城市轨道车辆不锈钢车体的研发
摘 要 介绍了城轨车辆轻量化不锈钢车体的发展、研制概况,及其车辆外板、骨架结构及不锈钢材的特点。以天津滨海线不锈钢车的研发实例,介绍了该类车的主要技术指标及关键技术。车体结构的无涂装、免维修、轻量化及耐腐蚀能力强等特点,使不锈钢车辆具有广阔的应用前景。
关键词 电动车组,不锈钢车体,车辆设计
1 轻量化不锈钢车辆的发展概况
1. 1 日本轻量化不锈钢车体的开发过程
为了车辆的轻量化与免维修,日本对车辆结构使用不锈钢问题进行了研究分析。1959 年末,东急车辆公司与美国巴德公司进行了技术合作,为生产以不锈钢车体为主要结构的车辆迈出了一大步。
在当时,日本没有合适的结构用不锈钢材,美国也是采用巴德公司独自研究开发作为铁道车辆用的不锈钢;东急车辆公司与日本不锈钢厂家协作,进行了高抗拉强度不锈钢(SUS301L) 的开发、试制及其材料加工技术的研究。与此同时,研究了以点焊方法进行不锈钢结构制造,于1962 年完成了除底架的一部分(端底架) 之外,其他结构部件或外板等均采用不锈钢制造的东急电铁7000 系。这就是当今称为全不锈钢车的首辆车。这种全不锈钢车辆,私铁及国铁共计生产了约100 辆。这些车辆与迄今为止的钢制车辆比较,质量轻2 t ,车体结构几乎不需要补修(见图1) 。
1973 年,由于受到石油危机的影响,日本在铁道车辆领域也强烈呼吁制造节能车辆,对于不锈钢车辆要求进一步轻量化。在此期间,采用了有限元法对铁道车辆车体结构进行强度分析。最初是以二维解析(平面解析) 为主进行强度分析,垂直载荷几乎全由侧墙结构负担。这种解析方法虽然有效,但对扭转载荷的分析或横向变形量的计算等不适用。为此,探讨了采用三维解析(立体解析) 方法,并于1975 年采用美国波音公司开发的有限元法 三维解析程序(ASTRA) 。据此,对由于扭转载荷引起的强度及位移或横向位移量等,均可进行较高可靠度的分析。在上述方法的基础上,东急车辆公司于1976 年成立了轻型不锈钢车辆开发设计组,将下列3 点定为开发目标: ① 车体结构质量与铝合金车相当; ②价格和普通碳钢车一样; ③ 与原有不锈钢车辆具有同等以上的强度和刚度。
轻型不锈钢车辆的开发,始终是以试制方式进行的:先从最轻且简单的结构试制开始,反复进行结构分析与强度试验,依次补强薄弱部分,以求得最终结构;用二维解析方法决定简单结构后,再用三维解析方法进行确认,若有强度、刚度不足部分,进行再计算、确认。这样反复进行多次。
1977 年2 月完成了第一阶段的试制车车体结构。在重新了解结构分析上存在的问题之后,试制了车体结构,但试验时仍发现强度、刚度不足,必须进行补强或结构修改。根据强度分析,对试制结构进行补强,通过强度试验加以确认。到1977 年11 月,终于试制出达到目标要求的车体结构,其间进行了40 多次强度分析、7 次强度试验。之后着手设计、生产轻型不锈钢车辆的实用试验车。1978 年完成了2 辆东急电铁8400 型。该车车体结构质量为6 t , 实现了比普通碳钢车轻4 t 、比原有不锈钢车轻2 t 的目标,成为首批不锈钢节能车。
轻型不锈钢车辆除了在东急电铁东横线上进行营运调试外,在设计的细节方面,如生产设备、不锈钢材等,都进行了重新考虑。1979 年末,开始生产东急电铁8090 系车辆。该车安装的设备与原有技术资料
8000 系几乎相同,但车体结构减轻2 t 。1980 年末, 制造了正式的轻型不锈钢车辆,车体结构设计则采用新型骨架或接头,并将原有波纹外板改成由加长刚性肋(压筋) 加工的平外板。其间,日本国铁也进行了轻型不锈钢车辆的研究,于1985 年完成了205 系轻型不锈钢车辆,继而于1986 年大量生产了211 系、415 系等车辆(见图2) 。
