天津地铁车辆车体材质对比分析

刘忠俊 付光涛

(天津市地下铁道运营有限公司,300222,天津∥第一作者,工程师)



天津地铁车辆车体材质对比分析

刘忠俊 付光涛

(天津市地下铁道运营有限公司,300222,天津∥第一作者,工程师)

选取铝合金和不锈钢两种材质的地铁车体作为研究对象,以天津地铁车辆车体材质现状为例,深入分析研究两种材质车体车辆的结构和使用性能。铝合金车体的轻量化、节能效果、气密性及乘坐舒适度均优于不锈钢车体，而不锈钢车体的耐腐蚀性和安全性更佳。两种车体均可满足地铁车辆的使用要求和安全要求，使用方可根据需要加以选择。

天津地铁车辆; 车体材质; 铝合金; 不锈钢

Author′s address Tianjin Metro Operation Co.,Ltd.,300222,Tianjin,China

我国地铁车辆制造技术经过了较长的发展过程。初期的地铁车辆车体采用碳钢材质。由于碳钢车体存在耐腐蚀性差、质量大、后期维护费用高等缺陷,故碳钢材质在地铁车辆车体上的应用显著减少。后来，在借鉴国外先进经验的基础上,我国进行了铝合金车体和不锈钢车体的研发,并在车体的结构设计和制造工艺等方面取得了重要突破[1]。

目前，我国地铁车辆车体选用的主流材质是铝合金和不锈钢。其中，大多数城市采用纯铝合金车体或纯不锈钢车体[2],也有的城市(如哈尔滨)地铁采用了钢铝混合车体。铝合金材质和不锈钢材质之间采用铆接方式连接。

1 天津地铁车辆现状

目前,天津地铁已建成运4条营线路。天津地铁1号线于2006年开通,采用国内较早运营的铝合金车体,其车体性能稳定,已使用了10年。天津地铁2、3号线于2012年开通,采用了目前较为成熟的不锈钢车体,初期运营均配置3动3拖6编组列车。在建的天津地铁5、6号线车辆车体采用不锈钢材质。津滨轻轨9号线于2004年开通,是我国首次大批量投入使用的不锈钢车体车辆。此前，国内仅有北京城市轨道交通13号线中的1列4节编组列车车辆采用不锈钢车体。

天津城市轨道交通未来规划有多条线路,所配置列车将超过千列。按每列车6节编组计算,实际车辆总数将超过6 000节。车体的材质不仅关乎车辆初期的采购成本,也关系到后期车辆的检修维护成本和使用寿命。因此,车辆材质选取是目前天津地铁研究的一项重要课题。

2 不同材质车体结构

2.1 铝合金材质车体

天津地铁1号线车辆车体采用的是目前市场上通用的大断面中空有立筋的挤压铝合金型材,车体底架上的牵引梁和缓冲梁采用7020 T6型号铝合金,车体侧墙、车顶、端墙及底架其余部位采用6005A T6型号铝合金。后两种型号的铝合金型材均为固溶处理后再经人工时效处理。图1为天津地铁1号线车体结构示意图。铝合金型材均为分块结构,不同型材间相互插接,型材坡口位置采用电弧焊整体焊接成型,长大直焊缝采用自动焊接工艺,加工工艺比较简单。铝合金车体形态美观大方,线条清晰。

图1 天津地铁1号线铝合金车体结构示意图

2.2 不锈钢材质车体

天津地铁2、3号线不锈钢车体采用典型的薄壁筒型整体承载的点焊结构,该车体结构通过焊点传力。不锈钢车体的加工工艺比铝合金车体复杂,需要大量的夹具等工装设备。车体的底架、侧墙、车顶及端墙均由不锈钢薄壁梁经点焊形成整体承载的骨架结构,再在骨架上点焊蒙皮。由于受工装或工艺限制,不能采用点焊的部位一般采用环焊。车体底架枕梁、牵引梁等局部结构采用耐候钢,其余结构均采用SUS301L系列奥氏体高强度不锈钢。图2为不锈钢车体结构示意图。

图2 天津地铁2、3号线不锈钢车体结构示意图

3 两种材质车体运用情况对比分析

3.1 抗腐蚀能力

铝合金材质虽然有一定的抗腐蚀能力,但是若长期暴露在空气中,其材质表面会发生电化学腐蚀,并且有变色现象,从而降低铝合金结构的使用可靠性。因此,铝合金车体外表面需进行涂装处理。

不锈钢材料通过添加Cr、Ni等元素形成稳定的奥氏体组织,其基体具有很强的抗腐蚀能力[3]。不锈钢车体车辆在运用过程中不用考虑腐蚀的影响,其车体外表可不采取任何防腐蚀措施,可以做到钢结构30年不挖补修理。如果考虑车体表面美观或消除点焊痕迹,也可在车体表面粘贴彩带或进行涂装处理。

