淺談地鐵不銹鋼車體和鋁合金車體

陳樹娟 馬紀(jì)軍 徐雷 郭會(huì)生 劉東軍

(唐山軌道客車有限責(zé)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(jì)軍 徐雷 郭會(huì)生 劉東軍

(唐山軌道客車有限責(zé)任公司,河北唐山 063035)

隨著城市發(fā)展和人們生活的需要,各個(gè)城市都紛紛規(guī)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(duì)這兩種車體的結(jié)構(gòu)、材料、制造工藝及外觀質(zhì)量等進(jìn)行比較,希望對(duì)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(jié)構(gòu)的主體。車體的強(qiáng)度、剛度,關(guān)系到車輛運(yùn)行的安全可靠性和舒適性;車體的防腐耐腐能力、表面保護(hù)和裝飾方法,關(guān)系到車輛的外觀、壽命和檢修制度;車體的重量,關(guān)系到能耗、加減速度、載客能力;所有這些都直接影響到運(yùn)營質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。

2 車體結(jié)構(gòu)

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

3 車體材料

用于不銹鋼車體的材料應(yīng)具有耐高應(yīng)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(qiáng)度的特性,故可根據(jù)使用部位選用適當(dāng)?shù)燃?jí)的材料;新型不銹鋼車采用超低(C＜0．03%)的SUS30lL車輛專用經(jīng)濟(jì)不銹鋼,根據(jù)壓延率的不同分成LT、DLT、ST、MT、HT共5個(gè)強(qiáng)度級(jí)。

為滿足鋁合金車體強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)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(tài)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(qiáng)度,比其他鋁合金能擠壓出形狀更為復(fù)雜的產(chǎn)品,特別是對(duì)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(jié)構(gòu),為了不降低板材強(qiáng)度和減小變形,應(yīng)盡量采用點(diǎn)焊,特別是強(qiáng)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(qiáng)度高,耐腐蝕,抗沖擊等優(yōu)良特性,保持表面的光潔度,使車體即美觀又堅(jiān)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(diǎn),因此,許多表面不能調(diào)修,加工過程技術(shù)要求高。不銹鋼在焊接過程中產(chǎn)生變形大,高溫下會(huì)導(dǎo)致機(jī)械性能的降低,所以,在不銹鋼車輛生產(chǎn)過程中大量實(shí)施點(diǎn)焊。

鋁合金的焊接工藝復(fù)雜,手工操作難,容易產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力、變形、裂紋和氣孔,焊縫區(qū)域機(jī)械強(qiáng)度低于母材。但鋁合金具有良好的塑性,采用現(xiàn)代鋁擠壓成型技術(shù),大型中空鋁合金型材組成的鋁合金車體得到了很快發(fā)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(jié)構(gòu),利用自動(dòng)焊機(jī)連續(xù)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(qiáng)度不如不銹鋼,鋁合金抗拉強(qiáng)度274～352N/mm2,而一般不銹鋼抗拉強(qiáng)度520～685N/mm2,采用超低碳輕量化不銹鋼的抗拉強(qiáng)度達(dá)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(qiáng)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(shù),增大抗彎剛度,防止板材產(chǎn)生失穩(wěn),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(jié)構(gòu),能有效地減輕車體自重,達(dá)到實(shí)現(xiàn)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(zhì)量

不銹鋼車體在制造過程中不必進(jìn)行防腐保護(hù),無需涂漆?？蛇M(jìn)行適當(dāng)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(hù)。因?yàn)橥鈮Π搴鼙『芄?對(duì)不平度反應(yīng)過敏,只要有凹凸,經(jīng)反光折射,肉眼就感到不舒服;尤其是薄板的點(diǎn)焊痕跡更是無法消除,密密麻麻的焊點(diǎn)是設(shè)計(jì)確定、工藝保證的,焊點(diǎn)的排列、深度、大小的一致性都有嚴(yán)格的要求。側(cè)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(jù)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(jié)語

不銹鋼車體的機(jī)械性能強(qiáng)于鋁合金車體,熔點(diǎn)高于鋁合金車體,防火性能強(qiáng)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(qiáng)度、抗拉強(qiáng)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(shè)計(jì)時(shí),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(jià)格略高于鋁合金車體,但是對(duì)于沿海和重工業(yè)地區(qū),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(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)材料技術(shù).國外機(jī)車車輛工藝,1997.

[4]EN 15085:2007鐵路應(yīng)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(jī)車車輛工藝,1991.

陳樹娟,唐山軌道客車有限責(zé)任公司,工程師;馬紀(jì)軍,唐山軌道客車有限責(zé)任公司,教授級(jí)高級(jí)工程師;徐雷,唐山軌道客車有限責(zé)任公司高級(jí)工程師;郭會(huì)生,唐山軌道客車有限責(zé)任公司,教授級(jí)高級(jí)工程師;劉東軍,唐山軌道客車有限責(zé)任公司,高級(jí)工程師。