地鐵車輛車體材料的選型分析

1、地鐵車輛車體材料的選型分析肖彥君楊潤棟不銹鋼客車，1998 年又與韓國合作生產(chǎn)了 30輛不銹鋼客車，2002年長 客廠又中標(biāo)承接了天津濱?？焖佘?道 116 輛不銹鋼車的生產(chǎn)任務(wù)。鋁合金的比重只相當(dāng)于普通鋼 的 1/3，彈性模量也只有鋼的 1/3， 在保證車體同等強度下，車體自重 最大可減輕 50%；而且鋁合金的耐 腐蝕性好，可以延長車輛的使用壽 命。因此，許多國家都在積極開發(fā)和 生產(chǎn)鋁合金車。法國于 1896 年將鋁 合金用于鐵道客車車窗上。1905 年 英國鐵路電動車的外墻板采用了鋁 合金。美國在 19231932 年間有700 輛電動車和客車的側(cè)墻和車頂 采用鋁合金。1952 年倫敦地鐵

2、、1954年加拿大多倫多地鐵車輛均采 用了鋁合金車體。20世紀(jì) 60年代以 來，德國科隆、波恩鐵路的市郊電動 車組也相繼實現(xiàn)了車體鋁合金化。 日本從 1962 年的山陽地鐵 2000 系 開始采用鋁合金車體，至 1999 年累 計約 1 萬輛。法國、德國、英國和俄 羅斯等國在高速鐵路車輛上都采用 了鋁合金車體。20世紀(jì)90年代以來， 意大利米蘭地鐵、奧地利維也納地 鐵以及新加坡地鐵都采用了鋁合金 車輛。近年來，我國地鐵車輛車體也 采用了鋁合金材料，上海地鐵 1 號、地鐵車輛車體選用何種材料，不但影響車體的強度和剛度，直接 關(guān)系車輛運行的安全性和乘客的舒 適性，而且關(guān)系到車輛的載客能力 和能耗大

3、小，也關(guān)系到車輛檢修工 作量和使用壽命，并影響車輛采購 費和運營維修費的高低。因此，選擇 地鐵車輛車體材料時，不但要考慮 車輛采購價格，還要考慮車輛長期 運行時的運營和維修費用。本文對 不銹鋼和鋁合金車體材料技術(shù)性能 和經(jīng)濟性能進行比較分析，為地鐵 車輛車體材料的選擇提供依據(jù)。自 20世紀(jì) 50年代開始，人們開始用不銹鋼和鋁合金取代普通鋼車體。 不銹鋼是一種含鎳鉻的高強度 合金鋼，其強度是普通鋼的 1 倍以 上，特別是輕量化不銹鋼的強度可 達(dá)到普通鋼的 3 倍，可使車體輕量 化。不銹鋼車體的耐腐蝕性優(yōu)越，不但減少了維修工作量和維修費用， 而且延長了車輛的使用壽命。因此， 美國最早于20世紀(jì)50

4、年代由巴德公 司生產(chǎn)了不銹鋼車。日本東急車輛 公司于1959年末從美國引進不銹鋼 車體技術(shù)，1962 年生產(chǎn)了日本最早 的 7000系全不銹鋼車，到2000年累 計生產(chǎn)不銹鋼車約 12 000 輛。加拿 大龐巴迪拉柏卡爾夫工廠 1982 1992年累計生產(chǎn)1 546輛客車中，不 銹鋼車占 89%。韓國韓進重工業(yè)公 司 1995 年生產(chǎn)了 250 輛客車，不銹 鋼車占 80%。韓國漢城地鐵 5號線和 釜山地鐵也采用了不銹鋼車體。莫 斯科地鐵也采用了不銹鋼車輛。我 國長客廠 1987 年生產(chǎn) 2 輛 RW2 型1國內(nèi)外地鐵車輛車體材料的狀況目前，城市地鐵車輛車體材料有普通鋼(含耐候綱)、不銹鋼和鋁

