浅析城轨车辆车体材料的发展历程

黄昌兵

1.城轨车辆车体概述

车体是车辆的主体结构，车体一方面是容纳乘客和地铁司机驾驶列车的场所，又是安装其他车辆部件和系统的基础。因而车辆车体的材料使用结构的选择都关系到地铁列车运行的安全性、可靠性、乘车舒适性。按照车体所使用材料分类，一般分为碳素钢车体、不锈钢车体、铝合金车体三种，早期城轨车辆车体材料一般使用碳素钢(普通低碳钢和耐候钢)，目前城轨车辆主要使用铝合金，使用不锈钢车体较少。

2.碳素钢、不锈钢、铝合金车体材料的比较

2.1 车体轻量化。采用普通碳素钢制成的车体有众多纵、横型材构骨架和外包板结构，形成一个闭口的筒形薄壳整体承载结构，一般自重达10～13t。为了减轻车体重量和解决车体腐蚀问题，采用了半不锈钢(包板为不锈钢，骨架为普通碳素钢)或全不锈钢车体，免除了车体内壁涂覆防腐蚀涂料和表面油漆。在保证强度、刚度的前提下，通过调质压延而获得高强度不锈钢薄板，板厚减小，使的车体自重比普通碳素钢车体减轻l～2t。

铝合金的比重仅为钢的1/3，弹性模量也是钢的1/3，在铝制车体结构设计中，车体主要承载构件一般采用大型中空截面的挤压铝型材，达到最大限度地减轻车体自重。全车的底板、侧墙、车顶均采用大型中空截面的挤压铝型材拼焊而成，与钢制相比重量可减轻3～5 t。

为保证地铁车辆不锈钢和铝合金车体的机械性能，结合国内外地铁车辆车体采用不锈钢和铝合金车体的运营经验，以碳素钢车体自重为基准，不锈钢车体可减自重20%上下，铝合金车体可减自重40%左右。因此在轻量化上铝合金车体效果比不锈钢车体更好。

2.2 车体腐蚀状况。碳素钢车体的雨檐周围，门口及车窗周围的立柱、墙板、地板等处容易被腐蚀，6年之后要进行局部修补，10年后要进行部分改造，20年后还要进行大的改造。如此反复修补、改造，30年后的车辆基本上报废。

目前的城轨车辆铝合金车体已经使用大型铝合金挤压型材。通过对运营后铝合金车体腐蚀情况进行的调查表明:雨檐、门口、窗口周围及底架端部、车体侧面的焊接热影响区处发生了腐蚀。但和碳素钢车体相比较，腐蚀程度很轻，对车体的强度不会产生影响，只需对车辆进行定期维护。

不锈钢车体具有耐腐蚀、免维修等特点。全部采用不锈钢材料的车体是与铝合金车体大致在同一时期开发出来的，事实证明不锈钢车体比其他类型的车体有着更好的耐腐蚀性。通过对在线运营的不锈钢车辆进行的检查、发现不锈钢车体几乎不需要进行维护。早期制造的不锈钢车体目前都还在正线上运营。

2.3 制造成本

2.3.1 材料成本:现在以确定了形式、大小的城市通勤车为例，因各种车的耐腐蚀性不同，分为碳素钢涂装车、铝合金涂装车、铝合金不涂装车(但外表面要打磨加工)，不锈钢不涂装车等几种。

不涂装车由于近来对外观的要求，也常贴上彩带，因此不涂装车的成本中还要包含彩带及涂于搭接处的防水密封胶，所以用于车辆装饰的材料费用大致相同。仅仅从材料来讲，车体的成本:碳素钢车体＜不锈钢车＜铝合金车。

2.3.2 加工成本:由于SUS301L不锈钢材料须经过调质压延加工，需要专用加工设备，所以使成本增加;铝合金由于采用合金元素及大型挤压设备，也使得加工成本增加。另外加工中碳素钢车体使用CO2气体保护的弧焊和用焊条的弧焊。铝合金车体使用MIG焊和TIG焊。不锈钢车体使用点焊、MIG焊和TIG焊。并且铝合金车体跟碳素钢车体一样采用弧焊，为防止底架接头处的角部产生应力集中，要增加打磨加工焊缝的工作。不锈钢车体采用点焊，所用焊接材料少，焊接热量少，不容易发生变形，所以基本上不需要修整及加工焊缝。

