淺談地鐵不銹鋼車體和鋁合金車體

陳樹娟 馬紀軍 徐雷 郭會生 劉東軍

(唐山軌道客車有限責任公司,河北唐山 063035)

淺談地鐵不銹鋼車體和鋁合金車體

陳樹娟 馬紀軍 徐雷 郭會生 劉東軍

(唐山軌道客車有限責任公司,河北唐山 063035)

隨著城市發展和人們生活的需要,各個城市都紛紛規劃、修建地鐵線路,地鐵的方便、快捷給人們的出行帶來了好處。我國城市軌道交通車輛的車體主要采用不銹鋼和鋁合金材料。本文對這兩種車體的結構、材料、制造工藝及外觀質量等進行比較,希望對城市軌道交通車體的選擇有所借鑒。

地鐵 車體 不銹鋼 鋁合金

1 地鐵車體概述

車體是車輛結構的主體。車體的強度、剛度,關系到車輛運行的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,關系到車輛的外觀、壽命和檢修制度;車體的重量,關系到能耗、加減速度、載客能力;所有這些都直接影響到運營質量和經濟效益。

2 車體結構

車體都是由底架、側墻、車頂、端墻組成。不銹鋼車體同碳鋼車體一樣為整體承載板梁結構。車體大部件均采用骨架結構,可以增大強度,便于撓度的形成,不銹鋼車體的側墻板、端墻板、車頂板、地板所有的連接點均為板式連接,所有連接處都涂有密封膠,以點焊的方法連接。側墻板采用平外板結構,而其內側則加剛性肋板以提高剛度。側墻梁柱采用帽形斷面結構,與側墻板點焊連接成閉口結構,有利于提高結構剛度和承載能力。鋁合金車體結構為大型中空鋁合金型材組焊而成,為筒形整體承載結構。大部件為鋁型材或鋁板拼焊而成,與不銹鋼車體側墻主要不同在于可以為鼓形結構。

3 車體材料

用于不銹鋼車體的材料應具有耐高應力,焊接性、輥軋成形性、沖壓性等加工性能良好。能符合上述條件的不銹鋼通常有兩種：奧氏體系不銹鋼的SUS30lL、SUS304,由于SUS301L具有通過軋制加工而易于增加硬度和抗拉強度的特性,故可根據使用部位選用適當等級的材料;新型不銹鋼車采用超低(C＜0．03%)的SUS30lL車輛專用經濟不銹鋼,根據壓延率的不同分成LT、DLT、ST、MT、HT共5個強度級。

為滿足鋁合金車體強韌性、焊接性、加工性和三維彎曲成形等綜合性能要求,通常選用符合DIN 5513標準的5000系和6000系鋁合金,主要有EN AW-5083、EN AW-6082、EN AW-6005A。EN AW-5083鋁合金擁有良好的焊接性能和抗腐蝕性,在H111狀態下可塑性很好,但擠壓加工性較差,難以得到薄壁及中空型材。部件的連接板選用EN AW-5083鋁合金。EN AW-6005A鋁合金既具有中等強度,比其他鋁合金能擠壓出形狀更為復雜的產品,特別是對于薄壁空心型材更為明顯。

4 制造工藝

不銹鋼車體采用板梁組合整體承載全焊結構,為了不降低板材強度和減小變形,應盡量采用點焊,特別是強度高的材料不允許任何形式的弧焊。不銹鋼車輛的材料主要采SUS301、SUS304兩種材料,具有強度高,耐腐蝕,抗沖擊等優良特性,保持表面的光潔度,使車體即美觀又堅固。不銹鋼表面不需要涂裝處理,要保持材料原有的外觀特點,因此,許多表面不能調修,加工過程技術要求高。不銹鋼在焊接過程中產生變形大,高溫下會導致機械性能的降低,所以,在不銹鋼車輛生產過程中大量實施點焊。

鋁合金的焊接工藝復雜,手工操作難,容易產生較大的熱應力、變形、裂紋和氣孔,焊縫區域機械強度低于母材。但鋁合金具有良好的塑性,采用現代鋁擠壓成型技術,大型中空鋁合金型材組成的鋁合金車體得到了很快發展。目前,大型中空鋁合金型材的鋁合金車體可以是整體焊接結構,利用自動焊機連續焊接。

5 輕量化

鋁合金的比重為2．71g/cm3,僅是不銹鋼(7．85g/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274～352N/mm2,而一般不銹鋼抗拉強度520～685N/mm2,采用超低碳輕量化不銹鋼的抗拉強度達到960～l 200N/mm2,是鋁合金的2～5倍。而且,鋁合金剛度低,其彈性模量為0．71×105N/mm2,是不銹鋼(2．06×105N/mm2)的約l/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。為了提高鋁合金車體斷面系數,增大抗彎剛度,防止板材產生失穩,必須加大板厚。而不銹鋼車體可采用板梁組合整體承載全焊結構,能有效地減輕車體自重,達到實現車體輕量化的目的。鋁合金車體輕量化效果比不銹鋼車體更明顯些。

6 外觀質量

不銹鋼車體在制造過程中不必進行防腐保護,無需涂漆。可進行適當修飾,或用彩色膠膜裝修。由于車體表面裝飾大多是原材料帶有的,因此在焊接前的加工過程中要貼膜保護。因為外墻板很薄很光,對不平度反應過敏,只要有凹凸,經反光折射,肉眼就感到不舒服;尤其是薄板的點焊痕跡更是無法消除,密密麻麻的焊點是設計確定、工藝保證的,焊點的排列、深度、大小的一致性都有嚴格的要求。側墻外板材料要做消光鈍化處理。相比之下,鋁合金車體的耐腐蝕性能較差,但中空鋁型材平整,又可根據用戶要求選擇不同的裝飾和顏色,因此給人的感覺是莊重、美觀,廣大乘客容易接受。

7 結語

不銹鋼車體的機械性能強于鋁合金車體,熔點高于鋁合金車體,防火性能強于鋁合金車體,因此不銹鋼車體具有更好的安全性;鋁合金車體的屈服強度、抗拉強度、延伸率以及彈性模量約為不銹鋼車體的1/3。不銹鋼車體比鋁合金車體的剛度要大,因此在鋁合金車體設計時,需要采用加大板厚和盡量加大車體端面的辦法,提高車體抗彎剛度。不銹鋼車體重量、價格略高于鋁合金車體,但是對于沿海和重工業地區,其空氣污染重、濕度大等問題,使用不銹鋼車體可延長車體使用壽命。

[1]海邦君.鋁合金車體設計研究鐵道車輛,2003.

[2]DIN 5513:2007軌道車輛材料一鋁和鋁合金.

[3]汪云燕.車輛結構材料技術.國外機車車輛工藝,1997.

[4]EN 15085:2007鐵路應用一鐵道車輛及其部件的焊接.

[5]馬文斌譯.不銹鋼鐵道車輛的制造.國外機車車輛工藝,1991.

陳樹娟,唐山軌道客車有限責任公司,工程師;馬紀軍,唐山軌道客車有限責任公司,教授級高級工程師;徐雷,唐山軌道客車有限責任公司高級工程師;郭會生,唐山軌道客車有限責任公司,教授級高級工程師;劉東軍,唐山軌道客車有限責任公司,高級工程師。