城市軌道車輛不銹鋼車體的研發

摘　要　介紹了城軌車輛輕量化不銹鋼車體的發展、研制概況,及其車輛外板、骨架結構及不銹鋼材的特點。以天津濱海線不銹鋼車的研發實例,介紹了該類車的主要技術指標及關鍵技術。車體結構的無涂裝、免維修、輕量化及耐腐蝕能力強等特點,使不銹鋼車輛具有廣闊的應用前景。
關鍵詞　電動車組,不銹鋼車體,車輛設計
1 　輕量化不銹鋼車輛的發展概況
1. 1 　日本輕量化不銹鋼車體的開發過程
為了車輛的輕量化與免維修,日本對車輛結構使用不銹鋼問題進行了研究分析。1959 年末,東急車輛公司與美國巴德公司進行了技術合作,為生產以不銹鋼車體為主要結構的車輛邁出了一大步。
在當時,日本沒有合適的結構用不銹鋼材,美國也是采用巴德公司獨自研究開發作為鐵道車輛用的不銹鋼;東急車輛公司與日本不銹鋼廠家協作,進行了高抗拉強度不銹鋼(SUS301L) 的開發、試制及其材料加工技術的研究。與此同時,研究了以點焊方法進行不銹鋼結構制造,于1962 年完成了除底架的一部分(端底架) 之外,其他結構部件或外板等均采用不銹鋼制造的東急電鐵7000 系。這就是當今稱為全不銹鋼車的首輛車。這種全不銹鋼車輛,私鐵及國鐵共計生產了約100 輛。這些車輛與迄今為止的鋼制車輛比較,質量輕2 t ,車體結構幾乎不需要補修(見圖1) 。
　　1973 年,由于受到石油危機的影響,日本在鐵道車輛領域也強烈呼吁制造節能車輛,對于不銹鋼車輛要求進一步輕量化。在此期間,采用了有限元法對鐵道車輛車體結構進行強度分析。最初是以二維解析(平面解析) 為主進行強度分析,垂直載荷幾乎全由側墻結構負擔。這種解析方法雖然有效,但對扭轉載荷的分析或橫向變形量的計算等不適用。為此,探討了采用三維解析(立體解析) 方法,并于1975 年采用美國波音公司開發的有限元法 三維解析程序(ASTRA) 。據此,對由于扭轉載荷引起的強度及位移或橫向位移量等,均可進行較高可靠度的分析。在上述方法的基礎上,東急車輛公司于1976 年成立了輕型不銹鋼車輛開發設計組,將下列3 點定為開發目標: ① 車體結構質量與鋁合金車相當; ②價格和普通碳鋼車一樣; ③ 與原有不銹鋼車輛具有同等以上的強度和剛度。
輕型不銹鋼車輛的開發,始終是以試制方式進行的:先從最輕且簡單的結構試制開始,反復進行結構分析與強度試驗,依次補強薄弱部分,以求得最終結構;用二維解析方法決定簡單結構后,再用三維解析方法進行確認,若有強度、剛度不足部分,進行再計算、確認。這樣反復進行多次。
1977 年2 月完成了第一階段的試制車車體結構。在重新了解結構分析上存在的問題之后,試制了車體結構,但試驗時仍發現強度、剛度不足,必須進行補強或結構修改。根據強度分析,對試制結構進行補強,通過強度試驗加以確認。到1977 年11 月,終于試制出達到目標要求的車體結構,其間進行了40 多次強度分析、7 次強度試驗。之后著手設計、生產輕型不銹鋼車輛的實用試驗車。1978 年完成了2 輛東急電鐵8400 型。該車車體結構質量為6 t , 實現了比普通碳鋼車輕4 t 、比原有不銹鋼車輕2 t 的目標,成為首批不銹鋼節能車。
　　輕型不銹鋼車輛除了在東急電鐵東橫線上進行營運調試外,在設計的細節方面,如生產設備、不銹鋼材等,都進行了重新考慮。1979 年末,開始生產東急電鐵8090 系車輛。該車安裝的設備與原有技術資料　
8000 系幾乎相同,但車體結構減輕2 t 。1980 年末, 制造了正式的輕型不銹鋼車輛,車體結構設計則采用新型骨架或接頭,并將原有波紋外板改成由加長剛性肋(壓筋) 加工的平外板。其間,日本國鐵也進行了輕型不銹鋼車輛的研究,于1985 年完成了205 系輕型不銹鋼車輛,繼而于1986 年大量生產了211 系、415 系等車輛(見圖2) 。