5、 合金 3 種材料。自 1863 年英國倫敦 建成世界上第一條地鐵線以來，地 鐵車輛長期采用普通鋼車體。因為 普通鋼車體強度低、重量大、能耗 高、腐蝕重、維修量大、使用壽命短，肖彥君：鐵科院（北京）工程咨詢 ，副總經(jīng)理，研究員，北京 100081摘 要：分析了國內(nèi)外地鐵車輛車體材料的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀和趨勢， 比較了鋁合金車體和不銹鋼車體的技術(shù)性能差異，用經(jīng)驗法估算了 鋁合金車體和不銹鋼車體壽命周期費用。建議地鐵車輛采用不銹鋼 車體。關(guān)鍵詞：地鐵車輛；車體；材料；分析2 號線及明珠線，廣州地鐵 1 號、2號及 3 號線，深圳地鐵 1 號、4號線， 南京地鐵 1 號線等都采購了鋁合金車體車輛。夠的承

6、載強度和剛度，鋁合金車輛必須采用大型中空型材及其組合件。 為了提高鋁合金車體斷面系數(shù)，增 大抗彎剛度，防止板材產(chǎn)生失穩(wěn)，必 須加大板厚，一般取鋼板的 1.4 倍， 最小 2 mm，最大壁厚達(dá)到 6.5 mm。 而不銹鋼車體可采用板梁組合 整體承載全焊結(jié)構(gòu) ，車體的梁柱 板厚 0.83 mm，車體外板厚 0.41.2 mm，能有效地減輕車體自重， 達(dá)到實現(xiàn)車體輕量化的目的。為充分保證地鐵車輛不銹鋼和 鋁合金車體的強度和剛度，根據(jù)國 內(nèi)外地鐵車輛車體采用不銹鋼和鋁 合金的實踐經(jīng)驗，地鐵車輛耐候鋼 車體自重約910 t ，不銹鋼車體自 重約67 t ，鋁合金車體自重約45 t。如果以耐候鋼車體自重為

7、基 準(zhǔn)，則不銹鋼車體可減輕自重 30% 左右，鋁合金車體可減輕自重 50% 左右。因此，鋁合金車體輕量化效果 比不銹鋼車體更明顯些。2.3 耐腐蝕性不銹鋼和鋁合金車體都具有 較好的耐腐蝕性， 但不銹鋼車體 比鋁合金車體更優(yōu)越，由于不銹 鋼含鉻大于 12%，使鐵的電極電位 由 -0.56 V 突升至 +0.2 V，使原電 池腐蝕不易發(fā)生，這就顯著提高了 不銹鋼車體的耐腐蝕性，在制造過 程中不用進行防腐保護，完工后也 不需涂漆。為提高車輛裝飾性，可用 彩色膠膜裝修。鋁合金車體的耐腐蝕性是由于 在空氣中鋁合金表面形成一層致密 的三氧化二鋁保護膜而具有很好的 防腐蝕能力。但鋁合金車體在長期 運用中，特

8、別是在潮濕的環(huán)境下，遇 到空氣介質(zhì)中的陰離子（如Cl- ），就 會產(chǎn)生局部原電池，發(fā)生點蝕、面蝕和變色，影響車體強度和美觀。所以大部分鋁合金車體都要涂漆。因此， 不銹鋼車體的耐腐蝕性比鋁合金車 體要好些。2.4 工藝性地鐵車輛用的是鉻鎳型奧氏體 不銹鋼，強度高，冷加工性能好，但 不能用熱處理強化。奧氏體不銹鋼 熱膨脹系數(shù)是鋼的 1.5 倍，熱傳 導(dǎo)率僅為鋼的 1/3，電阻率大。這些 就決定了不銹鋼車體從設(shè)計到制造 比鋼結(jié)構(gòu)車更復(fù)雜，多采用搭接方 式，使用過渡件。不銹鋼車體的焊接 不能用電弧焊，為減少熱量的輸入， 避免晶界腐蝕及熱變形，需用水冷 卻在 2 min內(nèi)降至室溫，這就需要特 殊的點焊機

