地铁车辆铝合金车体与不锈钢车体的对比及发展

陈曦

摘 要：地铁车辆的车体材料选材，是关系到地铁运营的安全、可靠、快速、轻量、经济、适用的重大因素之一。文章结合当前国内城市地铁车辆车体的使用及选购情况，借鉴国外经验，针对不锈钢、铝合金车体的材料和结构特点进行分析、比较，并对两种车体材料的发展动向进行了探讨，为城市轨道交通车辆车体材料的选型提供依据。

关键词：城市轨道交通车辆 车体选材 不锈钢 铝合金

中图分类号：U270 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）03（a）-0086-02

Comparison and Development of the Stainless Steel and Aluminum Alloy Body in Railway Vehicles

Chen Xi

（Guangzhou Metro Design & Research Institute Co.Ltd.Guangzhou Guangdong，510000，China）

Abstract：The materials selection for bodies of urban railway vehicles is one of thesignificant subjects concerned with“safety， reliability，high speed，lightweight，economy and applicability”in the operation.Combined with the current domesticurban rail transport vehicles and the use of car selection，the article analyses andcompares the stainless steel，aluminum alloy body of material and structural characteristics with respect to foreign experience.It also explored the development direction of two car body material，which provides the reference for the selection of thesematerials.

Key Words：Urban Railway Vehicles；Car Bodies；Stainless Steel；Aluminium

国内很多新线车辆段采用上盖开发模式，如果像以往的做法，采用铝合金车体，车辆段内必须要设置喷漆库。车体喷漆对上盖建筑是有影响的，国内目前还没有上盖车辆段内设置喷漆库的做法。因此，本文对不锈钢车体和铝合金车体进行对比。

1 材料

新型不锈钢车体采用超低碳（C<0.03%）的SUS301L车辆专用经济不锈钢，通过压延率的不同分成LT、DLT、ST、MT、HT 5个强度级。SUS301L的改性压延状态机械性能代号HT的屈服点在961 N/mm2以上，拉伸强度在1275 N/mm2以上（超过耐候钢一倍以上）。但其纵向弹性模量（E）却只有钢的85%（钢的E=2.06×105 N/mm2，不锈钢的E=1.76×105 N/mm2），这意味着不锈钢车体比同样结构（当然结构是有很大不同的）的耐候钢车刚度要小。刚度下降将导致舒适性下降。这就是不锈钢车体设计时尽量设法增大刚度的原因。

铝合金车体的主要材料是A1-Mg系（5000系）、A1-Mg-Si系（6000系）和A1-Zn-Mg系（7000系）合金。铝合金车体的特点是利用铝的相对体积质量约为普通钢的1/3这一点来减轻车体自重。铝合金车体的自重一般可达到普通钢车体的1/2。铝合金车体的弱点是铝的纵弹性模量小，约为普通钢的1/3，因而往往使车体刚度下降。一般铝合金车体比普通钢车体、不锈钢车体的刚度都要小。这是铝合金车体设计时加大板厚和尽量加大车体断面以提高车体抗弯刚度的重要原因。

2 制造工艺

不锈钢车体结构采用板梁组合整体承载全焊结构。由于使用的板材较薄（车体外板厚0.4～1.2 mm，梁柱厚0.8～3 mm），须采用大量薄板（一般为0.8 mm）轧压成补强（刚）型材与外板点焊连接形成空腔，借以提高外板的刚度、强度。这是不锈钢车的结构特征之一。为了不降低板材强度和减小变形，应尽量采用点焊。特别是强度级高的材料不允许任何形式的弧焊。梁柱之间采用平面或立体接头、点焊。板的拼接采用搭接缝焊。采用点焊代替弧焊是不锈钢车的又一特征和技术关键。近年，由于新工艺的发展，目前最新采用激光焊来取代点焊。

铝合金车体从结构形式上可分为：板梁、大型开口型材和大型中空闭口型材及其组合形式。

铝合金车体目前普遍采用的结构是大型桁架式中空型材组焊式（一般采用自动弧焊）。大型中空型材组焊式车体制造时，只需将型材沿车体长度方向对接连续自动弧焊。由于车体零件数量少、焊接工作量少，且容易实现自动化，大大降低了车体制造成本，提高了产品质量。隔音方面，有的在面板、筋板上还贴防震吸音材料，或填充（半填充）聚氨脂泡沫（型材挤压过程中发泡），大大提高了防震隔音效果。

