于秀潔，呂永駿

（中國(guó)北車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司,長(zhǎng)春 130000）

0 引言

車體是地鐵車輛的主要承載結(jié)構(gòu)，它支撐于轉(zhuǎn)向架之上，保證旅客乘車安全。車體底架下部及車頂上部安裝電氣設(shè)備，構(gòu)成車輛主體。它需要承受各種動(dòng)靜載荷、各種震動(dòng)，并適應(yīng)100km/h左右的速度運(yùn)行；還要滿足隔音、隔熱、減震、防火等要求，確保在事故狀態(tài)下盡可能保證旅客安全。

1 鋁合金車體的介紹

車體的結(jié)構(gòu)組成根據(jù)所選用的材料略有不同，但是主要部件均是由底架、車頂、側(cè)墻（左右側(cè)各1個(gè)）、端墻等組成，其中帶有司機(jī)室的車輛前端設(shè)司機(jī)室。

車體需要有足夠的強(qiáng)度承受自重、載重、牽引力、橫向力、制動(dòng)力等載荷及作用力，其主要有底架承載、側(cè)壁承載、整體承載三種承載方式。一般根據(jù)應(yīng)用的材料，來(lái)選擇合適的承載方式。

鋁的密度大約只有鋼的1/3。鋁及鋁合金具有重量輕、耐腐蝕的特點(diǎn)，并且是熱和電的良導(dǎo)體，是一種優(yōu)點(diǎn)很多的材料。鋁合金按其添加合金元素的不同，可被分成從1000～7000系列的幾種類型。一般用于地鐵車輛的鋁合金材料主要是A1～Mg系(5000系)、A1～Mg～Si系(6000系)和A1～Zn～Mg系(7000 系)合金。

最初的鋁合金車體是將原來(lái)鋼制車輛的骨架與外板置換成焊接性能好的5000系合金，采用MIG焊接、MIG點(diǎn)焊與鉚接連接的結(jié)構(gòu)，隨著強(qiáng)度更高，焊接性能更優(yōu)的7000系合金的研制成功，底架部件中各種受力桿件廣為采用，使車體進(jìn)一步輕量化。但是此時(shí)的鋁合金車體仍然沿襲過(guò)去高耐候鋼、不銹鋼車體的模式，均是外板加骨架結(jié)構(gòu)，為了內(nèi)部設(shè)備安裝及底架下部設(shè)備安裝再加焊吊梁、吊架、二次骨架。隨著萬(wàn)噸乃至萬(wàn)噸級(jí)以上大型擠壓機(jī)的問(wèn)世，在7000系合金上實(shí)現(xiàn)了擠壓型材大型化，制成了外板與骨架一體化的寬幅擠壓型材車體。大幅度降低了部件數(shù)量及連接焊縫長(zhǎng)度，促進(jìn)了焊接自動(dòng)化。

板梁式鋁合金車體在結(jié)構(gòu)形式上類似于耐候鋼車體，但為了提高斷面系數(shù)，防止板材由于剪力產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，因此加大板厚(一般取鋼板的1.4倍，最薄用到2mm)。鋁合金車體的薄板焊接非常困難，技術(shù)水平要求高，而且變形大矯正困難，因此必須采用接觸焊。

開口型材將板、梁合成一體，簡(jiǎn)化了車體制造工藝，提高了質(zhì)量，但成本也相應(yīng)增加。鋁合金車體目前普遍采用的結(jié)構(gòu)是大型桁架式中空型材組焊式(一般采用自動(dòng)弧焊)。

大型中空型材組焊式車體制造時(shí)，只需將型材沿車體長(zhǎng)度方向?qū)舆B續(xù)自動(dòng)弧焊。由于車體零件數(shù)量少、焊接工作量少，且容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，大大降低了車體制造成本，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

2 鋁合金車體的特點(diǎn)

（1）是利用鋁的相對(duì)體積質(zhì)量約為普通鋼的1/3這一點(diǎn)來(lái)減輕車體自重。鋁合金車體的自重一般可達(dá)到普通鋼車體的1/2。

（2）鋁合金車體的弱點(diǎn)是鋁的縱彈性模量小，約為普通鋼的1/3，因而往往使車體剛度下降。一般鋁合金車體比普通鋼車體、不銹鋼車體的剛度都要小。這是鋁合金車體設(shè)計(jì)時(shí)加大板厚和盡量加大車體斷面以提高車體抗彎剛度的重要原因。