9、。由于不銹鋼車體使用 點焊工藝，車體的氣密性較差，因而 在高速車輛上使用受到限制。但對 于低速的地鐵、輕軌車輛是適用的。鋁合金的焊接工藝復(fù)雜，手工 操作難，容易產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力、 變形、裂紋和氣孔，焊縫區(qū)域機械 強度低于母材。但鋁合金具有良好 的塑性，采用現(xiàn)代鋁擠壓成型技 術(shù)，大型中空鋁合金型材組成的鋁 合金車體得到了很快發(fā)展。目前， 大型中空鋁合金型材的鋁合金車體 可以是整體焊接結(jié)構(gòu)，利用自動焊 機連續(xù)焊接 ；也可用模塊化結(jié)構(gòu)， 采用特殊螺栓連接方式組合成鋁合 金車體。因此，鋁合金車體和不銹鋼車 體雖具有不同的工藝性能，但通過 采用不同的工藝手段，都能實現(xiàn)批 量化生產(chǎn)。2不銹鋼車體和鋁合金車

10、體技術(shù)性能分析不銹鋼車體和鋁合金車體各有優(yōu)點和缺點，應(yīng)在確保安全可靠的 前提下，結(jié)合地鐵的特點和實際情 況，進行技術(shù)性能和經(jīng)濟性的綜合 比較分析，再決策是采用不銹鋼車 體還是鋁合金車體。2.1 安全性不銹鋼的熔點為 1 500，鋁合 金的熔點是 660，鋁合金的耐熱性 僅是不銹鋼的 44%。在發(fā)生嚴(yán)重火災(zāi) 情況下，鋁合金車體將會很快熔化 掉，帶來可怕的災(zāi)難性后果。相比較 而言，不銹鋼車體骨架難以熔化。2003 年 9 月莫斯科地鐵火災(zāi)事故中， 車體鋼骨架雖變形，但沒有熔化掉。 莫斯科地鐵和紐約地鐵車輛至今不用 鋁合金車體。因此，從乘客和設(shè)備安 全性出發(fā)，為減少人員的傷亡和火災(zāi) 事故的損失，應(yīng)選

11、用不銹鋼車體。2.2 輕量化鋁合金的比重為 2.71 g/cm3 ， 僅是不銹鋼（7.85 g/cm3 ）的 1/3， 從理論上講，鋁合金材料更能使車 體輕量化。但是，鋁合金的抗拉強度 不如不銹鋼，鋁合金抗拉強度274352 N/mm2 ，而一般不銹鋼抗拉強 度 520 685 N/mm2 ，采用超低碳（C<0.03%）輕量化不銹鋼的抗拉強 度達(dá)到 9601 200 N/mm2 ，是鋁合 金的 25倍。而且，鋁合金剛度低， 其彈性模量為 0.71 × 10 5 N/mm2 ， 是不銹鋼（2.06 × 105 N/mm2 ）的 約 1/3。因此，為保證地鐵車輛有足3不銹

12、鋼車體和鋁合金車體的經(jīng)濟性分析用戶對地鐵車輛的要求是：在13現(xiàn)代城市軌道交通1 / 2005 MODERNURBAN TRANSIT圖 1 日本 3 種車體的維修費用車輛使用期內(nèi)安全可靠、 低運營 費和易于維修。用戶是否夠買這種 車輛，不僅受到該車輛采購費的影 響，而且還要受到車輛使用期內(nèi)用 戶承擔(dān)的運用費用和維修費用的影 響。車輛采購費和運用維修費之 和稱為車輛壽命周期費用。因此， 我們用車輛壽命周期費用的經(jīng)驗 法來進行普通鋼車體、不銹鋼車 體和鋁合金車體的經(jīng)濟性分析。3.1 采購費計算依據(jù)目前，國內(nèi)城市軌道車輛進行 招投標(biāo)，車輛采購費一般由車輛制 造價格、備品備件、特殊工具、技術(shù) 文件、設(shè)

13、計聯(lián)絡(luò)、檢驗驗收、培訓(xùn)、 運輸稅費和保險等費用構(gòu)成。根據(jù)近年來北京、上海、廣州、 深圳、南京、天津等城市地鐵車輛和 城軌車輛采購價格的分析，從表1可 知，鋁合金的平均采購價格約是普 通鋼車的1.8倍，不銹鋼車的采購價 格約是普通鋼車的1.2倍。日本是生產(chǎn)和運用不銹鋼車和 鋁合金車數(shù)量多和時間長的國家， 根據(jù)它們的統(tǒng)計分析（表 2），鋁合 金車的采購價格是普通鋼車的 1.6 倍，不銹鋼車的采購價格是普通鋼 車的1.1倍。參照國內(nèi)外的情況，在分析中 采用鋁合金車的采購價格是普通鋼車的1.8倍，不銹鋼車的采購價格是普通鋼車的1.2倍。3.2 能耗費計算依據(jù)普通鋼車以北京地鐵 復(fù)八線耐候鋼車為例，從2