就制造工艺来说，铝合金车体比不锈钢车体要简单一些。

3 轻量化

铝合金的比重为2.71 g/cm3，不锈钢的比重为7.85 g/cm3，虽然铝合金的比重远小于不锈钢，但是铝合金的抗拉强度较差，铝合金的抗拉强度为270～310 MPa，而不锈钢的抗拉强度可达690～930 MPa，是铝合金的2～3倍。而且，铝合金的刚度较低，其弹性模量仅为0.71E10N/mm2，而不锈钢为2.06E10N/mm2，为铝合金的3倍，因此，为保证地铁车辆由足够的承载强度和刚度，铝合金车辆必须采用大型中空型材及其组合件。为提高铝合金车体断面系数，增大抗弯强度，需加大板厚，壁厚为2～6.5 mm，而不锈钢车体可采用板梁组合整体承载全焊结构，车体的梁柱板厚0.8～3 mm，车体外板厚0.6～1.2 mm，实现车体轻量化（见表1）。endprint

不锈钢车体基本采用点焊或激光焊工艺，只有很少的部位采用电弧焊，焊接填充材料很少；铝合金车体完全采用电弧焊工艺，在焊缝处填充了大量的焊接材料，增加了车体自重。

不锈钢车体一般为非涂装车体，不存在涂装材料的重量；铝合金车体表面涂有聚脂腻子、底漆、面漆等涂装材料，增加了车体重量。

总体来说，经过轻量化的不锈钢车体比铝合金车体重0.5～1 t/辆车。

4 外观质量

不锈钢车体在制造过程中虽然不必进行防腐保护，也无需涂漆，但为了提高装饰性，板材自带线条或梨皮点状装饰。车辆制造厂家可进行适当修饰，或用彩色胶膜装修，或喷涂水性漆。由于车体表面装饰大多是原材料带有的，因此，在焊接前的加工过程中要贴膜保护。因为外墙板很薄（一般为1.5 mm）、很光，对不平度反应过敏，只要有0.2 mm的凹凸，经反光折射，肉眼就感到不舒服；如采用点焊的工艺进行焊接，点焊印子是无法消除的；如采用激光焊工艺进行焊接，焊接点美观大方。

铝合金车体的耐腐蚀性能较差，但中空铝型材平整、挺拔，又可根据用户要求选择不同的装饰和颜色，因此，给人的感觉是庄重、美观，广大乘客容易接受。铝合金车体的另一个不尽人意处就是耐腐蚀性能差，不能像不锈钢那样达到不用涂漆的程度。不涂漆的铝合金车体虽然也有，但用过一段时间后，由于大气中的腐蚀条件（如水、洗涤剂的作用以及运用环境中与金属粉尘接触），表面总会出现面蚀、点蚀、变色，影响美观，故大部分车都涂漆。

就外观质量来说，铝合金外观较好，但不锈钢通过最新的工艺采用水性漆也一样可以达到铝合金喷漆后的外观效果。

5 安全性

铝合金材料的屈服强度为200～260 MPa，不锈钢材料的屈服强度为345MPa-685 MPa，不锈钢材料强度明显高于铝合金材料，具有更强的承载能力。

铝合金材料的抗拉强度为270～310MPa，其屈服强度与抗拉强度的比值（简称屈强比）仅约0.84，当意外发生时，铝合金屈服变形后很快就会发生断裂；不锈钢材料的抗拉强度为690～930 MPa，屈强比为0.5～0.74，在材料发生屈服变形到断裂的过程中，材料本身将产生较大的塑性变形，能够吸收更多的冲击能量。

不锈钢车体主要采用点焊工艺，在意外撞击时，结构将发生类似手风琴的叠缩变形，沿着受力方向，焊点将逐次破坏失效；铝合金车体采用电弧焊工艺，在意外撞击时，将会沿焊缝或母材薄弱区整体撕开，这也是为什么发生意外撞击时，铝合金车体更容易发生整车破坏而不锈钢车体只发生局部变形的主要原因。

不锈钢的熔点为1500 ℃，铝合金的熔点为660 ℃，且到300 ℃以上就发软变形，铝合金的耐热性仅是不锈钢的44%。在发生严重火灾时，铝合金车体将会很快熔化掉，带来灾难性的后果。

就安全性来说，不锈钢车体远胜过于铝合金车体。

6 结语

综上所述，在地铁车辆选型中，不锈钢车体与铝合金车体各有优势，具体到某一个城市的车辆选型应该综合考虑以上问题，尤其是要考虑到车体选型对本地产业链的影响及本地的人文特色。特别在有些上盖车辆段，更要从环境角度和人文关怀角度考虑铝合金和不锈钢两种车辆的优劣，再结合经济、安全、外观等因素综合考虑，同一个城市的多条线路在车体选型中应尽量统一，以有利于线网的资源共享。

参考文献

[1] 不锈钢车体与铝合金车体的现状及发展[J].都市快轨交通，2008（6）.

