地铁车辆车体材料的选型分析.pdf

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1、技 术 装 备12MODERN URBAN TRANSIT1/2005现代城市轨道交通地铁车辆车体选用何种材料，不但影响车体的强度和刚度，直接关系车辆运行的安全性和乘客的舒适性，而且关系到车辆的载客能力和能耗大小，也关系到车辆检修工作量和使用寿命，并影响车辆采购费和运营维修费的高低。因此，选择地铁车辆车体材料时，不但要考虑车辆采购价格，还要考虑车辆长期运行时的运营和维修费用。本文对不锈钢和铝合金车体材料技术性能和经济性能进行比较分析，为地铁车辆车体材料的选择提供依据。1 国内外地铁车辆车体材料的状况目前，城市地铁车辆车体材料有普通钢(含耐候纲)、不锈钢和铝合金3 种材料。自1 8 6 3 年英

2、国伦敦建成世界上第一条地铁线以来，地铁车辆长期采用普通钢车体。因为普通钢车体强度低、重量大、能耗高、腐蚀重、维修量大、使用寿命短，自2 0 世纪5 0 年代开始，人们开始用不锈钢和铝合金取代普通钢车体。不锈钢是一种含镍铬的高强度合金钢，其强度是普通钢的 1倍以上，特别是轻量化不锈钢的强度可达到普通钢的 3倍，可使车体轻量化。不锈钢车体的耐腐蚀性优越，不但减少了维修工作量和维修费用，而且延长了车辆的使用寿命。因此，美国最早于2 0 世纪5 0 年代由巴德公司生产了不锈钢车。日本东急车辆公司于1 9 5 9 年末从美国引进不锈钢车体技术，1 9 6 2 年生产了日本最早的7 0 0 0 系全不锈钢

3、车，到2 0 0 0 年累计生产不锈钢车约 1 2 0 0 0 辆。加拿大庞巴迪拉柏卡尔夫工厂 1 9 8 2 1 9 9 2 年累计生产1 5 4 6 辆客车中，不锈钢车占 8 9%。韩国韩进重工业公司1 9 9 5 年生产了 2 5 0 辆客车，不锈钢车占8 0%。韩国汉城地铁5 号线和釜山地铁也采用了不锈钢车体。莫斯科地铁也采用了不锈钢车辆。我国长客厂 1 9 8 7年生产 2辆 R W 2型不锈钢客车，1 9 9 8 年又与韩国合作生产了3 0 辆不锈钢客车，2 0 0 2 年长客厂又中标承接了天津滨海快速轨道1 1 6 辆不锈钢车的生产任务。铝合金的比重只相当于普通钢的 1/3，弹性

4、模量也只有钢的 1/3，在保证车体同等强度下，车体自重最大可减轻 5 0%；而且铝合金的耐腐蚀性好，可以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。法国于1 8 9 6 年将铝合金用于铁道客车车窗上。1 9 0 5 年英国铁路电动车的外墙板采用了铝合金。美国在 1 9 2 3 1 9 3 2 年间有7 0 0 辆电动车和客车的侧墙和车顶采用铝合金。1 9 5 2年伦敦地铁、1 9 5 4 年加拿大多伦多地铁车辆均采用了铝合金车体。2 0 世纪6 0 年代以来，德国科隆、波恩铁路的市郊电动车组也相继实现了车体铝合金化。日本从 1 9 6 2 年的山阳地铁 2 0 0 0 系开始

5、采用铝合金车体，至1 9 9 9 年累计约 1 万辆。法国、德国、英国和俄罗斯等国在高速铁路车辆上都采用了铝合金车体。2 0 世纪9 0 年代以来，意大利米兰地铁、奥地利维也纳地铁以及新加坡地铁都采用了铝合金车辆。近年来，我国地铁车辆车体也采用了铝合金材料，上海地铁1 号、地铁车辆 车体材料的选型分析肖彦君杨润栋摘要：分析了国内外地铁车辆车体材料的发展历史、现状和趋势，比较了铝合金车体和不锈钢车体的技术性能差异，用经验法估算了铝合金车体和不锈钢车体寿命周期费用。建议地铁车辆采用不锈钢车体。关键词：地铁车辆；车体；材料；分析肖彦君：铁科院（北京）工程咨询有限公司，副总经理，研究员，北京 1 0