14、000年6月28日正式開通 投入運營以來，每年運營 里程為 12 萬 km。根據(jù)每 輛車的電能表記錄，每輛 車百公里平均耗電 175 kW·h 。 北京地鐵復(fù)八線采用不銹鋼電動車組的總重 249.2 t ，比耐候鋼電動 車組輕 16.2 t ；采用鋁 合金 電動車組的總重為238.4 t，比耐候鋼電動車 組總重輕 27 t。3.3 維修費用計算依據(jù)3.3.1 日本3種車體維修費用表 2日本 3 種車體的制造價格美元維修費用的 多少與車輛的性 能、維修量、修程和維修效率以及 物價水平有關(guān)。日本碳鋼車體、鋁 合金車體與不銹鋼車體的維修費用 見圖 1。從圖 1 可以看出 ：在 20 年 使

15、用期內(nèi)，不銹鋼車體的維修費用 最低，鋁合金車體的維修費高于不 銹鋼車體，小于碳鋼車體，碳鋼車 體的維修費最高；特別是超過12年 后，碳鋼車體和鋁合金車體的維修 費顯著增加，在第 20 年，不銹鋼車 體的維修費不到 1 萬美元，鋁合金車體超過 2 萬美元，碳鋼車體達(dá)到10 萬美元以上。3.3.2 北京地鐵車輛維修費用定額 北京地鐵車輛現(xiàn)行的檢修規(guī)程可分為列檢、月修、定修、架修和廠 修。列檢：列車運行4天進行一次檢 查；月修：列車運行 1 個月或 1 萬 km ；定修：列車運行 1.5 年或 1315 萬 k m ；架修：列車運行 3 年或2730 萬 km；廠修：列車運行 79 年或 7290

16、萬 km。在定修、架修 和廠修中需要檢修車體。根據(jù)地鐵車輛的性能和運用狀 態(tài)，北京地鐵公司制定了地鐵車輛 在不同修程中的維修費用定額。列 檢：每車百公里 8 元；月修：每輛 車平均 240 元；定修：每輛車平均1.4 萬元；架修：每輛車平均 3.8萬 元；廠修：每輛車平均 50 萬元。3.4 地鐵車輛壽命周期費用計算按地鐵車輛 的（下轉(zhuǎn)第 24 頁）表 1 各城市軌道交通車輛費用比較14現(xiàn)代城市軌道交通MODERNURBAN TRANSIT 1 / 2005項目名稱上海地鐵廣州地鐵深圳1、4 號線南京1 號線天津快軌線北京復(fù)八線1 號線2 號線1 號線2 號線車體材料傳動方式 車輛總數(shù) / 輛

17、每輛車費用 / 萬美元鋁合金斬波 調(diào)壓96115鋁合金交流 傳動210105鋁合金交流 傳動126180鋁合金交流 傳動156116鋁合金交流 傳動114129鋁合金交流 傳動102100不銹鋼交流 傳動11670耐候鋼交流 傳動17460種 類鋼車體不銹鋼車體鋁合金車體鋼材6 2481 69988不銹鋼4 30121 0450鋁合金0034 963焊接費用1 4644862 143油漆12 6793 48614 500工時費54 64358 28680 143其它費用6 3476 80010 547總費用85 68291 802142 384圖8 齒輪齒條傳動式升降機欄開關(guān)”和“運行開關(guān)”，

