簡析地鐵車輛—鋁合金車體

于秀潔，呂永駿

（中國北車長春軌道客車股份有限公司,長春 130000）

0 引言

車體是地鐵車輛的主要承載結(jié)構，它支撐于轉(zhuǎn)向架之上，保證旅客乘車安全。車體底架下部及車頂上部安裝電氣設備，構成車輛主體。它需要承受各種動靜載荷、各種震動，并適應100km/h左右的速度運行；還要滿足隔音、隔熱、減震、防火等要求，確保在事故狀態(tài)下盡可能保證旅客安全。

1 鋁合金車體的介紹

車體的結(jié)構組成根據(jù)所選用的材料略有不同，但是主要部件均是由底架、車頂、側(cè)墻（左右側(cè)各1個）、端墻等組成，其中帶有司機室的車輛前端設司機室。

車體需要有足夠的強度承受自重、載重、牽引力、橫向力、制動力等載荷及作用力，其主要有底架承載、側(cè)壁承載、整體承載三種承載方式。一般根據(jù)應用的材料，來選擇合適的承載方式。

鋁的密度大約只有鋼的1/3。鋁及鋁合金具有重量輕、耐腐蝕的特點，并且是熱和電的良導體，是一種優(yōu)點很多的材料。鋁合金按其添加合金元素的不同，可被分成從1000～7000系列的幾種類型。一般用于地鐵車輛的鋁合金材料主要是A1～Mg系(5000系)、A1～Mg～Si系(6000系)和A1～Zn～Mg系(7000 系)合金。

最初的鋁合金車體是將原來鋼制車輛的骨架與外板置換成焊接性能好的5000系合金，采用MIG焊接、MIG點焊與鉚接連接的結(jié)構，隨著強度更高，焊接性能更優(yōu)的7000系合金的研制成功，底架部件中各種受力桿件廣為采用，使車體進一步輕量化。但是此時的鋁合金車體仍然沿襲過去高耐候鋼、不銹鋼車體的模式，均是外板加骨架結(jié)構，為了內(nèi)部設備安裝及底架下部設備安裝再加焊吊梁、吊架、二次骨架。隨著萬噸乃至萬噸級以上大型擠壓機的問世，在7000系合金上實現(xiàn)了擠壓型材大型化，制成了外板與骨架一體化的寬幅擠壓型材車體。大幅度降低了部件數(shù)量及連接焊縫長度，促進了焊接自動化。

板梁式鋁合金車體在結(jié)構形式上類似于耐候鋼車體，但為了提高斷面系數(shù)，防止板材由于剪力產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，因此加大板厚(一般取鋼板的1.4倍，最薄用到2mm)。鋁合金車體的薄板焊接非常困難，技術水平要求高，而且變形大矯正困難，因此必須采用接觸焊。

開口型材將板、梁合成一體，簡化了車體制造工藝，提高了質(zhì)量，但成本也相應增加。鋁合金車體目前普遍采用的結(jié)構是大型桁架式中空型材組焊式(一般采用自動弧焊)。

大型中空型材組焊式車體制造時，只需將型材沿車體長度方向?qū)舆B續(xù)自動弧焊。由于車體零件數(shù)量少、焊接工作量少，且容易實現(xiàn)自動化，大大降低了車體制造成本，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

2 鋁合金車體的特點

（1）是利用鋁的相對體積質(zhì)量約為普通鋼的1/3這一點來減輕車體自重。鋁合金車體的自重一般可達到普通鋼車體的1/2。

（2）鋁合金車體的弱點是鋁的縱彈性模量小，約為普通鋼的1/3，因而往往使車體剛度下降。一般鋁合金車體比普通鋼車體、不銹鋼車體的剛度都要小。這是鋁合金車體設計時加大板厚和盡量加大車體斷面以提高車體抗彎剛度的重要原因。

