淺析城軌車輛車體材料的發(fā)展歷程

黃昌兵

1.城軌車輛車體概述

車體是車輛的主體結(jié)構(gòu)，車體一方面是容納乘客和地鐵司機(jī)駕駛列車的場(chǎng)所，又是安裝其他車輛部件和系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因而車輛車體的材料使用結(jié)構(gòu)的選擇都關(guān)系到地鐵列車運(yùn)行的安全性、可靠性、乘車舒適性。按照車體所使用材料分類，一般分為碳素鋼車體、不銹鋼車體、鋁合金車體三種，早期城軌車輛車體材料一般使用碳素鋼(普通低碳鋼和耐候鋼)，目前城軌車輛主要使用鋁合金，使用不銹鋼車體較少。

2.碳素鋼、不銹鋼、鋁合金車體材料的比較

2.1 車體輕量化。采用普通碳素鋼制成的車體有眾多縱、橫型材構(gòu)骨架和外包板結(jié)構(gòu)，形成一個(gè)閉口的筒形薄殼整體承載結(jié)構(gòu)，一般自重達(dá)10～13t。為了減輕車體重量和解決車體腐蝕問題，采用了半不銹鋼(包板為不銹鋼，骨架為普通碳素鋼)或全不銹鋼車體，免除了車體內(nèi)壁涂覆防腐蝕涂料和表面油漆。在保證強(qiáng)度、剛度的前提下，通過調(diào)質(zhì)壓延而獲得高強(qiáng)度不銹鋼薄板，板厚減小，使的車體自重比普通碳素鋼車體減輕l～2t。

鋁合金的比重僅為鋼的1/3，彈性模量也是鋼的1/3，在鋁制車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，車體主要承載構(gòu)件一般采用大型中空截面的擠壓鋁型材，達(dá)到最大限度地減輕車體自重。全車的底板、側(cè)墻、車頂均采用大型中空截面的擠壓鋁型材拼焊而成，與鋼制相比重量可減輕3～5 t。

為保證地鐵車輛不銹鋼和鋁合金車體的機(jī)械性能，結(jié)合國內(nèi)外地鐵車輛車體采用不銹鋼和鋁合金車體的運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，以碳素鋼車體自重為基準(zhǔn)，不銹鋼車體可減自重20%上下，鋁合金車體可減自重40%左右。因此在輕量化上鋁合金車體效果比不銹鋼車體更好。

2.2 車體腐蝕狀況。碳素鋼車體的雨檐周圍，門口及車窗周圍的立柱、墻板、地板等處容易被腐蝕，6年之后要進(jìn)行局部修補(bǔ)，10年后要進(jìn)行部分改造，20年后還要進(jìn)行大的改造。如此反復(fù)修補(bǔ)、改造，30年后的車輛基本上報(bào)廢。

目前的城軌車輛鋁合金車體已經(jīng)使用大型鋁合金擠壓型材。通過對(duì)運(yùn)營后鋁合金車體腐蝕情況進(jìn)行的調(diào)查表明:雨檐、門口、窗口周圍及底架端部、車體側(cè)面的焊接熱影響區(qū)處發(fā)生了腐蝕。但和碳素鋼車體相比較，腐蝕程度很輕，對(duì)車體的強(qiáng)度不會(huì)產(chǎn)生影響，只需對(duì)車輛進(jìn)行定期維護(hù)。

不銹鋼車體具有耐腐蝕、免維修等特點(diǎn)。全部采用不銹鋼材料的車體是與鋁合金車體大致在同一時(shí)期開發(fā)出來的，事實(shí)證明不銹鋼車體比其他類型的車體有著更好的耐腐蝕性。通過對(duì)在線運(yùn)營的不銹鋼車輛進(jìn)行的檢查、發(fā)現(xiàn)不銹鋼車體幾乎不需要進(jìn)行維護(hù)。早期制造的不銹鋼車體目前都還在正線上運(yùn)營。

2.3 制造成本

2.3.1 材料成本:現(xiàn)在以確定了形式、大小的城市通勤車為例，因各種車的耐腐蝕性不同，分為碳素鋼涂裝車、鋁合金涂裝車、鋁合金不涂裝車(但外表面要打磨加工)，不銹鋼不涂裝車等幾種。

不涂裝車由于近來對(duì)外觀的要求，也常貼上彩帶，因此不涂裝車的成本中還要包含彩帶及涂于搭接處的防水密封膠，所以用于車輛裝飾的材料費(fèi)用大致相同。僅僅從材料來講，車體的成本:碳素鋼車體＜不銹鋼車＜鋁合金車。

2.3.2 加工成本:由于SUS301L不銹鋼材料須經(jīng)過調(diào)質(zhì)壓延加工，需要專用加工設(shè)備，所以使成本增加;鋁合金由于采用合金元素及大型擠壓設(shè)備，也使得加工成本增加。另外加工中碳素鋼車體使用CO2氣體保護(hù)的弧焊和用焊條的弧焊。鋁合金車體使用MIG焊和TIG焊。不銹鋼車體使用點(diǎn)焊、MIG焊和TIG焊。并且鋁合金車體跟碳素鋼車體一樣采用弧焊，為防止底架接頭處的角部產(chǎn)生應(yīng)力集中，要增加打磨加工焊縫的工作。不銹鋼車體采用點(diǎn)焊，所用焊接材料少，焊接熱量少，不容易發(fā)生變形，所以基本上不需要修整及加工焊縫。

