軌道客車車體結構材料選擇分析

馬洪光，閻 鋒，鄧 海

（1 長春軌道客車股份有限公司，吉林長春130062；2 青島四方車輛研究所有限公司，山東青島266031）

軌道客車車體結構材料選擇分析

馬洪光1，閻 鋒2，鄧 海1

（1 長春軌道客車股份有限公司，吉林長春130062；2 青島四方車輛研究所有限公司，山東青島266031）

介紹了典型的車體結構材料，并對其重點性能指標進行了對比分析，以便設計人員權衡利弊，選擇出適合于具體環境和具體項目的車體結構材料。

軌道客車；車體結構；材料；性能；選擇；分析

軌道客車車體結構材料選擇是一個非常復雜的問題，車體結構選用何種材料需要考慮車輛的用途、運營環境、結構和安全要求、壽命周期成本等因素。對材料的重點性能指標進行對比分析，有助于設計人員權衡利弊，選擇出適合于具體環境和具體項目的車體結構材料。

1　典型車體結構材料

軌道客車常用的典型車體結構材料主要有耐候鋼、低合金高強度鋼、不銹鋼和鋁合金3種材料。普通碳素鋼在軌道客車上也有少量應用（如干線鐵路客車底架側梁采用Q235），近年來有逐漸被淘汰的趨勢。

1.1耐候鋼、低合金高強度鋼

耐候鋼，即耐大氣腐蝕鋼，是介于普通碳素鋼和不銹鋼之間的低合金鋼系列，耐候鋼由普通碳素鋼添加少量銅、鎳等耐腐蝕元素而成，具有優質鋼的強韌、塑延、成型、焊割、磨蝕、高溫、抗疲勞等特性。耐候性為普碳鋼的2～8倍，涂裝性為普碳鋼的1.5～10倍。低合金高強度鋼含碳量通常小于0.25%，比普通碳素鋼有較高的屈服強度（300～800 MPa）和屈強比（0.65～0.95），較好的冷熱加工成型性，良好的焊接性，較低的冷脆傾向、缺口和時效敏感性，以及有較好的抗大氣、海水等腐蝕能力。其合金元素含量較低，一般在2.5%以下，在熱軋狀態或經簡單的熱處理（非調質狀態）后使用。

軌道客車車體結構常用的耐候鋼、低合金高強度鋼主要有Q295GNH、Q310 GNH、Q345、Q500和Q690。

1.2不銹鋼

不銹鋼是鉻含量不少于10.5%的耐熱耐蝕鋼材系列的總稱。通過控制合金元素的加入，可生產出各種型號的不銹鋼，每種不銹鋼具有特定的強度和耐蝕性。不銹鋼可分為奧氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、雙相不銹鋼（指奧氏體與鐵素體各約占50%）、馬氏體不銹鋼和沉淀硬化鋼5種基本類型。

奧氏體不銹鋼由于具有良好的耐蝕性和延展性，易于冷成型和焊接，因此，不銹鋼車體結構主要采用奧氏體不銹鋼。常用的奧氏體不銹鋼主要有SUS301L-DLT、SUS301L-ST、SUS301L-MT、SUS301L-HT、EN 1.4318+2 G和EN 1.4318+2 H。

1.3鋁合金

鋁合金是以鋁為基的合金總稱。主要合金元素有銅、硅、鎂、鋅、錳，次要合金元素有鎳、鐵、鈦、鉻、鋰等。鋁合金分為1000系～9000系9個系列，車體結構主要采用5000系、6000系和7000系鋁合金，常用的鋁合金材料主要有EN AW-5083、EN AW-6005 A、EN AW -6008、EN AW-6082和EN AW-7020。