在考虑到上述因素影响的前提下，可以看出车体的制造成本:碳素钢车体制造成本最低，不锈钢车体次之，铝合金车体制造成本最高。铝合金车体要比碳素钢车体高出70%，不锈钢车体要比碳素钢车体高出14%。

2.4 维修管理。车体采用不锈钢和铝合金材料，提高了车辆的耐腐蚀性和轻量化，使车辆的维修管理及运营更加合理化。采用耐候钢的车辆，无法和不锈钢相比，经过10年，局部就会被腐蚀，必须进行修补，这样除了修理所需费用以外，由于车体更新会使运营率下降，还会影响备用车数量。在过去几十年的运营实际已经验证，不锈钢车体和铝合金车体基本是不用维修的，所以选用不锈钢和铝合金车体的车辆后期费用明显减少。

2.5 运营总成本。如将碳素钢车体制造成本定为l.0，则不锈钢车为1.14，铝合金车(不涂漆)为 l.57，铝合金(涂漆)为 1.66。但是由于碳素钢车体检查维修量大，其总成本明显增加，12年厂修时其总成本大幅上升，超过不锈钢车。20年时，再次大幅跃升，超出铝合金车。所以可以看出，最初的制造成本最低，但经过长年使用后，总成本变为最高。而不锈钢车维修量很少，所以最终总成本最低。

2.6 外观质量。碳素钢车体由于不耐腐蚀，车体需要经常维护保养。车体使用一段时间后腐蚀较为严重，折旧严重，影响美观。

不涂装的不锈钢车体，由于不刮腻子、不油漆，外表不做任何装饰，给人一种缺点什么的感觉;由于外墙板很薄(中国使用1.5mm)、很光，对不平度反映过敏，只要有0.2mm的凹凸，经反光折射，肉眼就感到不舒服;尤其是薄板的点焊印子更是无法消除，这些密密麻麻的焊点是设计确定的、工艺保证的，焊点的排列、深度、大小的一致性都有严格的。

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，独具西装革履、阔绰大方的绅士风度，给人的感觉是庄重、美观，广大乘客容易接受。

2.7 制作工艺。中空型铝型材是一次轧制而成，只需下料、拼装、氩弧焊接，制造工艺比较简单，人工和耗材使用较少。

不锈钢车体一般是板梁结构，需要大量辅助工具和中间检查手段较为复杂，生产极其为繁杂。

2.8 抵御磕碰、防划伤能力。碳素钢车体极不容易修复。铝合金占优，容易修复。不锈钢，容易划伤，出现划痕又难以消除。

2.9 对车下设备提供的安装空间和布置方式。碳素钢车体各个部件质量重，占用空间比例大，车下空间十分狭小，不方便布置车辆设备，尤其是加装或改装设备。

不锈钢车体板薄，板梁点焊结构，车下空间小，设备布置分散，只能用传统的预留线槽线道、现车穿线工艺，线路、管路布置零乱。

铝合金车体，车下空间较大，适合于大线槽布线和空气管路预装配，能够做到整体安装，实现模块化车体的要求，在车辆维修过程中比较方便哪个模块故障则可进行更换。

2.10 能耗。在车辆自重的排列中碳素钢＞不锈钢＞铝合金，那么能耗则同为为碳素钢＞不锈钢＞铝合金，在能源节能方面铝合金占明显的优势。通过数据分析铝合金车体的运营能耗成本明显低于其他类型车体

3.结束语

城轨车辆车体的发展一直在追求轻量化、经济性和安全舒适性。城轨车辆车体由最早的碳素钢一体化结构车体发展成现在不锈钢、铝合金模块化结构车体。不锈钢车体和铝合金车体都具有较好的耐腐蚀性和轻量化的优点，适应了城轨车辆发展的需要。我们从以上十个方面进行比较分析综合考虑认为城轨车辆车辆最合适的材料为铝合金车体。(作者单位:湖南铁路科技职业技术学院)

［1］张桥平、彭建武、周志刚《城市轨道交通车辆机械》成都西南交通大学出版社2012年8月第一版

［2］孙章、蒲琪《城市轨道交通概论》北京人民交通出版社2010年1月第一版

［3］曾青中、韩增盛《城市轨道交通车辆》成都 西南交通大学出版社2006年8月第一版

［4］中国铁道学会、大连铁道学院合编《城市轨道交通论文集》北京 中国铁道出版社2002年6月第一版