城市轨道车辆车体材料选择
〖摘 要〗城市轨道交通车辆的车体选材，是关系到运营的“安全、可靠、快速、轻量、经济、适用”的重大因素之一。对耐候钢、不锈钢、铝合金车体的材料和结构特点进行分析、比较。探讨了针对城市轨道交通特点和对车辆的要求，合理选择车体材料问题。对不同材料车体的发展动向作了介绍。
〖关键词〗城市轨道车辆，车体，材料选择
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，则关系到能耗、加减速度、载客能力乃至列车编组形式(动拖比)。以上所述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。故车体选材一开始就成为选择城轨系统时必须同时考虑的诸多重大要素之一。
1 轨道车辆的车体结构和材料
1.1 车体和车体结构的分类
车体结构按使用的主要材料可分为普通碳钢车(现已停产)、高耐候结构钢(耐候钢)车、车辆专用经济不锈钢(不锈钢)车和铝合金车。
按承载方式分类，有底架承载、侧壁承载、整体承载三种方式。
按结构形式分，有板梁组合结构、开口型材与大型中空型材组合结构以及大型中空型材结构三种形式。这些结构又同时属于整体承载结构。
从板与梁(柱)、梁(柱)与梁(柱)之间的结合方式来分，有焊接、铆接、螺柱(钉)粘结连接或混合连接结构。我国和日本大多采用焊接结构。焊接-铆接或焊接-螺栓(钉)连接在欧洲应用较多。
整体承载结构，即所有车体承载构件和外板都参与承载，这样能充分发挥所有承载零部件的承载作用，有效地减轻车体重量。特别是板梁组合结构，原则上可按照有限元法的车体强度、刚度计算结果来分配材料：强度不足部位补强，刚度不足部位补刚，强度刚度富余的部位将材料去掉，从而收到最佳的轻量效果。
1.2 耐候钢车体
耐候钢车体采用板梁组合整体承载全焊接结构。
制造厂先将购进的冷轧定尺板材或将热孔卷料开卷、矫平，切断的板材经磷化预处理。车体 的外板(一般厚为2mm)，是将预处理后的板材用缝焊机接宽接长； 梁柱则将预处理后的板材 (一般厚2.5mm)剪切下料、轧压、冷弯或拉延成型。对于像底架边梁、车顶侧板那样大型板梁，一般可采用冷弯型材(厚3～6mm)。板和梁(柱)间采用点焊或塞焊，梁柱间采用弧焊(用焊条或二氧化碳气体保护焊)。
车体采用大部件组装方式：将底架、侧墙、车顶、端墙部件预先组成后再组成车体。经变形矫正(打平)后的车体送到油漆工序。底漆、面漆涂完后钢结构车体才算完成(也可在车辆总成涂面漆)。
在车体设计开始，梁柱布置完成后用三维有限元法进行车体强度计算。在头一辆车体制造完工后，进行强度试验。车体的强度试验属于形式试验，即同种车只试验一台，在油漆前进行。车体需经钢结构强度试验通过后才能批量投产。
与铝合金、不锈钢车体相比，耐候钢车体有材料费、制造费低以及工艺性好、造型容易的明显优势，但也存在重量较大、耐腐蚀性不大好而导致运用成本高的劣势。
1.3 不锈钢车体
不锈钢车体结构与耐候钢车体一样也是采用板梁组合整体承载全焊结构。由于使用的板材更薄(车体外板厚0.4～1.2mm，梁柱厚0.8～3mm)，须采用大量薄板(一般为0.8mm)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。采用接触焊代替弧焊是不锈钢车的又一特征和技术关键。
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 961Ｎ／mm２以上，拉伸强度在1275N/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＝２．０６×１０５N/mm２，不锈钢的E ＝１．７６×１ ０５Ｎ／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。
不锈钢车体制造过程中虽然不必进行防腐保护，完工后也不需涂漆，但为了提高装饰性，板材自带线条或梨皮点状装饰。车辆制造厂家可自己进行某种修饰，也可用彩色胶膜装修。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，在制造的全过程要小心操作。