鋁合金車體的缺點：鋁合金車體的一個不盡人意之處就是耐腐蝕性能差，不能像不銹鋼那樣達到不用涂漆的程度。不涂漆的鋁合金車體雖然也有，但用過一段時間后，由于大氣中的腐蝕條件，表面總會出現(xiàn)面蝕、點蝕、變色，影響美觀，故大部分車都涂漆。

3 鋁合金車體的結(jié)構形式及優(yōu)缺點

鋁車體結(jié)構部件綜合運用的鋁合金車體，中空型材、開口型材、板梁結(jié)構綜合運用的鋁合金車體，焊接方式、鉚接方式綜合運用的鋁合金車體等等，各種鋁合金車體結(jié)構及制造技術的綜合應用，使鋁合金車體結(jié)構達到最優(yōu)化。車體輕量化工作也取得較大的成績。下面介紹一下鋁合金車體的結(jié)構形式及結(jié)構優(yōu)點：

（1）開口型材側(cè)墻、車頂，板梁結(jié)構端墻，中空型材底架。焊接車體；結(jié)構優(yōu)點是重量輕、強度較好。

（2）鋼底架，板梁結(jié)構側(cè)墻、車頂、端墻。焊接、鉚接綜合應用車體；重量輕、強度較好、防火性能好。

（3）型材、板梁結(jié)構綜合運用，車體主體為焊接結(jié)構。牽枕緩為鋼結(jié)構并與底架鉚接；牽枕緩結(jié)構尺寸空間小，為其它結(jié)構讓出較大空間。

（4）型材為主體的鋁合金車體，焊接車體；施工方法單一，強度好。

4 保證鋁合金車體結(jié)構強度及壽命的分析與試驗

車體結(jié)構的有限元分析計算。車體幾何模型采用三維軟件建模，根據(jù)不同的強度要求對新設計的車體鋁結(jié)構進行靜強度和剛度計算，確保車體強度滿足要求，在滿足車體強度、剛度的同時實現(xiàn)車體的輕量化。

鋁合金型材的疲勞分析。通過試驗得出不同材質(zhì)型材的疲勞應力，來考慮車體鋁結(jié)構不同位置所使用不同材質(zhì)的型材，以滿足要求。

鋁合金焊縫的疲勞分析。底架、側(cè)墻、車頂、端墻及其它主要結(jié)構件的接口焊縫處經(jīng)過X射線探傷和著色滲透探傷檢查，對不合格的焊縫扣掉進行重新焊接，以保證焊縫的質(zhì)量。

鋁合金車體的強度試驗。車體生產(chǎn)完成之后應對首輛不同車體進行強度試驗，來驗證整個車體是否滿足強度要求。

鋁合金車體的模態(tài)試驗。為優(yōu)化車體鋁結(jié)構的設計、提高設計質(zhì)量，確保車體與其它振動設備的安全可靠性，還需進行模態(tài)試驗。

鋁合金車體的剛度試驗。應對首輛不同車體進行剛度試驗，來驗證整個車體是否滿足剛度要求。

5 結(jié)束語

目前，在地鐵車輛鋁合金車體已全面鋪開應用，已有多種鋁合金車體結(jié)構的設計技術，根據(jù)車輛對鋁合金車體的重量、尺寸大小、強度的不同要求，靈活采用單一的鋁合金車體結(jié)構設計及制造技術或同時采用多種鋁合金車體結(jié)構設計及制造技術，力求將各種鋁合金車體結(jié)構設計及制造技術的優(yōu)勢發(fā)揮到最大化。鋁合金車體有待開發(fā)的領域和高間還很大，還需要積極去探索。

[1]鐵路應用—鐵道車輛車體的結(jié)構要求 第一部分[S].機車和客車BS EN12663-1,2010.

[2]鋁及鋁合金型材 第二部分[S].力學性能 BS EN755-2,2008.

[3]鋁結(jié)構設計-第1-1部分[S].結(jié)構總規(guī)則 BS EN1999-1-1,2007.