2　車體結構分類

軌道客車車體結構按主要采用的材料可分為耐候鋼、低合金高強度鋼車體、不銹鋼車體和鋁合金車體。通常所說的不銹鋼車體或鋁合金車體實質上是指底架上方的結構，底架的主要部件，如牽引梁、枕梁、緩沖梁等通常采用耐候鋼、低合金高強度鋼制造，主要是因為耐候鋼、低合金高強度鋼具有良好的焊接性能和廣泛認可的疲勞強度。當然，鋁合金車體結構也有全鋁合金形式，車體結構完全由鋁合金制造而成。耐候鋼、低合金高強度鋼車體結構也不一定全是由耐候鋼、低合金高強度鋼制成，如某些耐候鋼、低合金高強度鋼車體結構的地板采用鐵素體不銹鋼（簡稱不銹鐵）EN 1.4003。

3　重點性能指標比較

3.1耐蝕性能

耐候鋼中由于加入了磷、銅、鉻、鎳等微量元素，使鋼材表面形成致密且附著性很強的保護膜，阻礙銹蝕往里擴散和發展，保護銹層下面的基體，以減緩其腐蝕速度。在銹層和基體之間形成的約50～100μm厚的非晶態尖晶石型氧化物層致密且與基體金屬黏附性好，由于這層致密氧化物膜的存在，阻止了大氣中氧和水向鋼鐵基體滲入，減緩了銹蝕向鋼鐵材料縱深發展，大大提高了鋼鐵材料的耐大氣腐蝕能力。同樣，低合金高強度鋼Q345、Q500和Q690中含有銅、硅、鎳、鉻、磷等微量元素，提高了其耐大氣腐蝕能力。不銹鋼暴露于空氣和其他任何氧化環境中，其表面會自然形成一層緊貼而透明的富鉻氧化層。如果由于刻劃或切割破壞了氧化膜，在有氧的情況下，氧化層又會馬上重新形成。雖然這層膜非常薄（約5μm），但很穩定且沒有孔隙，從而可以防止鋼與大氣進一步反應。因此，稱之為鈍化層。鈍化層的穩定性取決于鋼的成份、表面處理和環境的腐蝕性。鈍化層的穩定性隨鉻含量的增加而增加，并且加入鎳和鉬，其穩定性可進一步提高。同樣，鋁合金表面暴露在大氣中，其表面會生成一層薄而透明的氧化皮，防止金屬進一步氧化。這種自保護特性使得鋁合金具有良好的耐蝕性能。但是，必須要注意鋁合金與其他金屬連接。在沒有正確的保護屏障（實體屏蔽或特制的膏）的情況下將鋁合金與其他金屬連接在一起，鋁合金會與相鄰的金屬生成腐蝕橋，加速腐蝕。

耐候鋼、低合金高強度鋼的耐蝕性能比普通碳素鋼好，但遠遜于不銹鋼和鋁合金材料。耐候鋼、低合金高強度鋼表面需要通過涂裝防腐，不銹鋼和鋁合金材料即使在不涂裝的自然狀態下，也具有良好的耐腐蝕性能。但在沿海地區和某些重工業區，由于濕度大、鹽分高、污染重，不銹鋼的耐蝕性能比鋁合金更具優勢。

3.2質 量

車輛由車體和轉向架組成，減小車輛質量，可以降低軸重，減小對線路的沖擊，減少能量消耗。車體結構質量只是車輛質量的一部分，所以，除了要減小車體結構質量外，車體內裝、設備和轉向架減重也非常重要。

材料的強度質量比是涉及車體結構質量的一個重要因素之一，車體結構常用材料的強度質量比見表1。從表1中可以看出，每種類別材料的強度質量比涵蓋的范圍均比較大，因此不同車體結構的質量取決于采用的具體材料占車體結構的質量比。耐候鋼、低合金高強度鋼車體結構Q295 GNH、Q310 GNH和Q345占多數，而Q500和Q690僅占較小比例。不銹鋼車體結構表1中所列的不銹鋼材料均占有相當比例，牽引梁、枕梁和緩沖梁多采用Q500和Q690。鋁合金車體結構EN AW -6005A T6占多數，EN AW-5083 H111占少數。因此，鋁合金車體結構材料的綜合強度質量比最大，其次為不銹鋼車體結構，耐候鋼、低合金高強度鋼車體結構最小。所以，從材料的強度質量比角度看，車體結構質量由輕到重依次為鋁合金車體結構、不銹鋼車體結構和耐候鋼、低合金高強度鋼車體結構。