圖1 　不銹鋼車輛的車體結構

圖2 　輕型不銹鋼車輛的車體結構

　　新一代不銹鋼車輛車體結構與205 系相比,其底架及車體是以原有輕型不銹鋼車體結構為基礎, 但其外墻板為自動點焊,或對外板補強后的形狀與布置加以改進,避免了補強筋突出,改為平板外表面;車體結構骨架比205 系更易于作業,部件件數約減少到2/ 3 。結構體的組裝方法是,在外部周圍點焊焊接各結構體的結合部分,以抑制外板的應變,并提高了精度。1992 年3 月,批量生產的先期試制車901 系為10 輛編組。該列車車體質量為5. 3 t , 比205 系約輕了1 t 。1993 年誕生了新一代通勤電動車209 系,后來又發展了E217 系、E213 系(見圖3) 。

圖3 　新一代不銹鋼車輛的車體結構
1. 2 　我國長客廠不銹鋼車體的發展概況
長春客車廠從1995 年開始進入不銹鋼車體的研制階段,首先與韓進公司聯合開發輕量化不銹鋼車輛30 輛,運用于我國南方衡廣鐵路。經過六七年的實際運營考核,證明該不銹鋼車比碳鋼車具有重量輕、耐腐蝕等明顯的優勢。在今后的車輛市場中, 不銹鋼和鋁合金車體將占主導地位。對于速度在200 km/ h 以上的車輛,適合用鋁合金車體;但對于100～160 km/ h 的客車,則適合用不銹鋼車體。尤其對于地鐵客車、城市軌道客車更適合用不銹鋼車體;對于海洋性氣候(空氣潮濕) 、高原地區,耐腐蝕性的不銹鋼車體更具有優勢。
長春客車廠在2000 年開始對不銹鋼車體進行第二階段的研制:對日本的SUS301L 系列不銹鋼和點焊結構進行更透徹地消化、吸收;先后對日本、韓國的不銹鋼車進行剖析,聘請日本專家進行全程指導、講課;在2002 年初,該廠吸收日本技術制造出了全新的點焊結構輕量化不銹鋼車體。在此基礎上, 又生產出4 輛北京城鐵不銹鋼車輛,從而使不銹鋼車輛的研制進入一個全新階段。
在以上不銹鋼車的研制基礎上,長春客車廠又設計、生產了天津濱海快速軌道交通工程車輛(輕量化點焊結構不銹鋼車體) 。該車也是鼓形車體整體點焊結構,除端底架用碳鋼外,其余主要承載部分都是采用SUS301L 系列的HT 、M T 、DL T 、L T 鋼材。由于該車車體的縱向壓縮載荷為800 kN(車鉤沖擊座處),拉伸載荷為640 kN(車鉤沖擊座處),這給結構設計帶來很大難度。經過反復論證計算、試驗,最后終于做出了符合強度要求的輕量化不銹鋼車輛。
2 　輕型不銹鋼車輛的特征
2. 1 　外板
不銹鋼的導熱率極小,所以發生熱應變較大。因此,過去制造的不銹鋼車輛,為使其熱應變不致太明顯,多將側墻外板做成波紋結構。但是,許多用戶提出波紋結構難以清掃的意見。在強度方面,波紋結構板在縱向和橫向雖有剛性,但在剪切方向則較弱,因此在需要傳遞剪切力的地方必須另設剪切板。
由此得知,在強度方面,平板結構較好,在質量方面也有利。加工平板時的問題是如何改善熱應變后的美觀。考慮的辦法是采用在一定間隔內設剛性肋的外板。起初是以沖壓加工成型剛性肋,端部采用填料與密封材處理的方法。
2. 2 　骨架結構
在試制之初,只是把鋼制車的骨架換成不銹鋼的結構,僅根據部位不同使用不同高度的乙型材或帽型材,因此骨架材的接頭接合很復雜。在設計輕型不銹鋼車輛時,最困難的就是骨架構成。在反復進行強度分析后得知,乙型材由于是開口截面,加載后易產生扭曲,難以充分傳遞載荷。因此,考慮以箱型截面與外板組合。箱型截面對于橫向載荷非常有效,骨架的板材厚度也可降低為1. 2 mm 。為了進一步輕量化,采用的板厚為1 mm 。另外,骨架的高度將側墻、車頂結構均統一為40 mm , 使之與平板的接頭在同一平面上結合。這種結構易于傳遞載荷。
各柱或梁桿件采用抗拉強度鋼,盡量考慮降低板厚。結構體的組裝以點焊為基礎,結構上難以處理的地方則采用以環形焊或塞焊,以考慮熱影響。
2. 3 　不銹鋼
城軌車輛車體結構使用的不銹鋼,從耐腐蝕性、加工性、機械強度等方面考慮,采用了奧氏體系的SUS301 系不銹鋼。這種SUS301 冷軋加工后能提高抗拉強度,而且壓制加工性好。抗拉強度為L T 、DL T 、ST 、MT 、HT5 個等級,按照所需強度分別使用。
不同不銹鋼的化學成分,將決定其不同的性能。因此為了改進不銹鋼的焊接性,需大幅度降低鋼的含碳量。含碳量過多時,由于焊接時的熱影響,容易發生晶間腐蝕裂紋或應力腐蝕裂紋。為此,東急車輛制造公司早就把含碳量由J IS 規定的0. 15 % 減為0. 08 % 以下,而新的規定則減少到0. 03 % 以下。這樣,能較好地防止晶間腐蝕裂紋或應力腐蝕裂紋。SUS301L 標準的出現,是輕型不銹鋼車輛成功的一部分。
在機械性能方面,再次分析了加工性與強度之間的均衡情況,修改了抗拉強度的規定范圍,即HT 材質標準。另外,對于影響車輛美觀的外板平面度, 通過對表面的處理進行了反復的試驗后, 修改了DL T 材質標準。
3 　天津濱海線不銹鋼車體的研發
為天津濱海快速交通工程規劃中的4 號線設計的車輛采用符合《城市快速軌道工程項目建設標準》規定的B 型車,車體呈鼓形,并采用不銹鋼材料的輕量化整體承載結構(見圖4) 。