6、0 0 8 1技 术 装 备13现代城市轨道交通1/2005MODERN URBAN TRANSIT2 号线及明珠线，广州地铁1 号、2号及3 号线，深圳地铁1 号、4 号线，南京地铁 1号线等都采购了铝合金车体车辆。2 不锈钢车体和铝合金车体技术性能分析不锈钢车体和铝合金车体各有优点和缺点，应在确保安全可靠的前提下，结合地铁的特点和实际情况，进行技术性能和经济性的综合比较分析，再决策是采用不锈钢车体还是铝合金车体。2.1安全性不锈钢的熔点为 1 5 0 0，铝合金的熔点是6 6 0，铝合金的耐热性仅是不锈钢的4 4%。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

7、较而言，不锈钢车体骨架难以熔化。2 0 0 3 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，应选用不锈钢车体。2.2轻量化铝合金的比重为 2.7 1g/c m3，仅是不锈钢（7.8 5 g/c m3）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2 7 4 3 5 2N/m m2，而一般不锈钢抗拉强度 5 2 0 6 8 5N/m m2，采用超低碳（C 0.0 3%）轻量化不锈钢的抗拉强度达到 9 6 0 12 0

8、0N/m m2，是铝合金的2 5 倍。而且，铝合金刚度低，其弹性模量为 0.7 1 1 05N/m m2，是不锈钢（2.0 6 1 05N/m m2）的约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。为了提高铝合金车体断面系数，增大抗弯刚度，防止板材产生失稳，必须加大板厚，一般取钢板的1.4 倍，最小 2m m，最大壁厚达到 6.5m m。而 不 锈 钢 车 体 可 采 用 板 梁 组 合整体承载全焊结构，车体的梁柱板厚 0.8 3 m m，车体外板厚0.4 1.2m m，能有效地减轻车体自重，达到实现车体轻量化的目的。为充分保证地铁车辆不锈钢和

9、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 1 0 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 3 0%左右，铝合金车体可减轻自重 5 0%左右。因此，铝合金车体轻量化效果比不锈钢车体更明显些。2.3耐腐蚀性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，由于不锈钢含铬大于1 2%，使铁的电极电位由-0.5 6 V 突升至+0.2V，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，在制造过程中不用进行防腐保护，完工后也不需涂漆。为提高

10、车辆装饰性，可用彩色胶膜装修。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C l-），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。所以大部分铝合金车体都要涂漆。因此，不锈钢车体的耐腐蚀性比铝合金车体要好些。2.4工艺性地铁车辆用的是铬镍型奥氏体不锈钢，强度高，冷加工性能好，但不能用热处理强化。奥氏体不锈钢热膨胀系数是钢的 1.5倍，热传导率仅为钢的1/3，电阻率大。这些就决定了不锈钢车体从设计到制造比钢结构车更复杂，多采用搭接方式，使用过渡件。不锈钢

11、车体的焊接不能用电弧焊，为减少热量的输入，避免晶界腐蚀及热变形，需用水冷却在2 m i n 内降至室温，这就需要特殊的点焊机。由于不锈钢车体使用点焊工艺，车体的气密性较差，因而在高速车辆上使用受到限制。但对于低速的地铁、轻轨车辆是适用的。铝合金的焊接工艺复杂，手工操作难，容易产生较大的热应力、变形、裂纹和气孔，焊缝区域机械强度低于母材。但铝合金具有良好的塑性，采用现代铝挤压成型技术，大型中空铝合金型材组成的铝合金车体得到了很快发展。目前，大型中空铝合金型材的铝合金车体可以是整体焊接结构，利用自动焊机连续焊接；也可用模块化结构，采用特殊螺栓连接方式组合成铝合金车体。因此，铝合金车体和不锈钢车体虽

12、具有不同的工艺性能，但通过采用不同的工艺手段，都能实现批量化生产。3 不锈钢车体和铝合金车体的经济性分析用户对地铁车辆的要求是：在地铁车辆车体材料的选型分析肖彦君等技 术 装 备14MODERN URBAN TRANSIT1/2005现代城市轨道交通车辆使用期内安全可靠、低运营费和易于维修。用户是否够买这种车辆，不仅受到该车辆采购费的影响，而且还要受到车辆使用期内用户承担的运用费用和维修费用的影响。车辆采购费和运用维修费之和称为车辆寿命周期费用。因此，我们用车辆寿命周期费用的经验法来进行普通钢车体、不锈钢车体和铝合金车体的经济性分析。3.1采购费计算依据目前，国内城市轨道车辆进行招投标，车辆采

13、购费一般由车辆制造价格、备品备件、特殊工具、技术文件、设计联络、检验验收、培训、运输税费和保险等费用构成。根据近年来北京、上海、广州、深圳、南京、天津等城市地铁车辆和城轨车辆采购价格的分析，从表1 可知，铝合金的平均采购价格约是普通钢车的1.8 倍，不锈钢车的采购价格约是普通钢车的1.2 倍。日本是生产和运用不锈钢车和铝合金车数量多和时间长的国家，根据它们的统计分析（表2），铝合金车的采购价格是普通钢车的 1.6倍，不锈钢车的采购价格是普通钢车的1.1 倍。参照国内外的情况，在分析中采用铝合金车的采购价格是普通钢车的1.8 倍，不锈钢车的采购价格是普通钢车的1.2 倍。3.2能耗费计算依据普通