为了降低制造成本或提高工艺性，对这种车体上没有腐蚀倾向的部位，通常采用普通钢或耐候钢，如牵引梁、枕梁、侧门内立柱的下部(距地板面300mm以上)内端墙立柱等。因此，即使轻量化不锈钢车体也大约有30%的普通钢或耐候钢。
不锈钢车体比耐候钢车体大约可轻30%～40%，另外还不需涂漆(干膜油漆重量大约200～300kg/车)。
不锈钢车体的制造工艺性远不如钢车，不能采用弧焊；特别是不锈钢成形困难，因此不锈钢车体的前端造型若特别复杂或数量很少时，不得不采用钢材或玻璃钢制造(涂漆)。
由于现在生产的不锈钢车体大量采用点焊，密封性不如连续焊，因此不适用于频繁进出隧道等导致车内外压差大的高速车车体。
日本最新的不锈钢车体是1993年完成的209系电车采用的两种形式的结构：一种是侧墙外板为平板、内部仍然采用压型型材的骨架(含补强)，但板厚进一步减小(侧墙外板厚1.2mm， 车顶、地板波纹板厚0.6mm，弯梁、立柱厚1mm)；另一种形式采用SUS304材料的内外双层板点焊结构，内板上带有凸起代替骨架。东日本旅客铁道(株)、新日本制铁(株)、东急 车辆制造(株)等三家公司最近共同试制出了“不锈钢双层复合板车体”，其目的在于能像铝合金中空型材车体那样减少零部件数量和焊接工作量，以降低制造成本和提高外板平滑性，提高产品质量。预计4～5年后这种新车将会投入使用。
1.4 铝合金车体
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。
板梁式铝合金车体在结构形式上类似于耐候钢车体，但为了提高断面系数，防止板材由于剪力产生失稳现象，因此加大板厚(一般取钢板的1.4倍，最薄用到2mm)。铝合金车体的薄板焊接非常困难，技术水平要求高，而且变形大矫正困难，因此必须采用接触焊。
开口型材将板、梁合成一体，简化了车体制造工艺，提高了质量，但成本也相应增加。
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。但与此同时，由于大型型材需要能力为8000～10000t的大型挤出设备和大型模具，因此制品成本昂贵，设计断面变化也受到制约。
另外，由于多余金属只能靠机械加工的办法去掉，工艺复杂，成本高，所以大型中空型材结构的车体要比板梁式、大型开口型材式车体略重一些。
铝合金结构的变形校正(通常也采用火焰校正)非常困难。因此不管什么结构形式，都必须千方百计用工装卡具来限制焊接变形。
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。
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。
铝合金车体设计中还应注意的是：由于铝的熔点低，在地板下面吊装的高压大电流的发热设备(如制动电阻箱等)应加装隔热板，以防车辆火灾的发生。铝合金车体的车辆一旦发生火灾事故，将会引发更大的灾难。当然，采用其他材料的车体也必须加隔热板。
铝合金车体的最新结构是车顶、侧墙无梁柱的桁架式中空型材结构，有的在面板、肋板上还贴防震吸音材或填充(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。日本700系新干线车就采用此项技术。
形状复杂的铝合金车体前端也有采用钢质或骨架用钢、蒙皮用玻璃钢的结构。车下设备吊装也有采用钢梁。铝型材之间采用摩擦搅拌焊接(FSW：Friction Stir Welding)。这是一项很有前途的工艺。日本JR九州815系近郊形交流电动车已采用这种先进方法。
1.5 车体新材料结构的开发
国外车体新材料新结构的研制开发日新月异。第二代轻量不锈钢车体和蜂窝材铝合金车体在10年前就已问世。底架边梁用爆炸连接材料、底架用不锈钢、侧墙车顶端墙用铝合金的 混合材料车体在10年前也通过了鉴定。超轻量的碳纤维增强塑料(CFRP)车体也已试制出来。另外以普通钢、不锈钢车体为对象的外板为平板、外板的内侧为桁架式大型轧压型材、二者 点焊一起的少零部件高精度的板式轻量结构也正在开发中。面向小型车，正在开发不用板结 构而用骨架承载、内外板材料可以自由选取的重量轻、成本低的车体也正在开发研究中。