圖4 　車體四分之一三維幾何模型
1.3. 1 　主要技術指標(見表1) 動車(Mcp 車) 和1 輛拖車(T 車) 組成,編組方式如下:
2.3. 2 　列車編組近期= Mcp 3 T = T 3 Mcp = 列車由兩個單元共4 輛車組成,每個單元由1 輛遠期= Mcp 3 T = T 3 M = T 3 Mcp 其中:Mcp 為帶司機室和受電弓動車; T 為拖車; M 為動車; = 為半自動車鉤; 3 為半久牽引桿。
表1 　天津濱海線不銹鋼車輛主要技術指標

天津濱海線不銹鋼車輛有以下特點:首批采用SUS301L 高強度不銹鋼材料,點焊結構輕量化車體結構;首次采用整體玻璃鋼車頭,不銹鋼骨架結構(見圖5) ;首次采用金剛砂地板布直接粘接在鋁鋒窩地板上;首次采用頂板、圓頭、間壁作成一體,與貫通道連接,達到整體美觀的效果(見圖6) ;不銹鋼車體首次采用連續窗帶結構(見圖5) ; 首次采用動態線路圖報站顯示及緊急對講系統(見圖6) ; 國產車輛中首次采用A TO 、A TP 。

圖5 　天津濱海線不銹鋼軌道列車
　


圖6 　天津濱海線不銹鋼軌道列車客室布置
4 　不銹鋼車輛的特性與應用前景
采用不銹鋼、鋁合金材料是減輕車體自重的有效措施。但是鋁合金減輕車體自重的效果不是很明顯。不銹鋼則不同,日本的901 系列的城市軌道列車的車體自重僅有5. 3 t , 較碳鋼車輕70 % 左右。
輕型不銹鋼車輛的特征有:車體結構的無涂裝、免維修與輕量化。無涂裝即在車輛新造及檢修時可以省略涂裝工序,從而縮短車輛在廠時間,同時可達到減少預備車的效果。車體結構的免維修化,就是由于良好的耐腐蝕性,車體結構幾乎不需要維修,因而削減了維修費用。車輛輕量化的效益直接表現在降低運轉動力費用,間接表現在減少了軌道維護費用。另外,輕量化導致同等動力裝置運轉性能提高, 從而縮短運轉時間或降低編組列車中的動力比率。
不銹鋼的耐腐蝕能力特別強。不銹鋼車體結構可以達到30 年不腐蝕,與碳鋼車比較,其維修費用可大大降低;且輕量化不銹鋼車速度快,大大節省運營時間,可取得更多的社會經濟效益。