[2] 薛克仲.城市轨道交通车辆车体材料选择[J].城市轨道交通研究，2003，6（1）.

[3] 郭泽阔.城市轨道交通车辆车体材料的选型分析[J].公路运输，2009（10）.

[4] 海邦君.铝合金车体设计研究[J].铁道车辆，2003（10）.

[5] 肖彦君.用寿命周期费用法选择城轨车辆车体材料的探讨[J].电力机车与城轨车辆，2003（5）.endprint

不锈钢车体基本采用点焊或激光焊工艺，只有很少的部位采用电弧焊，焊接填充材料很少；铝合金车体完全采用电弧焊工艺，在焊缝处填充了大量的焊接材料，增加了车体自重。

不锈钢车体一般为非涂装车体，不存在涂装材料的重量；铝合金车体表面涂有聚脂腻子、底漆、面漆等涂装材料，增加了车体重量。

总体来说，经过轻量化的不锈钢车体比铝合金车体重0.5～1 t/辆车。

4 外观质量

不锈钢车体在制造过程中虽然不必进行防腐保护，也无需涂漆，但为了提高装饰性，板材自带线条或梨皮点状装饰。车辆制造厂家可进行适当修饰，或用彩色胶膜装修，或喷涂水性漆。由于车体表面装饰大多是原材料带有的，因此，在焊接前的加工过程中要贴膜保护。因为外墙板很薄（一般为1.5 mm）、很光，对不平度反应过敏，只要有0.2 mm的凹凸，经反光折射，肉眼就感到不舒服；如采用点焊的工艺进行焊接，点焊印子是无法消除的；如采用激光焊工艺进行焊接，焊接点美观大方。

铝合金车体的耐腐蚀性能较差，但中空铝型材平整、挺拔，又可根据用户要求选择不同的装饰和颜色，因此，给人的感觉是庄重、美观，广大乘客容易接受。铝合金车体的另一个不尽人意处就是耐腐蚀性能差，不能像不锈钢那样达到不用涂漆的程度。不涂漆的铝合金车体虽然也有，但用过一段时间后，由于大气中的腐蚀条件（如水、洗涤剂的作用以及运用环境中与金属粉尘接触），表面总会出现面蚀、点蚀、变色，影响美观，故大部分车都涂漆。

就外观质量来说，铝合金外观较好，但不锈钢通过最新的工艺采用水性漆也一样可以达到铝合金喷漆后的外观效果。

5 安全性

铝合金材料的屈服强度为200～260 MPa，不锈钢材料的屈服强度为345MPa-685 MPa，不锈钢材料强度明显高于铝合金材料，具有更强的承载能力。

铝合金材料的抗拉强度为270～310MPa，其屈服强度与抗拉强度的比值（简称屈强比）仅约0.84，当意外发生时，铝合金屈服变形后很快就会发生断裂；不锈钢材料的抗拉强度为690～930 MPa，屈强比为0.5～0.74，在材料发生屈服变形到断裂的过程中，材料本身将产生较大的塑性变形，能够吸收更多的冲击能量。

不锈钢车体主要采用点焊工艺，在意外撞击时，结构将发生类似手风琴的叠缩变形，沿着受力方向，焊点将逐次破坏失效；铝合金车体采用电弧焊工艺，在意外撞击时，将会沿焊缝或母材薄弱区整体撕开，这也是为什么发生意外撞击时，铝合金车体更容易发生整车破坏而不锈钢车体只发生局部变形的主要原因。

不锈钢的熔点为1500 ℃，铝合金的熔点为660 ℃，且到300 ℃以上就发软变形，铝合金的耐热性仅是不锈钢的44%。在发生严重火灾时，铝合金车体将会很快熔化掉，带来灾难性的后果。

就安全性来说，不锈钢车体远胜过于铝合金车体。

6 结语

综上所述，在地铁车辆选型中，不锈钢车体与铝合金车体各有优势，具体到某一个城市的车辆选型应该综合考虑以上问题，尤其是要考虑到车体选型对本地产业链的影响及本地的人文特色。特别在有些上盖车辆段，更要从环境角度和人文关怀角度考虑铝合金和不锈钢两种车辆的优劣，再结合经济、安全、外观等因素综合考虑，同一个城市的多条线路在车体选型中应尽量统一，以有利于线网的资源共享。

参考文献

[1] 不锈钢车体与铝合金车体的现状及发展[J].都市快轨交通，2008（6）.

[2] 薛克仲.城市轨道交通车辆车体材料选择[J].城市轨道交通研究，2003，6（1）.

[3] 郭泽阔.城市轨道交通车辆车体材料的选型分析[J].公路运输，2009（10）.

