全可靠性和舒适性;车体的防腐耐腐能力、表面保护和装饰方法,关系到车辆的外观、寿命和检修制度;车体的重量,关系到能耗、加减速度、载客能力;所有这些都直接影响到运营质量和经济效益。

2 车体结构

车体都是由底架、侧墙、车顶、端墙组成。不锈钢车体同碳钢车体一样为整体承载板梁结构。车体大部件均采用骨架结构,可以增大强度,便于挠度的形成,不锈钢车体的侧墙板、端墙板、车顶板、地板所有的连接点均为板式连接,所有连接处都涂有密封胶,以点焊的方法连接。侧墙板采用平外板结构,而其内侧则加刚性肋板以提高刚度。侧墙梁柱采用帽形断面结构,与侧墙板点焊连接成闭口结构,有利于提高结构刚度和承载能力。铝合金车体结构为大型中空铝合金型材组焊而成,为筒形整体承载结构。大部件为铝型材或铝板拼焊而成,与不锈钢车体侧墙主要不同在于可以为鼓形结构。

3 车体材料

用于不锈钢车体的材料应具有耐高应力,焊接性、辊轧成形性、冲压性等加工性能良好。能符合上述条件的不锈钢通常有两种：奥氏体系不锈钢的SUS30lL、SUS304,由于SUS301L具有通过轧制加工而易于增加硬度和抗拉强度的特性,故可根据使用部位选用适当等级的材料;新型不锈钢车采用超低(C＜0．03%)的SUS30lL车辆专用经济不锈钢,根据压延率的不同分成LT、DLT、ST、MT、HT共5个强度级。

为满足铝合金车体强韧性、焊接性、加工性和三维弯曲成形等综合性能要求,通常选用符合DIN 5513标准的5000系和6000系铝合金,主要有EN AW-5083、EN AW-6082、EN AW-6005A。EN AW-5083铝合金拥有良好的焊接性能和抗腐蚀性,在H111状态下可塑性很好,但挤压加工性较差,难以得到薄壁及中空型材。部件的连接板选用EN AW-5083铝合金。EN AW-6005A铝合金既具有中等强度,比其他铝合金能挤压出形状更为复杂的产品,特别是对于薄壁空心型材更为明显。

4 制造工艺

不锈钢车体采用板梁组合整体承载全焊结构,为了不降低板材强度和减小变形,应尽量采用点焊,特别是强度高的材料不允许任何形式的弧焊。不锈钢车辆的材料主要采SUS301、SUS304两种材料,具有强度高,耐腐蚀,抗冲击等优良特性,保持表面的光洁度,使车体即美观又坚固。不锈钢表面不需要涂装处理,要保持材料原有的外观特点,因此,许多表面不能调修,加工过程技术要求高。不锈钢在焊接过程中产生变形大,高温下会导致机械性能的降低,所以,在不锈钢车辆生产过程中大量实施点焊。

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很快发展。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。

5 轻量化

铝合金的比重为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274～352N/mm2,而一般不锈钢抗拉强度520～685N/mm2,采用超低碳轻量化不锈钢的抗拉强度达到960～l 200N/mm2,是铝合金的2～5倍。而且,铝合金刚度低,其弹性模量为0．71×105N/mm2,是不锈钢(2．06×105N/mm2)的约l/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。而不锈钢车体可采用板梁组合整体承载全焊结构,能有效地减轻车体自重,达到实现车体轻量化的目的。铝合金车体轻量化效果比不锈钢车体更明显些。

6 外观质量

不锈钢车体在制造过程中不必进行防腐保护,无需涂漆。可进行适当修饰,或用彩色胶膜装修。由于车体表面装饰大多是原材料带有的,因此在焊接前的加工过程中要贴膜保护。因为外墙板很薄很光,对不平度反应过敏,只要有凹凸,经反光折射,肉眼就感到不舒服;尤其是薄板的点焊痕迹更是无法消除,密密麻麻的焊点是设计确定、工艺保证的,焊点的排列、深度、大小的一致性都有严格的要求。侧墙外板材料要做消光钝化处理。相比之下,铝合金车体的耐腐蚀性能较差,但中空铝型材平整,又可根据用户要求选择不同的装饰和颜色,因此给人的感觉是庄重、美观,广大乘客容易接受。

7 结语

不锈钢车体的机械性能强于铝合金车体,熔点高于铝合金车体,防火性能强于铝合金车体,因此不锈钢车体具有更好的安全性;铝合金车体的屈服强度、抗拉强度、延伸率以及弹性模量约为不锈钢车体的1/3。不锈钢车体比铝合金车体的刚度要大,因此在铝合金车体设计时,需要采用加大板厚和尽量加大车体端面的办法,提高车体抗弯刚度。不锈钢车体重量、价格略高于铝合金车体,但是对于沿海和重工业地区,其空气污染重、湿度大等问题,使用不锈钢车体可延长车体使用寿命。

[1]海邦君.铝合金车体设计研究铁道车辆,2003.

[2]DIN 5513:2007轨道车辆材料一铝和铝合金.

[3]汪云燕.车辆结构材料技术.国外机车车辆工艺,1997.

[4]EN 15085:2007铁路应用一铁道车辆及其部件的焊接.

[5]马文斌译.不锈钢铁道车辆的制造.国外机车车辆工艺,1991.

陈树娟,唐山轨道客车有限责任公司,工程师;马纪军,唐山轨道客车有限责任公司,教授级高级工程师;徐雷,唐山轨道客车有限责任公司高级工程师;郭会生,唐山轨道客车有限责任公司,教授级高级工程师;刘东军,唐山轨道客车有限责任公司,高级工程师。