城市軌道車輛不銹鋼車體的研發(fā)

摘　要　介紹了城軌車輛輕量化不銹鋼車體的發(fā)展、研制概況,及其車輛外板、骨架結(jié)構(gòu)及不銹鋼材的特點(diǎn)。以天津?yàn)I海線不銹鋼車的研發(fā)實(shí)例,介紹了該類車的主要技術(shù)指標(biāo)及關(guān)鍵技術(shù)。車體結(jié)構(gòu)的無涂裝、免維修、輕量化及耐腐蝕能力強(qiáng)等特點(diǎn),使不銹鋼車輛具有廣闊的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞　電動(dòng)車組,不銹鋼車體,車輛設(shè)計(jì)
1 　輕量化不銹鋼車輛的發(fā)展概況
1. 1 　日本輕量化不銹鋼車體的開發(fā)過程
為了車輛的輕量化與免維修,日本對(duì)車輛結(jié)構(gòu)使用不銹鋼問題進(jìn)行了研究分析。1959 年末,東急車輛公司與美國(guó)巴德公司進(jìn)行了技術(shù)合作,為生產(chǎn)以不銹鋼車體為主要結(jié)構(gòu)的車輛邁出了一大步。
在當(dāng)時(shí),日本沒有合適的結(jié)構(gòu)用不銹鋼材,美國(guó)也是采用巴德公司獨(dú)自研究開發(fā)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(xié)作,進(jìn)行了高抗拉強(qiáng)度不銹鋼(SUS301L) 的開發(fā)、試制及其材料加工技術(shù)的研究。與此同時(shí),研究了以點(diǎn)焊方法進(jìn)行不銹鋼結(jié)構(gòu)制造,于1962 年完成了除底架的一部分(端底架) 之外,其他結(jié)構(gòu)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(dāng)今稱為全不銹鋼車的首輛車。這種全不銹鋼車輛,私鐵及國(guó)鐵共計(jì)生產(chǎn)了約100 輛。這些車輛與迄今為止的鋼制車輛比較,質(zhì)量輕2 t ,車體結(jié)構(gòu)幾乎不需要補(bǔ)修(見圖1) 。
　　1973 年,由于受到石油危機(jī)的影響,日本在鐵道車輛領(lǐng)域也強(qiáng)烈呼吁制造節(jié)能車輛,對(duì)于不銹鋼車輛要求進(jìn)一步輕量化。在此期間,采用了有限元法對(duì)鐵道車輛車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析。最初是以二維解析(平面解析) 為主進(jìn)行強(qiáng)度分析,垂直載荷幾乎全由側(cè)墻結(jié)構(gòu)負(fù)擔(dān)。這種解析方法雖然有效,但對(duì)扭轉(zhuǎn)載荷的分析或橫向變形量的計(jì)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(guó)波音公司開發(fā)的有限元法 三維解析程序(ASTRA) 。據(jù)此,對(duì)由于扭轉(zhuǎn)載荷引起的強(qiáng)度及位移或橫向位移量等,均可進(jìn)行較高可靠度的分析。在上述方法的基礎(chǔ)上,東急車輛公司于1976 年成立了輕型不銹鋼車輛開發(fā)設(shè)計(jì)組,將下列3 點(diǎn)定為開發(fā)目標(biāo): ① 車體結(jié)構(gòu)質(zhì)量與鋁合金車相當(dāng); ②價(jià)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(qiáng)度和剛度。
輕型不銹鋼車輛的開發(fā),始終是以試制方式進(jìn)行的:先從最輕且簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)試制開始,反復(fù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析與強(qiáng)度試驗(yàn),依次補(bǔ)強(qiáng)薄弱部分,以求得最終結(jié)構(gòu);用二維解析方法決定簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)后,再用三維解析方法進(jìn)行確認(rèn),若有強(qiáng)度、剛度不足部分,進(jìn)行再計(jì)算、確認(rèn)。這樣反復(fù)進(jìn)行多次。
1977 年2 月完成了第一階段的試制車車體結(jié)構(gòu)。在重新了解結(jié)構(gòu)分析上存在的問題之后,試制了車體結(jié)構(gòu),但試驗(yàn)時(shí)仍發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度、剛度不足,必須進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)或結(jié)構(gòu)修改。根據(jù)強(qiáng)度分析,對(duì)試制結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng),通過強(qiáng)度試驗(yàn)加以確認(rèn)。到1977 年11 月,終于試制出達(dá)到目標(biāo)要求的車體結(jié)構(gòu),其間進(jìn)行了40 多次強(qiáng)度分析、7 次強(qiáng)度試驗(yàn)。之后著手設(shè)計(jì)、生產(chǎn)輕型不銹鋼車輛的實(shí)用試驗(yàn)車。1978 年完成了2 輛東急電鐵8400 型。該車車體結(jié)構(gòu)質(zhì)量為6 t , 實(shí)現(xiàn)了比普通碳鋼車輕4 t 、比原有不銹鋼車輕2 t 的目標(biāo),成為首批不銹鋼節(jié)能車。
　　輕型不銹鋼車輛除了在東急電鐵東橫線上進(jìn)行營(yíng)運(yùn)調(diào)試外,在設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)方面,如生產(chǎn)設(shè)備、不銹鋼材等,都進(jìn)行了重新考慮。1979 年末,開始生產(chǎn)東急電鐵8090 系車輛。該車安裝的設(shè)備與原有技術(shù)資料　
8000 系幾乎相同,但車體結(jié)構(gòu)減輕2 t 。1980 年末, 制造了正式的輕型不銹鋼車輛,車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)則采用新型骨架或接頭,并將原有波紋外板改成由加長(zhǎng)剛性肋(壓筋) 加工的平外板。其間,日本國(guó)鐵也進(jìn)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(chǎn)了211 系、415 系等車輛(見圖2) 。