因此,不锈钢车体的抗腐蚀能力远优于铝合金车体。

3.2 车体轻量化和节能

铝合金车体最突出的优点就是轻量化[4]。由于铝合金材料的密度是不锈钢的1/3，因此即使铝合金车体采用电弧焊工艺,在焊缝处填充了大量的焊接材料,增加了车体自重,但是对同等类型的地铁车辆而言,铝合金车体要比不锈钢车体轻10%～15%左右。这对车辆运营节能的贡献很大。以B型地铁车为例,铝合金车体比不锈钢车体轻1 t左右。每走行1 km节省耗电约0.14 MJ。如按每天走行500 km,每年运行300 d计算,一列6节编组的铝合金材质地铁车辆可比不锈钢材质车辆节省3.5万度电。

因此,铝合金车体在轻量化和节能方面要优于不锈钢车体。

3.3 车体气密性

铝合金车体由于采用了密闭的挤压型材,型材之间全部采用电弧焊工艺满焊连接,型材开口位置都打胶密封。因此,铝合金车体具有良好的气密性,车辆隔音降噪效果显著。

不锈钢车体的搭接点焊结构造成了车体存在多处空腔,难以实现良好密封。因此不锈钢车体气密性较差,车辆运行时的噪声容易传到车内,隔音效果相对较差。

可见,铝合金车体的气密性优于不锈钢车体。3.4 乘坐舒适度

影响车辆乘座舒适度的因素主要是车体的弹性振动。常用车体的垂向刚度来评价车体的弹性振动性能的优劣。垂向刚度与车体的轻量化关系较大。随着车体重量的降低,垂向刚度随之降低,从而导致车体频繁发生弹性振动,降低了车辆的乘坐舒适度。

铝合金车体可改变车体用材的截面形状。目前使用的大型中空挤压型材普遍采用双壳带筋板结构,能显著提高车体的垂向刚度,改善铝合金车体的乘座舒适度。

为减轻车体自重,不锈钢车体常使用薄壁板材,导致整车的垂向刚度相应降低,从而降低车辆的乘坐舒适度。因此,铝合金车辆的乘坐舒适度要优于不锈钢车辆。

3.5 车辆安全性

当铝合金车体遭受意外撞击时,车体存在沿焊缝或母材薄弱区整体撕开的可能。因此,铝合金车体在耐撞性设计时需特别注意车体纵向刚度的协调,对于底架前端缓冲结构等部位要尽量使车体在碰撞时能够将主要的碰撞动能消化在耐撞吸能结构中,从而减少对车体纵向长大焊缝的冲击。另外,铝合金车体的熔点低,在温度接近500 ℃的环境里就会发生车体变形,容易导致车门打不开。达到660 ℃的熔点时,车体很快就会熔化掉,严重危及乘客安全。

不锈钢的屈强比较低,在材料开始屈服直到断裂前的延伸率很大,变形区塑性高,因此在发生撞击时,不锈钢车体可以通过变形吸收大量的能量,具有优良的抗冲击性能。并且不锈钢车体的点焊结构受到撞击后焊点将逐次破坏失效,不会出现结构突然裂开的情况,提高了意外事故情况下的安全性能。不锈钢的熔点为1 500 ℃,远高于铝合金的熔点,并且，不锈钢车体在高温条件下仍有很好的机械性能。

两种材质的车体均能满足地铁车辆的安全要求,但从物理性能方面比较,不锈钢车体的安全性更好。

4 结语

从我国各城市地铁的情况看,北京、成都、沈阳等城市的地铁车辆多以不锈钢材质为主,广州、深圳、上海、武汉等城市的地铁车辆大多采用铝合金车体。两种材质车体的使用反馈均较好。综合上述分析发现,铝合金和不锈钢两种材质车体有各自的特点,都能满足地铁车辆使用性能的要求。

对于地铁车辆使用方来说,若偏重于车辆的轻量化、气密性及乘坐舒适度,可考虑选择铝合金车体;若偏重于车体的耐腐蚀性及更高的安全性,可考虑选择不锈钢车体。本文对于铝合金和不锈钢两种车体材质的对比分析希望能够为地铁车辆车体材质的选择提供一定的参考和借鉴。

[1] 森久史,彭惠民.铁道车辆车体的轻量化和高刚度化技术[J].国外机车车辆工艺,2012(4):67.

[2] 曾妮.城轨车辆车体材料的发展与选择[J].黑龙江科技信息,2012(29):25.

[3] 肖彦君,杨润栋.地铁车辆车体材料的选型分析[J].现代城市轨道交通,2005(1):43.

[4] 徐群峰.铝合金车体发展概况[J].中国金属通报,2011(39):39.

Comparative Analysis of the Carbody Materials Used in Tianjin Metro Vehicle

LIU Zhongjun, FU Guangtao

Two kinds of carbody material made of aluminum alloy and stainless steel are selected as the research object, then according to the situation of carbody materials used in Tianjin metro vehicle, the vehicle structure and the material properties are studied. In aspects of light weight, energy-saving, airtightness and riding comfort, aluminum alloy carbody is better than stainless steel carbody, but the latter features corrosion resistance and safe operation. Both of them could meet the demands of vehicle performance, users could select the materials according to their special needs.

Tianjin Metro vehicle; carbody material; aluminum alloy; stainless steel

U 270.4

10.16037/j.1007-869x.2016.06.028

2016-01-08)