18、可自行操作護欄的收放和平臺的運行?！斑\行 開關(guān)”一般是點壓式的，使用者只要 一松手，平臺就會停止運行。自助式 操作方式的樓梯升降機，必須具備6.1 中 3種自動控制功能。（2）他助式操作。指由他人協(xié) 助操作使用樓梯升降機。采用這種 操作方式的樓梯升降機，在樓梯的 上下端也都設(shè)置有專用操作箱。操 作箱上設(shè)有對講機，需要使用升降 機時，先要通過對講機與現(xiàn)場管理 人員取得聯(lián)系，由管理人員到現(xiàn)場 打開升降平臺，協(xié)助使用者在平臺 上就位，然后用外接式運行控制器 控制平臺的運行。這種操作方式的 樓梯升降機，在升降平臺上設(shè)有鑰 匙開關(guān)，由管理人員掌握鑰匙，現(xiàn)場 開停升降機。2種操作方式相比較，他助式操 作安

19、全性好，設(shè)備易于管理，廣州地 鐵 2 號線的樓梯升降機采用了這種 操作方式，3 號、4 號線對樓梯升降 機的設(shè)計也將采用這種操作方式。7設(shè)備的技術(shù)要求在樓梯升降機的使用設(shè)計中，應(yīng)要求設(shè)備的制造和安裝全面符合 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，同時還應(yīng)結(jié)合實際 工作環(huán)境和工作條件對設(shè)備的設(shè)計 和制造提出必要的技術(shù)要求。（1）樓梯升降機具備如下必要 的安全裝置：安全鉗與限速器、 輪 椅平臺運行受阻保護裝置、終端限 位開關(guān)、運行安全聯(lián)鎖、行人警告裝 置、急停按鈕、緊急操作裝置。（2）對需要在露天工作的樓梯 升降機，還應(yīng)提出如下要求 ：機 件應(yīng)防銹，要求全部機械部件在露 天具有足夠的抗銹能力，一般應(yīng)要 求導(dǎo)軌（包括導(dǎo)軌支

20、承柱）用不銹鋼 制造，緊固件采用高強度不銹鋼，一 般鋼制件采用高耐蝕處理（熱鍍鋅、 多層涂漆等）；電氣件的外殼保 護等級，應(yīng)要求電控柜、電機等電氣 機件具有不小于IP55的外殼保護等 級，以適應(yīng)露天的工作條件。收稿時間 2004-12-07地鐵2號線樓梯升降機都具有上述3種自動控制功能。6.2 操作方式（1）自助式操作。指由使用者 自行操作、使用樓梯升降機。采用這 種操作方式的樓梯升降機，在樓梯 的上下端都設(shè)置有專用操作箱，使 用者只需按下操作箱上的“使用開 關(guān)”，升降機運行至使用端，然后平臺自動打開。升降平臺上安裝有“護（上接第 14 頁）使用壽命為 20 年計算，則得到普通鋼車體、鋁合金車

21、 體和不銹鋼車體壽命周期費用結(jié)果（表 3）。 結(jié)果表明：鋁合金車輛壽命周期費用是普通鋼車輛壽命周期費用 的 1.31 倍，是不銹鋼車輛壽命周期費用的 1.25 倍。如果按復(fù)八線需要174輛車輛估算，鋁合金車輛壽命周 期費用達(dá)到25.54億元，比不銹鋼車 增加 5.13 億元。因此，從車輛壽命 周期費用分析看，復(fù)八線采用鋁合 金車輛是不經(jīng)濟的，主要原因是鋁 合車輛的采購費用高，占該車輛壽命周期費用的 60% 以是較為經(jīng)濟的。4結(jié)論通過上述分析，得出結(jié)論：不銹鋼車體和鋁合金車體都具有較好的耐 腐蝕性和輕量化的優(yōu)點，但不銹鋼車 體的安全性高于鋁合金車體，不銹鋼 車體能更大程度減少人員的傷亡和火 災(zāi)事

22、故的損失，不銹鋼車輛壽命周期 費用比鋁合金車輛壽命周期費用低。 因此，采用不銹鋼車體比鋁合金車體 更安全可靠且經(jīng)濟合理。收稿日期 2004-08-23表3 地鐵車輛壽命周期費用萬元 / 輛上。不銹鋼車輛的壽命周期費用與普通鋼車 的壽命周期費用相差 不多。因此，采用普通 鋼車輛和不銹鋼車輛24現(xiàn)代城市軌道交通MODERNURBAN TRANSIT 1 / 2005項目名稱普通鋼車鋁合金車不銹鋼車采購費用能耗費用 維修費用 壽命周期費用4962104161 1228931793961 4685951923861 173ABSTRACTSModern Design Concept on Crash