圖1 　不銹鋼車輛的車體結(jié)構(gòu)

圖2 　輕型不銹鋼車輛的車體結(jié)構(gòu)

　　新一代不銹鋼車輛車體結(jié)構(gòu)與205 系相比,其底架及車體是以原有輕型不銹鋼車體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ), 但其外墻板為自動(dòng)點(diǎn)焊,或?qū)ν獍逖a(bǔ)強(qiáng)后的形狀與布置加以改進(jìn),避免了補(bǔ)強(qiáng)筋突出,改為平板外表面;車體結(jié)構(gòu)骨架比205 系更易于作業(yè),部件件數(shù)約減少到2/ 3 。結(jié)構(gòu)體的組裝方法是,在外部周圍點(diǎn)焊焊接各結(jié)構(gòu)體的結(jié)合部分,以抑制外板的應(yīng)變,并提高了精度。1992 年3 月,批量生產(chǎn)的先期試制車901 系為10 輛編組。該列車車體質(zhì)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(dòng)車209 系,后來又發(fā)展了E217 系、E213 系(見圖3) 。

圖3 　新一代不銹鋼車輛的車體結(jié)構(gòu)
1. 2 　我國(guó)長(zhǎng)客廠不銹鋼車體的發(fā)展概況
長(zhǎng)春客車廠從1995 年開始進(jìn)入不銹鋼車體的研制階段,首先與韓進(jìn)公司聯(lián)合開發(fā)輕量化不銹鋼車輛30 輛,運(yùn)用于我國(guó)南方衡廣鐵路。經(jīng)過六七年的實(shí)際運(yùn)營(yíng)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(yōu)勢(shì)。在今后的車輛市場(chǎng)中, 不銹鋼和鋁合金車體將占主導(dǎo)地位。對(duì)于速度在200 km/ h 以上的車輛,適合用鋁合金車體;但對(duì)于100～160 km/ h 的客車,則適合用不銹鋼車體。尤其對(duì)于地鐵客車、城市軌道客車更適合用不銹鋼車體;對(duì)于海洋性氣候(空氣潮濕) 、高原地區(qū),耐腐蝕性的不銹鋼車體更具有優(yōu)勢(shì)。
長(zhǎng)春客車廠在2000 年開始對(duì)不銹鋼車體進(jìn)行第二階段的研制:對(duì)日本的SUS301L 系列不銹鋼和點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)進(jìn)行更透徹地消化、吸收;先后對(duì)日本、韓國(guó)的不銹鋼車進(jìn)行剖析,聘請(qǐng)日本專家進(jìn)行全程指導(dǎo)、講課;在2002 年初,該廠吸收日本技術(shù)制造出了全新的點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)輕量化不銹鋼車體。在此基礎(chǔ)上, 又生產(chǎn)出4 輛北京城鐵不銹鋼車輛,從而使不銹鋼車輛的研制進(jìn)入一個(gè)全新階段。
在以上不銹鋼車的研制基礎(chǔ)上,長(zhǎng)春客車廠又設(shè)計(jì)、生產(chǎn)了天津?yàn)I?？焖佘壍澜煌üこ誊囕v(輕量化點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)不銹鋼車體) 。該車也是鼓形車體整體點(diǎn)焊結(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來很大難度。經(jīng)過反復(fù)論證計(jì)算、試驗(yàn),最后終于做出了符合強(qiáng)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(dǎo)熱率極小,所以發(fā)生熱應(yīng)變較大。因此,過去制造的不銹鋼車輛,為使其熱應(yīng)變不致太明顯,多將側(cè)墻外板做成波紋結(jié)構(gòu)。但是,許多用戶提出波紋結(jié)構(gòu)難以清掃的意見。在強(qiáng)度方面,波紋結(jié)構(gòu)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(shè)剪切板。
由此得知,在強(qiáng)度方面,平板結(jié)構(gòu)較好,在質(zhì)量方面也有利。加工平板時(shí)的問題是如何改善熱應(yīng)變后的美觀。考慮的辦法是采用在一定間隔內(nèi)設(shè)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(jié)構(gòu)
在試制之初,只是把鋼制車的骨架換成不銹鋼的結(jié)構(gòu),僅根據(jù)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(fù)雜。在設(shè)計(jì)輕型不銹鋼車輛時(shí),最困難的就是骨架構(gòu)成。在反復(fù)進(jìn)行強(qiáng)度分析后得知,乙型材由于是開口截面,加載后易產(chǎn)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(duì)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(jìn)一步輕量化,采用的板厚為1 mm 。另外,骨架的高度將側(cè)墻、車頂結(jié)構(gòu)均統(tǒng)一為40 mm , 使之與平板的接頭在同一平面上結(jié)合。這種結(jié)構(gòu)易于傳遞載荷。
各柱或梁桿件采用抗拉強(qiáng)度鋼,盡量考慮降低板厚。結(jié)構(gòu)體的組裝以點(diǎn)焊為基礎(chǔ),結(jié)構(gòu)上難以處理的地方則采用以環(huán)形焊或塞焊,以考慮熱影響。
2. 3 　不銹鋼
城軌車輛車體結(jié)構(gòu)使用的不銹鋼,從耐腐蝕性、加工性、機(jī)械強(qiáng)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(qiáng)度,而且壓制加工性好?？估瓘?qiáng)度為L(zhǎng) T 、DL T 、ST 、MT 、HT5 個(gè)等級(jí),按照所需強(qiáng)度分別使用。
不同不銹鋼的化學(xué)成分,將決定其不同的性能。因此為了改進(jìn)不銹鋼的焊接性,需大幅度降低鋼的含碳量。含碳量過多時(shí),由于焊接時(shí)的熱影響,容易發(fā)生晶間腐蝕裂紋或應(yīng)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(guī)定的0. 15 % 減為0. 08 % 以下,而新的規(guī)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(yīng)力腐蝕裂紋。SUS301L 標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn),是輕型不銹鋼車輛成功的一部分。
在機(jī)械性能方面,再次分析了加工性與強(qiáng)度之間的均衡情況,修改了抗拉強(qiáng)度的規(guī)定范圍,即HT 材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。另外,對(duì)于影響車輛美觀的外板平面度, 通過對(duì)表面的處理進(jìn)行了反復(fù)的試驗(yàn)后, 修改了DL T 材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。
3 　天津?yàn)I海線不銹鋼車體的研發(fā)
為天津?yàn)I?？焖俳煌üこ桃?guī)劃中的4 號(hào)線設(shè)計(jì)的車輛采用符合《城市快速軌道工程項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)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(jié)構(gòu)(見圖4) 。

