浅析地铁车辆车体材料选择

张鹏

摘要：车体材料决定了车体的结构形式、车体的制造与维护费用，是城轨车辆在采购和运用中的关键问题之一。文章结合当前国内城市轨道交通车辆车体的使用及选购情况，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：地铁车辆;车体材料;选择与分析

1.引言

车体是车辆的关键部件，其材料选型不仅牵涉车辆本身的投资大小、车重、安全性、美观性， 而且还影响车辆供货商的选择、投入运营后的运营维修费用、乘客乘坐舒适度、环境影响等，是控制车辆投资、提高服务水平及运营成本的重要因素。

车体是车辆结构的主体。车体的强度、刚度， 关系到运行安全可靠性和舒适性;车体的防腐耐腐能力、表面保护和装饰方法，关系到车辆外观、寿命和检修制度 ;车体的重量，则会对能耗大小、加减速度、载客能力 、乘客舒适度乃至列车编组形式（动拖比）。以上所述又都直接影响运营质量和经济效益。车体结构形式、性能和技术经济指标主要取决于车体材料。故车体选材在城市轨道交通工程建设中是需要考虑的一个重要问题。

2. 车体材料的类型

车城轨车辆的发展中，车体材料先后出现了碳钢（耐候钢）、不锈钢、铝合金和新型复合材料，因碳钢重量较大、耐腐蚀性差，技术相对较落后，且新型复合材料的应用相对较少，本文将着重讨论不锈钢和铝合金的性能选择。

2.1不锈钢车体。随着材料学的进步和制造工艺的不断突破，不锈钢材料由于具有高强度、耐腐蚀和质感好等优良特性，已被广泛应用于轨道车辆行业，成为车体结构的主要材料。与碳钢车体相比，不锈钢车体重量轻、耐腐蝕、变形量小、残余应力低，车体寿命长，可实现无涂装工艺、环保等优点。目前常用于车体材料的不锈钢有两种：奥氏体系不锈钢的SUS301L、SUS304。由于 SUS 301L具有通过轧制加工而易于增加硬度和抗拉强度的特性，故可根据使用部位选用适当等级的材料。SUS 304一般用于强度要求不高的部位。不锈钢车体的造价稍高于碳钢车体，其维修费用最低;从轻量化水平不及铝合金车体，但是比碳钢车体好很多。

2.2铝合金车体。铝合金的比重只相当于普通钢的 1/3，弹性模量也只有钢的 1/3，在保证车体同等强度的条件下，车体自重最大可减轻50%，而且铝合金的耐腐蚀性好，可延长车辆的使用寿命。因此，许多国家都在积极开发和生产铝合金车。铝合金车体制造技术很大程度依赖于原材料制造工业的发展，国内车辆用铝型材、板材的制造产业与国外相比有很大差距。目前我们的型材制造技术虽然有很大提高，但在材料质量、尺寸公差上还不能满足车辆装配和焊接的要求。

3. 不锈钢车体与铝合金车体技术性能比较

3.1安全性

不锈钢的熔点为1 500 ℃， 铝合金的熔点是 660 ℃，铝合金的耐热性仅是不锈钢的 44 %。在发生严重火灾情况下，铝合金车体将会很快熔化掉， 带来可怕的灾难性后果 。相比较而言 ，不锈钢车体 骨架难以熔化。2003 年 9 月莫斯科地铁火灾事故中，车体钢骨架虽变形， 但没有熔化掉。莫斯科地铁和纽约地铁车辆至今不用铝合金车体。因此，从乘客和设备安全性出发，为减少人员的伤亡和火灾事故的损失，不锈钢车体占优。

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。

3.2轻量化

铝合金的比重为 2.71 g/ cm3 ， 仅是不锈钢 （7.85 g/ cm3）的 1/3 ，从理论上讲，铝合金材料更能使车体轻量化。但是，铝合金的抗拉强度不如不锈钢，铝合金抗拉强度274～352 N/mm ，而一般不锈钢抗拉强度520～685 N/mm ， 采用超低碳（C < 0.03 %）轻量化不锈钢的抗拉强度 达到960～1 200 N/mm ，是铝合金的2～5 倍。而且，铝合金刚度低 ，其弹性模量为 0.71 ×10 s N/mm2 ， 是不锈钢（2.06 ×10 N/mm）的 1/3。因此， 为保证地铁车辆有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充分保证地铁车辆不锈钢和铝合金车体的强度和刚度，根据国内外地铁车辆车体采用不锈钢和铝合金的实践经验，地铁车辆耐候钢车体自重约9～10 t ，不锈钢车体自重约6～7 t ， 铝合金车体自重约4～5 t。如果以耐候钢车体自重为基准，则不锈钢车体可减轻自重30 % 左右 ，铝合金车体可减轻自重 50 %左右。因此，铝合金车体轻量化效果比不锈钢车体更明显些。

3.3外观质量

不锈钢和铝合金车体都具有较好的耐腐蚀性，但不锈钢车体比铝合金车体更优越，由于不锈钢含铬 >12%，使原电池腐蚀不易发生， 这就显著提高了不锈钢车体的耐腐蚀性。铝合金车体的耐腐蚀性是由于在空气中铝合金表面形成一层致密的三氧化二铝保护膜而具有很好的防腐蚀能力。但铝合金车体在长期运用中， 特别是在潮湿的环境下，遇到空气介质中的阴离子（如 C1）， 就会产生局部原电池，发生点蚀、面蚀和变色 ，影响车体强度和美观。因此不锈钢车体的耐腐蚀性比铝合金车体要好些。在抵御磕碰、防划伤能力方面，铝合金占优 ，且可以修复; 不锈钢由于是薄板且为拉丝板， 容易划伤，更忌讳异向划痕，出现划痕难以消除。

3.4车底布置与能耗

中空铝型材车体， 车下空间大， 适应大线槽布线和空气管路预装配， 做到整体吊装，实现模块化结构要求;不锈钢车体由于板薄（底架边梁也只是采用最厚的 δ=4 mm钢板轧制而成），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。

能耗方面对B型车而言铝合金车体比不锈钢车体每辆车轻1 t左右， 对于城轨车辆， 1 t自重每走行1 km， 耗电约0.137 MJ，按每日若以每日走行500km（洛阳轨道1号线）计算，则一年所消耗的电能为24622MJ，折合68396kW 。

4. 結论

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， 建议国内城市在车辆选型中采用层次分析法 ，结合经济 、安全、外观等因素综合考虑，在采购和运用城轨车辆时，应当充分考虑这些问题，不可盲目采购铝合金车体，应具体问题具体分析，做出合理的选择。

参考文献

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