14、钢车以北京地铁复八线耐候钢车为例，从2 0 0 0 年6 月2 8 日正式开通投入运营以来，每年运营里程为 1 2 万 k m。根据每辆车的电能表记录，每辆车 百 公 里 平 均 耗 电1 7 5k W h。北京地铁复八线采用不锈钢电动车组的总重2 4 9.2t，比耐候钢电动车组轻 1 6.2t；采 用 铝合 金 电动车组的总重为2 3 8.4t，比耐候钢电动车组总重轻2 7 t。3.3维修费用计算依据车体超过 2 万美元，碳钢车体达到1 0 万美元以上。3.3.2北京地铁车辆维修费用定额北京地铁车辆现行的检修规程可分为列检、月修、定修、架修和厂修。列检：列车运行4 天进行一次检查；月修：列车

15、运行 1个月或 1万k m；定修：列车运行 1.5 年或1 3 1 5 万 k m；架修：列车运行 3年或2 7 3 0 万k m；厂修：列车运行 7 9 年或 7 2 9 0 万k m。在定修、架修和厂修中需要检修车体。根据地铁车辆的性能和运用状态，北京地铁公司制定了地铁车辆在不同修程中的维修费用定额。列检：每车百公里 8 元；月修：每辆车平均 2 4 0 元；定修：每辆车平均1.4 万元；架修：每辆车平均3.8 万元；厂修：每辆车平均 5 0 万元。3.4地铁车辆寿命周期费用计算按地铁车辆的表 1 各城市轨道交通车辆费用比较 项目名称 上海地铁 广州地铁 深圳 南京 天津 北京1 号线2

16、号线1 号线2 号线1、4 号线1 号线快轨线 复八线 车体材料铝合金 铝合金铝合金 铝合金 铝合金铝合金不锈钢 耐候钢 传动方式 斩波 交流 交流 交流 交流 交流 交流 交流 调压 传动 传动 传动 传动 传动 传动 传动车辆总数/辆 9 6 2 1 0 1 2 6 1 5 6 1 1 4 1 0 2 1 1 6 1 7 4每辆车费用/万美元 1 1 5 1 0 5 1 8 0 1 1 6 1 2 9 1 0 0 7 0 6 0表2 日本3 种车体的制造价格美元种 类钢车体不锈钢车体铝合金车体钢材 6 2 4 8 1 6 9 9 8 8不锈钢 4 3 0 12 1 0 4 5 0铝合金 0

17、 0 3 4 9 6 3焊接费用 1 4 6 4 4 8 6 2 1 4 3油漆1 2 6 7 9 3 4 8 6 1 4 5 0 0工时费5 4 6 4 35 8 2 8 6 8 0 1 4 3其它费用 6 3 4 7 6 8 0 0 1 0 5 4 7总费用8 5 6 8 29 1 8 0 21 4 2 3 8 43.3.1日本3 种车体维修费用维修费用的多少与车辆的性能、维修量、修程和维修效率以及物价水平有关。日本碳钢车体、铝合金车体与不锈钢车体的维修费用见图 1。从图1 可以看出：在2 0 年使用期内，不锈钢车体的维修费用最低，铝合金车体的维修费高于不锈钢车体，小于碳钢车体，碳钢车体的

18、维修费最高；特别是超过1 2 年后，碳钢车体和铝合金车体的维修费显著增加，在第2 0 年，不锈钢车体的维修费不到 1 万美元，铝合金地铁车辆车体材料的选型分析肖彦君等图1 日本3 种车体的维修费用（下转第 2 4 页）技 术 装 备24MODERN URBAN TRANSIT1/2005现代城市轨道交通栏开关”和“运行开关”，可自行操作护栏的收放和平台的运行。“运行开关”一般是点压式的，使用者只要一松手，平台就会停止运行。自助式操作方式的楼梯升降机，必须具备6.1 中3 种自动控制功能。（2）他助式操作。指由他人协助操作使用楼梯升降机。采用这种操作方式的楼梯升降机，在楼梯的上下端也都设置有专用