鋁合金車體的缺點(diǎn)：鋁合金車體的一個(gè)不盡人意之處就是耐腐蝕性能差，不能像不銹鋼那樣達(dá)到不用涂漆的程度。不涂漆的鋁合金車體雖然也有，但用過(guò)一段時(shí)間后，由于大氣中的腐蝕條件，表面總會(huì)出現(xiàn)面蝕、點(diǎn)蝕、變色，影響美觀，故大部分車都涂漆。

3 鋁合金車體的結(jié)構(gòu)形式及優(yōu)缺點(diǎn)

鋁車體結(jié)構(gòu)部件綜合運(yùn)用的鋁合金車體，中空型材、開口型材、板梁結(jié)構(gòu)綜合運(yùn)用的鋁合金車體，焊接方式、鉚接方式綜合運(yùn)用的鋁合金車體等等，各種鋁合金車體結(jié)構(gòu)及制造技術(shù)的綜合應(yīng)用，使鋁合金車體結(jié)構(gòu)達(dá)到最優(yōu)化。車體輕量化工作也取得較大的成績(jī)。下面介紹一下鋁合金車體的結(jié)構(gòu)形式及結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：

（1）開口型材側(cè)墻、車頂，板梁結(jié)構(gòu)端墻，中空型材底架。焊接車體；結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是重量輕、強(qiáng)度較好。

（2）鋼底架，板梁結(jié)構(gòu)側(cè)墻、車頂、端墻。焊接、鉚接綜合應(yīng)用車體；重量輕、強(qiáng)度較好、防火性能好。

（3）型材、板梁結(jié)構(gòu)綜合運(yùn)用，車體主體為焊接結(jié)構(gòu)。牽枕緩為鋼結(jié)構(gòu)并與底架鉚接；牽枕緩結(jié)構(gòu)尺寸空間小，為其它結(jié)構(gòu)讓出較大空間。

（4）型材為主體的鋁合金車體，焊接車體；施工方法單一，強(qiáng)度好。

4 保證鋁合金車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及壽命的分析與試驗(yàn)

車體結(jié)構(gòu)的有限元分析計(jì)算。車體幾何模型采用三維軟件建模，根據(jù)不同的強(qiáng)度要求對(duì)新設(shè)計(jì)的車體鋁結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜強(qiáng)度和剛度計(jì)算，確保車體強(qiáng)度滿足要求，在滿足車體強(qiáng)度、剛度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)車體的輕量化。

鋁合金型材的疲勞分析。通過(guò)試驗(yàn)得出不同材質(zhì)型材的疲勞應(yīng)力，來(lái)考慮車體鋁結(jié)構(gòu)不同位置所使用不同材質(zhì)的型材，以滿足要求。

鋁合金焊縫的疲勞分析。底架、側(cè)墻、車頂、端墻及其它主要結(jié)構(gòu)件的接口焊縫處經(jīng)過(guò)X射線探傷和著色滲透探傷檢查，對(duì)不合格的焊縫扣掉進(jìn)行重新焊接，以保證焊縫的質(zhì)量。

鋁合金車體的強(qiáng)度試驗(yàn)。車體生產(chǎn)完成之后應(yīng)對(duì)首輛不同車體進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，來(lái)驗(yàn)證整個(gè)車體是否滿足強(qiáng)度要求。

鋁合金車體的模態(tài)試驗(yàn)。為優(yōu)化車體鋁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，確保車體與其它振動(dòng)設(shè)備的安全可靠性，還需進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)。

鋁合金車體的剛度試驗(yàn)。應(yīng)對(duì)首輛不同車體進(jìn)行剛度試驗(yàn)，來(lái)驗(yàn)證整個(gè)車體是否滿足剛度要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前，在地鐵車輛鋁合金車體已全面鋪開應(yīng)用，已有多種鋁合金車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)技術(shù)，根據(jù)車輛對(duì)鋁合金車體的重量、尺寸大小、強(qiáng)度的不同要求，靈活采用單一的鋁合金車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造技術(shù)或同時(shí)采用多種鋁合金車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造技術(shù)，力求將各種鋁合金車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造技術(shù)的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮到最大化。鋁合金車體有待開發(fā)的領(lǐng)域和高間還很大，還需要積極去探索。

[1]鐵路應(yīng)用—鐵道車輛車體的結(jié)構(gòu)要求 第一部分[S].機(jī)車和客車BS EN12663-1,2010.

[2]鋁及鋁合金型材 第二部分[S].力學(xué)性能 BS EN755-2,2008.

[3]鋁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-第1-1部分[S].結(jié)構(gòu)總規(guī)則 BS EN1999-1-1,2007.