图1 不锈钢车辆的车体结构
图2 轻型不锈钢车辆的车体结构
新一代不锈钢车辆车体结构与205 系相比,其底架及车体是以原有轻型不锈钢车体结构为基础, 但其外墙板为自动点焊,或对外板补强后的形状与布置加以改进,避免了补强筋突出,改为平板外表面;车体结构骨架比205 系更易于作业,部件件数约减少到2/ 3 。结构体的组装方法是,在外部周围点焊焊接各结构体的结合部分,以抑制外板的应变,并提高了精度。1992 年3 月,批量生产的先期试制车901 系为10 辆编组。该列车车体质量为5. 3 t , 比205 系约轻了1 t 。1993 年诞生了新一代通勤电动车209 系,后来又发展了E217 系、E213 系(见图3) 。
图3 新一代不锈钢车辆的车体结构
1. 2 我国长客厂不锈钢车体的发展概况
长春客车厂从1995 年开始进入不锈钢车体的研制阶段,首先与韩进公司联合开发轻量化不锈钢车辆30 辆,运用于我国南方衡广铁路。经过六七年的实际运营考核,证明该不锈钢车比碳钢车具有重量轻、耐腐蚀等明显的优势。在今后的车辆市场中, 不锈钢和铝合金车体将占主导地位。对于速度在200 km/ h 以上的车辆,适合用铝合金车体;但对于100～160 km/ h 的客车,则适合用不锈钢车体。尤其对于地铁客车、城市轨道客车更适合用不锈钢车体;对于海洋性气候(空气潮湿) 、高原地区,耐腐蚀性的不锈钢车体更具有优势。
长春客车厂在2000 年开始对不锈钢车体进行第二阶段的研制:对日本的SUS301L 系列不锈钢和点焊结构进行更透彻地消化、吸收;先后对日本、韩国的不锈钢车进行剖析,聘请日本专家进行全程指导、讲课;在2002 年初,该厂吸收日本技术制造出了全新的点焊结构轻量化不锈钢车体。在此基础上, 又生产出4 辆北京城铁不锈钢车辆,从而使不锈钢车辆的研制进入一个全新阶段。
在以上不锈钢车的研制基础上,长春客车厂又设计、生产了天津滨海快速轨道交通工程车辆(轻量化点焊结构不锈钢车体) 。该车也是鼓形车体整体点焊结构,除端底架用碳钢外,其余主要承载部分都是采用SUS301L 系列的HT 、M T 、DL T 、L T 钢材。由于该车车体的纵向压缩载荷为800 kN(车钩冲击座处),拉伸载荷为640 kN(车钩冲击座处),这给结构设计带来很大难度。经过反复论证计算、试验,最后终于做出了符合强度要求的轻量化不锈钢车辆。
2 轻型不锈钢车辆的特征
2. 1 外板
不锈钢的导热率极小,所以发生热应变较大。因此,过去制造的不锈钢车辆,为使其热应变不致太明显,多将侧墙外板做成波纹结构。但是,许多用户提出波纹结构难以清扫的意见。在强度方面,波纹结构板在纵向和横向虽有刚性,但在剪切方向则较弱,因此在需要传递剪切力的地方必须另设剪切板。
由此得知,在强度方面,平板结构较好,在质量方面也有利。加工平板时的问题是如何改善热应变后的美观。考虑的办法是采用在一定间隔内设刚性肋的外板。起初是以冲压加工成型刚性肋,端部采用填料与密封材处理的方法。
2. 2 骨架结构
在试制之初,只是把钢制车的骨架换成不锈钢的结构,仅根据部位不同使用不同高度的乙型材或帽型材,因此骨架材的接头接合很复杂。在设计轻型不锈钢车辆时,最困难的就是骨架构成。在反复进行强度分析后得知,乙型材由于是开口截面,加载后易产生扭曲,难以充分传递载荷。因此,考虑以箱型截面与外板组合。箱型截面对于横向载荷非常有效,骨架的板材厚度也可降低为1. 2 mm 。为了进一步轻量化,采用的板厚为1 mm 。另外,骨架的高度将侧墙、车顶结构均统一为40 mm , 使之与平板的接头在同一平面上结合。这种结构易于传递载荷。