表1　車體結構常用材料的強度質量比

車體結構設計要實現輕量化，最優的辦法是通過合理的結構來實現，而不是一味地增加板厚。不銹鋼材料由于具有超強的耐蝕能力，不用考慮腐蝕造成的承載截面減小，因此，厚度可以做得很薄。而耐候鋼、低合金高強度鋼必須考慮腐蝕的影響，厚度不能太薄。這也是不銹鋼車體結構比耐候鋼、低合金高強度鋼車體結構輕的原因。

由于耐候鋼、低合金高強度鋼車體結構和鋁合金車體結構需要涂裝，而不銹鋼車體結構通常則不需要。這也會導致車輛質量差異。真正有意義的是車輛質量，采用耐候鋼、低合金高強度鋼車體結構的車輛最重，采用不銹鋼車體結構和鋁合金車體結構的車輛較輕，兩者的質量通常差不多。

對于車輛運營公司，他們關心的參數是列車總重與乘客數的比值，該參數正比于運送每位乘客消耗的能量。因此，合理設計客車平面布置，在保證乘客必要舒適度的情況下，增加客車載客量。

3.3外 觀

耐候鋼、低合金高強度鋼車體結構和鋁合金車體結構表面經過涂裝，新車時很漂亮，但容易積灰塵，需要清潔劑清洗，對環境有害，要像不銹鋼車一樣好看、持久，需要更多保養。

不銹鋼車體結構通常不需要涂裝，需要在車體結構上加上顏色時，可粘貼色帶。不銹鋼車的外觀也非常具有吸引力，保持其外觀只需要很少量的保養。

3.4疲勞性能

軌道客車車體結構的大致使用壽命為：耐候鋼、低合金高強度鋼車體結構20～40年，鋁合金車體結構25～40年，不銹鋼車體結構可達到80年。要達到如此長的使用壽命，車體結構疲勞是一個非常關鍵的因素。鋼材料基本上都有持久疲勞極限，而某些型號的鋁合金則沒有持久疲勞極限（圖1），只要循環次數增加，疲勞損傷就會一直累積。另外，從圖1中還可以看出，鋁合金的疲勞性能遠遜于鋼，這是鋼非常重要的一個優勢。這也是某些鋁合金車體結構底架關鍵部件采用鋼材料的原因之一，如CRH2型動車組采用鋼制車鉤座。

圖1　鋼和鋁合金典型的應力——循環次數曲線

3.5耐火性能

耐候鋼、低合金高強度鋼和不銹鋼具有良好的耐火性能，在500℃還具有相當的承載能力，而鋁合金在550℃就喪失了承載能力。各種材料在高溫下的屈服強度折減系數見表2～表3。圖2為耐候鋼、低合金高強度鋼、不銹鋼和鋁合金耐火性能的對比，從圖2中可以看出，耐候鋼、低合金高強度鋼在400℃時還能保持其室溫強度，但隨后強度急劇下降。鐵素體不銹鋼的耐火性能與耐候鋼、低合金高強度鋼相近。在低于約600℃時，奧氏體不銹鋼的耐火性能低于鐵素體-奧氏體不銹鋼，在約600℃以上溫度時，兩者的耐火性能相近。高于約600℃時，鐵素體—奧氏體不銹鋼和奧氏體不銹鋼的耐火性能優于耐候鋼、低合金高強度鋼。對于鋁合金，在比耐候鋼、低合金高強度鋼、不銹鋼低得多的溫度下強度就會失效。