23、Safety of Urban Rail Vehicleshandicappeds in subway station from such aspects as type, function,structu re, technical parameters, d rive and traction mode, op eration and communication mode and main technical requirements, etc.Markus Seitzberger1The article presents the modern design concept and met

24、hods forcrash safety of subway and suburban train, which reflects the engi- neering and technical practice popular in the present world as well as the latest achiev ements attained in train passive safety techn ology. The paper also takes as examples several projects performed by Si- emens for the r

25、ecent years, and moreover, provides basic requirements, design methods and common tools for the design and validation pro- cess on crash safety of trains in modern urban transit.Equip ment and Technolog y of Brid ge Launch ing of Ch annelGirder for Urban RailZhang Zhiying25JQ350C auxiliary nose-gird

26、er type channel girder launching ma-chin e and channel girder carrier have b een dev eloped for channel girder viaduct, by using which the channel girder with a span of 25m and less can be erected.Discussion on Operating Intercity Trains on National RailwayDesign of 30m Simply Supported Channel Gird

27、er in ElevatedSection of Line 6 for Shanghai Rail TransitLinesZhang Peng6The article analyzes the feasibility and necessity for the participa-tion of national railway in intercity mass transit, explores the involved transportation elements and puts forward the preliminary thoughts on research.Wen Zh

28、iyun Liu Lan28The article summarizes the design of 30m simply supported chan-nel girder in the elevated section of Line 6 for Shanghai rail transit, presents as emphasis the plane calculation analysis and the calcula- tion analy sis with three-d imen sion al solid mod el for the chann el girder, as

29、well as the brief introduction of construction scheme.Study on Integration of Railway Station and Metropolitan Traf-ficWei Fanghua, Liu Lan, Yaoqin9Grounded on the definition of the conception, the description ofthe m athematic model and the analy sis of th e flow, this article ex- pounds the integr

30、ation of the railway entering into metropolitan inte- grative traffic and transport system, and discu sses the realistic ex- ample of the C hengdu railway piv ot participating in metropo litan traffic.Co nstru ction an d Tech no log ies of C ut and C over S eq uen ceMethod for Subway Station on Soft

31、 ClayGao Jinlin Wang Yongxin31The article presents the structure design, construction procedure,earth cutting and support installation technology of cut and cover sequence method that takes the roof as the road surface system in the case of the construction of Yanjizhonglu Station, sets forth the co

32、un- termeasures on successful application of key technologies as differ- ential settlement control of post and en closure pro tection structure and rapid construction, etc.Analysis on Selection of Bodyshell Material for Subway VehiclesXiao Yanjun Yang Rundong12The article compares the differences in

33、 technical p roperties be-tween aluminum alloy bo dyshell an d stainless steel bodyshell, as- sesses with empirical method the life cycle cost for the two types of bodyshell as mentioned above, and suggests that th e stainless steel bodyshell be adopted for subway vehicles.Research on Car Depot Dist

34、ribution and Link Line Layout forTianjin SubwayZhang Ying35Taking Lin e 2 and Line 3 in th e second-phased Tian jin subwayproject as examples, the article carries out research on the distribu- tio n of car dep ots fo r work shop repair and in termed iate repair, as well as the layout of link line, f

35、or Chinese cities using as reference in their planning of rail transit network.Brake Test and Inspection System of Beijing Subway VehiclesHan Dongqing15The article presents the key technologies and the main principlesof the test and inspection system for brakes on subway vehicles, with which the ins

36、pection level on braking devices of homemade subway vehicles can be improved and the on-line dynamic test on braking system can be realized.Application of Centrifugal Ductile Cast Iron Pipe in ShenzhenSubwayBi Xiangyu38The article presents the design, material preparation, and the keypoints and expe

37、riences in the installation of centrifugal ductile cast iron pipe in Shenzhen subway project of the first phase work.Analysis of Configuration of DC 1500V 24 Pulse Rectifiers Usedfor Urban TransitTian Shengli18This article presents the influence of the different configuration ofthe major elements and devices o