圖4 　車體四分之一三維幾何模型
1.3. 1 　主要技術(shù)指標(biāo)(見表1) 動(dòng)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(gè)單元共4 輛車組成,每個(gè)單元由1 輛遠(yuǎn)期= Mcp 3 T = T 3 M = T 3 Mcp 其中:Mcp 為帶司機(jī)室和受電弓動(dòng)車; T 為拖車; M 為動(dòng)車; = 為半自動(dòng)車鉤; 3 為半久牽引桿。
表1 　天津?yàn)I海線不銹鋼車輛主要技術(shù)指標(biāo)

天津?yàn)I海線不銹鋼車輛有以下特點(diǎn):首批采用SUS301L 高強(qiáng)度不銹鋼材料,點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)輕量化車體結(jié)構(gòu);首次采用整體玻璃鋼車頭,不銹鋼骨架結(jié)構(gòu)(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(dá)到整體美觀的效果(見圖6) ;不銹鋼車體首次采用連續(xù)窗帶結(jié)構(gòu)(見圖5) ; 首次采用動(dòng)態(tài)線路圖報(bào)站顯示及緊急對(duì)講系統(tǒng)(見圖6) ; 國(guó)產(chǎn)車輛中首次采用A TO 、A TP 。

圖5 　天津?yàn)I海線不銹鋼軌道列車
　


圖6 　天津?yàn)I海線不銹鋼軌道列車客室布置
4 　不銹鋼車輛的特性與應(yīng)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(jié)構(gòu)的無涂裝、免維修與輕量化。無涂裝即在車輛新造及檢修時(shí)可以省略涂裝工序,從而縮短車輛在廠時(shí)間,同時(shí)可達(dá)到減少預(yù)備車的效果。車體結(jié)構(gòu)的免維修化,就是由于良好的耐腐蝕性,車體結(jié)構(gòu)幾乎不需要維修,因而削減了維修費(fèi)用。車輛輕量化的效益直接表現(xiàn)在降低運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)力費(fèi)用,間接表現(xiàn)在減少了軌道維護(hù)費(fèi)用。另外,輕量化導(dǎo)致同等動(dòng)力裝置運(yùn)轉(zhuǎn)性能提高, 從而縮短運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間或降低編組列車中的動(dòng)力比率。
不銹鋼的耐腐蝕能力特別強(qiáng)。不銹鋼車體結(jié)構(gòu)可以達(dá)到30 年不腐蝕,與碳鋼車比較,其維修費(fèi)用可大大降低;且輕量化不銹鋼車速度快,大大節(jié)省運(yùn)營(yíng)時(shí)間,可取得更多的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。