車體結構設計時，應根據客車的用途評估火災風險。如果面臨的火災風險較大，應選用鋼制車體，即使采用鋁合金車體，底架關鍵部件也要采用鋼材料。

表2　鋼在高溫下的屈服極限折減系數

表3　鋁合金在高溫下的屈服極限折減系數（2h熱暴露時間）

圖2　強度折減系數對比

3.6焊縫熱影響區強度

金屬材料焊接，焊縫附近熱影響區域的材料在焊接過程中產生了微觀結構和特性上的變化，這些變化取決于母材在受熱狀態下的特性。熱影響區的金屬性能往往不如母材和熔化區。耐候鋼、低合金高強度鋼、不銹鋼焊縫熱影響區強度下降較少，熱影響區的屈服極限為母材屈服極限除以1.1的值。鋁合金焊縫熱影響區強度性能通常下降較多，但合金狀態為“O”時焊縫附近熱影響區強度沒有減弱。鋁合金不同材料牌號、不同產品形式、不同狀態以及不同厚度焊縫熱影響區強度的減弱程度不一樣，車體結構常用鋁合金材料母材和熱影響區的屈服極限見表4。從表4中可以看出，多數情況下鋁合金焊縫熱影響區強度大幅下降，因此，鋁合金車體結構設計時，盡量將焊縫布置在低應力區。

3.7防碰撞性能

結構毀壞有2種破壞機理，其一為材料失效，載荷超過材料的強度能力，另一種失效模式是失穩。后一種情況材料大部分保持完好，但結構以折疊或起皺的方式損壞。

表4　車體結構常用鋁合金材料母材和熱影響區的屈服極限

現代鋼制車體為骨架蒙皮硬殼式結構，其主要結構為由型鋼組成的框架支撐蒙皮。這種結構過載失效通常以局部失穩開始，然后逐步發展到整體結構損壞和某些局部斷裂。

鋁合金車體如采用骨架蒙皮結構，過載時其破壞方式與上面介紹的一樣。但是鋁合金車體多采用大型中空擠壓型材縱向焊接在一起組成筒形結構。這種結構為內部具有小間隔連續支撐的雙層蒙皮結構。過載時，該結構能維持穩定性，主要以斷裂的形式破壞，從最弱點開始。采用大型中空擠壓型材縱向焊接組成車體，不僅提高了制造和組裝效率，同時還等到一個剛性很大的車體，具有良好的抗沖擊載荷能力，有助于提高軌道客車的防碰撞性能。事實上，在碰撞中，由大型中空鋁合金擠壓型材制成的雙蒙皮車體表現得像一個剛體。為此，需在車輛的每一端設碰撞能吸收區，以吸收碰撞能，否則，碰撞能就會傳到乘客、乘務人員和設備。

1998年發生在德國埃舍德的事故表明，用縱向焊縫連接擠壓型材組成的鋁合金車體主要的失效模式是沿熱影響區、焊縫金屬接口快速斷裂。通常用焊縫解鏈來描述這種失效模式。

鋁合金車體結構中，連接側墻和地板的焊縫在所有方面均要比典型的鋼制車體此處的焊縫強。但由于周圍的結構更堅硬更強，在事故中，此處趨向于首先破壞，而在典型的鋼制車體中，在這些焊縫開裂前，側墻已經屈曲（失穩）。

鋁合金車體焊縫解鏈失效模式與焊縫熱影響區強度下降有關，因此，加厚焊縫區鋁板的厚度可以消除焊縫解鏈失效模式，沖擊能被結構控制的屈曲吸收。

另外，攪拌摩擦焊是一種在機械力和摩擦熱作用下的固相連接方法，焊接溫度一般不會達到和超過被焊接材料的熔點，焊縫熱影響區的軟化程度小，熱影響區范圍小。側墻與地板采用攪拌摩擦焊連接，可提高可能以焊縫解鏈模式失效的鋁合金車體的防碰撞性能。

3.8維護和維修

耐候鋼、低合金高強度鋼車體結構和鋁合金車體結構表面需要涂裝，涂裝表面容易積灰，需要經常清洗。另外，涂裝表面損壞不僅影響美觀，并且還不利于耐候鋼、低合金高強度鋼防腐，因此，需要修復。不銹鋼表面非常光滑，且具有優異的耐蝕能力，不需要涂裝，減少了維護。