[4] 海邦君.铝合金车体设计研究[J].铁道车辆，2003（10）.

[5] 肖彦君.用寿命周期费用法选择城轨车辆车体材料的探讨[J].电力机车与城轨车辆，2003（5）.endprint

不锈钢车体基本采用点焊或激光焊工艺，只有很少的部位采用电弧焊，焊接填充材料很少；铝合金车体完全采用电弧焊工艺，在焊缝处填充了大量的焊接材料，增加了车体自重。

不锈钢车体一般为非涂装车体，不存在涂装材料的重量；铝合金车体表面涂有聚脂腻子、底漆、面漆等涂装材料，增加了车体重量。

总体来说，经过轻量化的不锈钢车体比铝合金车体重0.5～1 t/辆车。

4 外观质量

不锈钢车体在制造过程中虽然不必进行防腐保护，也无需涂漆，但为了提高装饰性，板材自带线条或梨皮点状装饰。车辆制造厂家可进行适当修饰，或用彩色胶膜装修，或喷涂水性漆。由于车体表面装饰大多是原材料带有的，因此，在焊接前的加工过程中要贴膜保护。因为外墙板很薄（一般为1.5 mm）、很光，对不平度反应过敏，只要有0.2 mm的凹凸，经反光折射，肉眼就感到不舒服；如采用点焊的工艺进行焊接，点焊印子是无法消除的；如采用激光焊工艺进行焊接，焊接点美观大方。

铝合金车体的耐腐蚀性能较差，但中空铝型材平整、挺拔，又可根据用户要求选择不同的装饰和颜色，因此，给人的感觉是庄重、美观，广大乘客容易接受。铝合金车体的另一个不尽人意处就是耐腐蚀性能差，不能像不锈钢那样达到不用涂漆的程度。不涂漆的铝合金车体虽然也有，但用过一段时间后，由于大气中的腐蚀条件（如水、洗涤剂的作用以及运用环境中与金属粉尘接触），表面总会出现面蚀、点蚀、变色，影响美观，故大部分车都涂漆。

就外观质量来说，铝合金外观较好，但不锈钢通过最新的工艺采用水性漆也一样可以达到铝合金喷漆后的外观效果。

5 安全性

铝合金材料的屈服强度为200～260 MPa，不锈钢材料的屈服强度为345MPa-685 MPa，不锈钢材料强度明显高于铝合金材料，具有更强的承载能力。

铝合金材料的抗拉强度为270～310MPa，其屈服强度与抗拉强度的比值（简称屈强比）仅约0.84，当意外发生时，铝合金屈服变形后很快就会发生断裂；不锈钢材料的抗拉强度为690～930 MPa，屈强比为0.5～0.74，在材料发生屈服变形到断裂的过程中，材料本身将产生较大的塑性变形，能够吸收更多的冲击能量。

不锈钢车体主要采用点焊工艺，在意外撞击时，结构将发生类似手风琴的叠缩变形，沿着受力方向，焊点将逐次破坏失效；铝合金车体采用电弧焊工艺，在意外撞击时，将会沿焊缝或母材薄弱区整体撕开，这也是为什么发生意外撞击时，铝合金车体更容易发生整车破坏而不锈钢车体只发生局部变形的主要原因。

不锈钢的熔点为1500 ℃，铝合金的熔点为660 ℃，且到300 ℃以上就发软变形，铝合金的耐热性仅是不锈钢的44%。在发生严重火灾时，铝合金车体将会很快熔化掉，带来灾难性的后果。

就安全性来说，不锈钢车体远胜过于铝合金车体。

6 结语

综上所述，在地铁车辆选型中，不锈钢车体与铝合金车体各有优势，具体到某一个城市的车辆选型应该综合考虑以上问题，尤其是要考虑到车体选型对本地产业链的影响及本地的人文特色。特别在有些上盖车辆段，更要从环境角度和人文关怀角度考虑铝合金和不锈钢两种车辆的优劣，再结合经济、安全、外观等因素综合考虑，同一个城市的多条线路在车体选型中应尽量统一，以有利于线网的资源共享。

参考文献

[1] 不锈钢车体与铝合金车体的现状及发展[J].都市快轨交通，2008（6）.

[2] 薛克仲.城市轨道交通车辆车体材料选择[J].城市轨道交通研究，2003，6（1）.

[3] 郭泽阔.城市轨道交通车辆车体材料的选型分析[J].公路运输，2009（10）.

[4] 海邦君.铝合金车体设计研究[J].铁道车辆，2003（10）.

[5] 肖彦君.用寿命周期费用法选择城轨车辆车体材料的探讨[J].电力机车与城轨车辆，2003（5）.endprint