在考慮到上述因素影響的前提下，可以看出車體的制造成本:碳素鋼車體制造成本最低，不銹鋼車體次之，鋁合金車體制造成本最高。鋁合金車體要比碳素鋼車體高出70%，不銹鋼車體要比碳素鋼車體高出14%。

2.4 維修管理。車體采用不銹鋼和鋁合金材料，提高了車輛的耐腐蝕性和輕量化，使車輛的維修管理及運(yùn)營更加合理化。采用耐候鋼的車輛，無法和不銹鋼相比，經(jīng)過10年，局部就會(huì)被腐蝕，必須進(jìn)行修補(bǔ)，這樣除了修理所需費(fèi)用以外，由于車體更新會(huì)使運(yùn)營率下降，還會(huì)影響備用車數(shù)量。在過去幾十年的運(yùn)營實(shí)際已經(jīng)驗(yàn)證，不銹鋼車體和鋁合金車體基本是不用維修的，所以選用不銹鋼和鋁合金車體的車輛后期費(fèi)用明顯減少。

2.5 運(yùn)營總成本。如將碳素鋼車體制造成本定為l.0，則不銹鋼車為1.14，鋁合金車(不涂漆)為 l.57，鋁合金(涂漆)為 1.66。但是由于碳素鋼車體檢查維修量大，其總成本明顯增加，12年廠修時(shí)其總成本大幅上升，超過不銹鋼車。20年時(shí)，再次大幅躍升，超出鋁合金車。所以可以看出，最初的制造成本最低，但經(jīng)過長年使用后，總成本變?yōu)樽罡?。而不銹鋼車維修量很少，所以最終總成本最低。

2.6 外觀質(zhì)量。碳素鋼車體由于不耐腐蝕，車體需要經(jīng)常維護(hù)保養(yǎng)。車體使用一段時(shí)間后腐蝕較為嚴(yán)重，折舊嚴(yán)重，影響美觀。

不涂裝的不銹鋼車體，由于不刮膩?zhàn)?、不油漆，外表不做任何裝飾，給人一種缺點(diǎn)什么的感覺;由于外墻板很薄(中國使用1.5mm)、很光，對(duì)不平度反映過敏，只要有0.2mm的凹凸，經(jīng)反光折射，肉眼就感到不舒服;尤其是薄板的點(diǎn)焊印子更是無法消除，這些密密麻麻的焊點(diǎn)是設(shè)計(jì)確定的、工藝保證的，焊點(diǎn)的排列、深度、大小的一致性都有嚴(yán)格的。

中空鋁型材平整、挺拔，又可根據(jù)用戶要求選擇不同的裝飾和顏色，獨(dú)具西裝革履、闊綽大方的紳士風(fēng)度，給人的感覺是莊重、美觀，廣大乘客容易接受。

2.7 制作工藝。中空型鋁型材是一次軋制而成，只需下料、拼裝、氬弧焊接，制造工藝比較簡單，人工和耗材使用較少。

不銹鋼車體一般是板梁結(jié)構(gòu)，需要大量輔助工具和中間檢查手段較為復(fù)雜，生產(chǎn)極其為繁雜。

2.8 抵御磕碰、防劃傷能力。碳素鋼車體極不容易修復(fù)。鋁合金占優(yōu)，容易修復(fù)。不銹鋼，容易劃傷，出現(xiàn)劃痕又難以消除。

2.9 對(duì)車下設(shè)備提供的安裝空間和布置方式。碳素鋼車體各個(gè)部件質(zhì)量重，占用空間比例大，車下空間十分狹小，不方便布置車輛設(shè)備，尤其是加裝或改裝設(shè)備。

不銹鋼車體板薄，板梁點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)，車下空間小，設(shè)備布置分散，只能用傳統(tǒng)的預(yù)留線槽線道、現(xiàn)車穿線工藝，線路、管路布置零亂。

鋁合金車體，車下空間較大，適合于大線槽布線和空氣管路預(yù)裝配，能夠做到整體安裝，實(shí)現(xiàn)模塊化車體的要求，在車輛維修過程中比較方便哪個(gè)模塊故障則可進(jìn)行更換。

2.10 能耗。在車輛自重的排列中碳素鋼＞不銹鋼＞鋁合金，那么能耗則同為為碳素鋼＞不銹鋼＞鋁合金，在能源節(jié)能方面鋁合金占明顯的優(yōu)勢(shì)。通過數(shù)據(jù)分析鋁合金車體的運(yùn)營能耗成本明顯低于其他類型車體

3.結(jié)束語

城軌車輛車體的發(fā)展一直在追求輕量化、經(jīng)濟(jì)性和安全舒適性。城軌車輛車體由最早的碳素鋼一體化結(jié)構(gòu)車體發(fā)展成現(xiàn)在不銹鋼、鋁合金模塊化結(jié)構(gòu)車體。不銹鋼車體和鋁合金車體都具有較好的耐腐蝕性和輕量化的優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)了城軌車輛發(fā)展的需要。我們從以上十個(gè)方面進(jìn)行比較分析綜合考慮認(rèn)為城軌車輛車輛最合適的材料為鋁合金車體。(作者單位:湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院)

［1］張橋平、彭建武、周志剛《城市軌道交通車輛機(jī)械》成都西南交通大學(xué)出版社2012年8月第一版

［2］孫章、蒲琪《城市軌道交通概論》北京人民交通出版社2010年1月第一版

［3］曾青中、韓增盛《城市軌道交通車輛》成都 西南交通大學(xué)出版社2006年8月第一版

［4］中國鐵道學(xué)會(huì)、大連鐵道學(xué)院合編《城市軌道交通論文集》北京 中國鐵道出版社2002年6月第一版