如車體結構損壞，耐候鋼、低合金高強度鋼車體容易維修，不銹鋼車體和鋁合金車體的維修則相當復雜，需要專業的技能和技術。

3.9壽命周期成本

車體結構材料費用隨需求量和利用率而變化，總的來說，耐候鋼、低合金高強度鋼、鋁合金和不銹鋼材料成本大致為1∶2∶4，從材料費用角度考慮，耐候鋼、低合金高強度鋼比鋁合金和不銹鋼有優勢。從車體結構制造費用的角度看，鋁合金最低，其次是耐候鋼、低合金高強度鋼，不銹鋼最高。車體結構成本從高到低依次為不銹鋼車體結構、鋁合金車體結構和耐候鋼、低合金高強度鋼車體結構。如果內裝、設備、轉向架等均一樣的話，車輛成本從高到低也依次為不銹鋼車、鋁合金車和耐候鋼、低合金高強度鋼車。雖然不銹鋼車和鋁合金車的成本高，但質量輕，能耗費用少。并且在維修費用方面，不銹鋼車最低，鋁合金車次之，耐候鋼、低合金高強度鋼車最高。總的壽命周期成本從高到低依次為耐候鋼、低合金高強度鋼車、鋁合金車和不銹鋼車。

3.10可回收利用性

不銹鋼車體結構的廢料價值最高，其次為鋁合金車體結構，耐候鋼、低合金高強度鋼車體結構的廢料價值最低。回收利用費用，不銹鋼車體結構最低，其次為鋁合金車體結構，耐候鋼、低合金高強度鋼車體結構最高。

4　針對特定應用車體結構材料的適合性分析

根據以上對比分析可以發現，3種材料均有明顯的優點和缺點，很難說哪種材料更優越，每種材料均有適合其應用的特定環境。

4.1磁懸浮列車和高速列車

磁懸浮列車和高速列車對車輛輕量化要求嚴格，并且鋁合金車體結構焊接采用連續自動焊，能保證整車落成后車體的氣密性。因此，磁懸浮列車和高速列車宜采用鋁合金車體結構。

4.2干線鐵路客車

我國幅員遼闊，線路條件復雜，客車運用環境差異很大，容易對車輛造成損壞。鑒于碳鋼車維修簡單，不需要非常專業的技術和設備，宜采用碳鋼車。對于運營環境較好的城際間線路，由于不銹鋼車優異的耐蝕能力和低壽命周期成本，建議采用不銹鋼車。

4.3沿海地區和某些重工業區

由于不銹鋼的耐蝕性能最好，在沿海地區和某些重工業區，宜采用不銹鋼車。

5　結 論

3種材料的優缺點明顯，針對特定的用途和應用環境，需要運營單位和設計人員綜合平衡材料的各項性能指標，選擇最合適的車體結構材料。

［1］ UIC 566客車車體及其零部件的載荷［S］.

［2］ Jeff Gordon，CONSIDERATIONS OF ALTERNATIVE MATERIALS FOR PASSENGER RAIL CARBODY CONSTRUCTION［R］，2009.

［3］ J.H.Parker，STAINLESS STEEL RAILCARS FOR METROAND EMU RAILWAYS-NORTH AMERICAN EXPERIENCE［Z］.http：∥pptfilesearch.com/single/341970/stainless-steel-railcars-for-metro-and-emu-railways-north-american-experience

［4］ S Matsuoka.不銹鋼車輛的可回收利用性［J］.國外鐵道車輛，2004，（6）：28-31.

Analysis on Materials Selection for CarBody Structure

MA Hongguang1，YAN Feng2，DENG Hai1
（1 Changchun Railway Vehicles Co.，Ltd.，Changchun 130062 Jilin，China；2 CSR SiFang co.，Ltd.，Qingdao 266111 Shandong，China）

This paper introduces the typical materials used for carbody structure and carries out comparative analysis on key performance index for the convenience of designers to weigh the advantage and disadvantage and select proper materials used for carbody structure for specific conditions and projects.

railway vehicles；carbody structure；materials；performance；selection；analysis

U271.4

A doi：10.3969/j.issn.1008-7842.2015.04.12

1008-7842（2015）04-0054-05

3—）男，高級工程師（

2015—04—10）