在我国，车体材料的开发研制也从未间断过。70年代的铝合金车体铁道车辆、90年代的不锈钢软卧车和铝合金的地铁车就已研制出来，现正在正常运行。10年前，玻璃钢的前端也已 装到了大铁路动车组的车头上。现在大断面铝型材和车辆经济不锈钢SUS301L国内已完成研制，可以批量投产。
2 车体合理选材
车体选材的一般作法，是在确保安全可靠的前提下，以经济特性为基础，结合城市线路条件和车辆条件进行经济技术论证，综合分析比较，从大局出发作出选择。
城市轨道交通与干线铁路交通在涉及的地域范围上大不相同，特别是在我国。城市轨道交通车辆是针对地方乃至于十几公里或几十公里范围设计的，车辆结构和材料应该、也有可能做到在不违背国家相关法规、强制性标准的前提下充分体现地方性和本线路特色。另一方面，每种材料都有各自的特点。车体选材若能在熟悉各种材料的基础上，将针对线路、车辆和针对材料特点结合起来并兼顾长远和近期效果的话，选材一定会合理。
2.1 各种材料车体的特点
碳钢车、铝合金车、不锈钢车车体的特点如表1所示。
2.2 对车辆要求的条件及其车体材料的选择
根据对车辆要求的条件来选择车体材料，请参见表2。
表1 各种材料车体的特点 碳钢车铝合金车不锈钢车◎可以自由造型○可以自由造型●造型困难◎塑性加工容易○塑性加工容易●要有塑性加工技术○可作到车体气密结构○可作到车体气密结构●车体气密结构困难●轻量化难◎轻量化有效果○可以轻量化◎材料价格低●材料价格特高●材料价格高○材料强度一般○材料强度略低◎材料强度高●耐腐蚀性不好○耐腐蚀性好◎耐腐蚀性优越○耐热性高●耐热性低○耐热性高○焊接性好●要高水平熔接技术○焊接性好◎制造价格低●制造价格高○制造价格稍高●维修难○无维修◎有无维修特点注：同类特点中，“○”为好，“◎”为其次，“●”为差 。
表2 对车辆要求的条件及其车体材料选择(供参考) 2.3 从经济角度看车体选材
我国地铁以前一直采用耐候钢车体的车辆，由国外引进的铝合金车体的车辆投入运用仅几年， 国产车辆专用经济不锈钢车体的车辆正在开发研制过程中，估计要到2002年以后才能投入试运行。因此，现在或近几年内要作出我国自己的上述三种材料车体在车辆寿命周期的综合经济分析的条件尚不具备。
2.4 从综合因素看车体选材
表3给出了从综合因素看车体选材的比较。
在这里应特别指出的是，不锈钢车体无需维修带来的长处：由于车体不涂漆(涂漆就必须有维修)，取消了防腐、涂漆、除漆工艺，不仅可节省大量厂房、设备、人力，而且消除了环境污染。这将给制造厂特别是用户建立维修基地和工程带来巨大的经济和社会效益。铝合金车体则在要求高加减速度、频繁起制动、要求较高的旅行速度或受轴重限制的城轨交通上，特别是要求高度轻量化的高速旅客列车上具有明显优势。
3 几个值得探讨的问题
3.1 关于目前我国城市轨道车辆车体选材的倾向问题
目前我国城市轨道交通车辆的车体选材，似乎出现了铝合金热，相形之下在我国地铁车上沿用了30多年的耐候钢有受到冷落的倾向。实际上这三种材料各有特点。就是同一种材料也有不同的牌号、种类和性能，但无好坏可言 。材料及车体的结构型式是多种多样而且总是在发展变化的，选材就要扬长避短因材施用。
3.2 关于车辆轻量化
在人们的印象中，一提起轻量化就联想到减轻车体重量。轻量化应当是对车辆总体而言，车辆上所有构件、设施、设备、材料都要轻量化。车内设备的门窗座椅，电气的配管配线，空调系统的机组、风道、格栅等的轻量化效果，与车体的轻量化是一样的，而为此目的付出的代价和承担的风险可能还会小一些。若能减轻转向架的重量，尤其是簧下重量，那其综合作用就 远非减轻车体重量可比了。
3.3 关于车体轻量化
与车辆轻量化一样，什么材料的车体都应当也都有可能轻量化。轻量化不等于铝合金化。耐候钢车体的轻量化还有很大潜力有待挖掘。
3.4 关于“耐候钢＋局部不锈钢”车体
“耐候钢＋局部不锈钢”是在耐候钢车体中的易腐蚀部位采用不锈钢来解决耐候钢车体“不耐腐蚀”的最大弱点，这种做法在国内外都有。由于耐候钢与不锈钢之间有良好的可焊性(焊条采用不锈钢)，成形工艺又不存在问题，在设计上除了结构稍微复杂点外，也不存在要开发研制问题。因此，城市轨道车辆采用“耐候钢 ＋局部不锈钢”车体，技术上可行，经济上有利。特别是已经决定采用耐候钢车体的轨道车辆，一定要在易腐蚀部位采用不锈钢，以期达到30年内车体不用挖补的目的。