各柱或梁杆件采用抗拉强度钢,尽量考虑降低板厚。结构体的组装以点焊为基础,结构上难以处理的地方则采用以环形焊或塞焊,以考虑热影响。
2. 3 不锈钢
城轨车辆车体结构使用的不锈钢,从耐腐蚀性、加工性、机械强度等方面考虑,采用了奥氏体系的SUS301 系不锈钢。这种SUS301 冷轧加工后能提高抗拉强度,而且压制加工性好。抗拉强度为L T 、DL T 、ST 、MT 、HT5 个等级,按照所需强度分别使用。
不同不锈钢的化学成分,将决定其不同的性能。因此为了改进不锈钢的焊接性,需大幅度降低钢的含碳量。含碳量过多时,由于焊接时的热影响,容易发生晶间腐蚀裂纹或应力腐蚀裂纹。为此,东急车辆制造公司早就把含碳量由J IS 规定的0. 15 % 减为0. 08 % 以下,而新的规定则减少到0. 03 % 以下。这样,能较好地防止晶间腐蚀裂纹或应力腐蚀裂纹。SUS301L 标准的出现,是轻型不锈钢车辆成功的一部分。
在机械性能方面,再次分析了加工性与强度之间的均衡情况,修改了抗拉强度的规定范围,即HT 材质标准。另外,对于影响车辆美观的外板平面度, 通过对表面的处理进行了反复的试验后, 修改了DL T 材质标准。
3 天津滨海线不锈钢车体的研发
为天津滨海快速交通工程规划中的4 号线设计的车辆采用符合《城市快速轨道工程项目建设标准》规定的B 型车,车体呈鼓形,并采用不锈钢材料的轻量化整体承载结构(见图4) 。
图4 车体四分之一三维几何模型
1.3. 1 主要技术指标(见表1) 动车(Mcp 车) 和1 辆拖车(T 车) 组成,编组方式如下:
2.3. 2 列车编组近期= Mcp 3 T = T 3 Mcp = 列车由两个单元共4 辆车组成,每个单元由1 辆远期= Mcp 3 T = T 3 M = T 3 Mcp 其中:Mcp 为带司机室和受电弓动车; T 为拖车; M 为动车; = 为半自动车钩; 3 为半久牵引杆。
表1 天津滨海线不锈钢车辆主要技术指标
天津滨海线不锈钢车辆有以下特点:首批采用SUS301L 高强度不锈钢材料,点焊结构轻量化车体结构;首次采用整体玻璃钢车头,不锈钢骨架结构(见图5) ;首次采用金刚砂地板布直接粘接在铝锋窝地板上;首次采用顶板、圆头、间壁作成一体,与贯通道连接,达到整体美观的效果(见图6) ;不锈钢车体首次采用连续窗带结构(见图5) ; 首次采用动态线路图报站显示及紧急对讲系统(见图6) ; 国产车辆中首次采用A TO 、A TP 。
图5 天津滨海线不锈钢轨道列车
图6 天津滨海线不锈钢轨道列车客室布置
4 不锈钢车辆的特性与应用前景
采用不锈钢、铝合金材料是减轻车体自重的有效措施。但是铝合金减轻车体自重的效果不是很明显。不锈钢则不同,日本的901 系列的城市轨道列车的车体自重仅有5. 3 t , 较碳钢车轻70 % 左右。
轻型不锈钢车辆的特征有:车体结构的无涂装、免维修与轻量化。无涂装即在车辆新造及检修时可以省略涂装工序,从而缩短车辆在厂时间,同时可达到减少预备车的效果。车体结构的免维修化,就是由于良好的耐腐蚀性,车体结构几乎不需要维修,因而削减了维修费用。车辆轻量化的效益直接表现在降低运转动力费用,间接表现在减少了轨道维护费用。另外,轻量化导致同等动力装置运转性能提高, 从而缩短运转时间或降低编组列车中的动力比率。
不锈钢的耐腐蚀能力特别强。不锈钢车体结构可以达到30 年不腐蚀,与碳钢车比较,其维修费用可大大降低;且轻量化不锈钢车速度快,大大节省运营时间,可取得更多的社会经济效益。