19、操作箱。操作箱上设有对讲机，需要使用升降机时，先要通过对讲机与现场管理人员取得联系，由管理人员到现场打开升降平台，协助使用者在平台上就位，然后用外接式运行控制器控制平台的运行。这种操作方式的楼梯升降机，在升降平台上设有钥匙开关，由管理人员掌握钥匙，现场开停升降机。2 种操作方式相比较，他助式操作安全性好，设备易于管理，广州地铁 2号线的楼梯升降机采用了这种操作方式，3 号、4 号线对楼梯升降机的设计也将采用这种操作方式。地铁2 号线楼梯升降机都具有上述3种自动控制功能。6.2操作方式（1）自助式操作。指由使用者自行操作、使用楼梯升降机。采用这种操作方式的楼梯升降机，在楼梯的上下端都设置有专用操

20、作箱，使用者只需按下操作箱上的“使用开关”，升降机运行至使用端，然后平台自动打开。升降平台上安装有“护7 设备的技术要求在楼梯升降机的使用设计中，应要求设备的制造和安装全面符合相关标准要求，同时还应结合实际工作环境和工作条件对设备的设计和制造提出必要的技术要求。（1）楼梯升降机具备如下必要的安全装置：安全钳与限速器、轮椅平台运行受阻保护装置、终端限位开关、运行安全联锁、行人警告装置、急停按钮、紧急操作装置。（2）对需要在露天工作的楼梯升降机，还应提出如下要求：机件应防锈，要求全部机械部件在露天具有足够的抗锈能力，一般应要求导轨（包括导轨支承柱）用不锈钢制造，紧固件采用高强度不锈钢，一般钢制件采

21、用高耐蚀处理（热镀锌、多层涂漆等）；电气件的外壳保护等级，应要求电控柜、电机等电气机件具有不小于I P 5 5 的外壳保护等级，以适应露天的工作条件。收稿时间 2 0 0 4-1 2-0 7楼梯升降机在地铁的选用设计饶美婉图8 齿轮齿条传动式升降机（上接第1 4 页）使用寿命为2 0 年计算，则得到普通钢车体、铝合金车体和不锈钢车体寿命周期费用结果（表 3）。结果表明：铝合金车辆寿命周期费用是普通钢车辆寿命周期费用的1.3 1 倍，是不锈钢车辆寿命周期费用的1.2 5 倍。如果按复八线需要1 7 4 辆车辆估算，铝合金车辆寿命周期费用达到2 5.5 4 亿元，比不锈钢车增加5.1 3 亿元。因

22、此，从车辆寿命周期费用分析看，复八线采用铝合金车辆是不经济的，主要原因是铝合车辆的采购费用高，占该车辆寿是较为经济的。4 结论通过上述分析，得出结论：不锈钢车体和铝合金车体都具有较好的耐腐蚀性和轻量化的优点，但不锈钢车体的安全性高于铝合金车体，不锈钢车体能更大程度减少人员的伤亡和火灾事故的损失，不锈钢车辆寿命周期费用比铝合金车辆寿命周期费用低。因此，采用不锈钢车体比铝合金车体更安全可靠且经济合理。收稿日期 2 0 0 4-0 8-2 3表3 地铁车辆寿命周期费用万元/辆项目名称普通钢车 铝合金车不锈钢车采购费用 4 9 6 8 9 3 5 9 5能耗费用 2 1 0 1 7 9 1 9 2维修

23、费用 4 1 6 3 9 6 3 8 6寿命周期费用 1 1 2 2 1 4 6 8 1 1 7 3命周期费用的 6 0%以上。不锈钢车辆的寿命周期费用与普通钢车的寿命周期费用相差不多。因此，采用普通钢车辆和不锈钢车辆ABSTRACTSModern Design Concept on Crash Safety of Urban Rail Vehicles Markus Seitzberger1The article presents the modern design concept and methods forcrash safety of subway and suburban trai

24、n,which reflects the engi-neering and technical practice popular in the present world as well asthe latest achievements attained in train passive safety technology.The paper also takes as examples several projects performed by Si-emens for the recent years,and moreover,provides basic requirements,de

25、sign methods and common tools for the design and validation pro-cess on crash safety of trains in modern urban transit.Discussion on Operating Intercity Trains on National RailwayLines Zhang Peng6The article analyzes the feasibility and necessity for the participa-tion of national railway in interci

26、ty mass transit,explores the involvedtransportation elements and puts forward the preliminary thoughtson research.Study on Integration of Railway Station and Metropolitan Traf-ficWei Fanghua,Liu Lan,Yaoqin9Grounded on the definition of the conception,the description ofthe mathematic model and the an

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37、s forth the coun-termeasures on successful application of key technologies as differ-ential settlement control of post and enclosure protection structureand rapid construction,etc.Research on Car Depot Distribution and Link Line Layout forTianjin SubwayZhang Ying35Taking Line 2 and Line 3 in the sec

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