摘要：现阶段，高强度、刚度、动态性能更好地不锈钢车体结构逐渐成为各大轨道车辆厂家和研发人员追求的目标，在地铁车辆中，使用具有轻量化特点的不锈钢车体结构能减少车辆和线路的维护费用，节约能源，因此在地铁车辆车体结构中得到了较为广泛的应用。基于此，本文首先对不锈钢车体结构的特点进行了简要概述，分析了其在地铁车辆中的设计要点，并结合大连市的地铁车辆结构设计的实例进行说明。
关键词：不锈钢；地铁车辆；车体结构设计
1.不锈钢车体结构的主要特点
不锈钢车体同碳钢车体一样为整体承载板梁结构，引起具有较高的强度因此，可以实现车体结构的轻量化，如侧墙和车顶外板厚度一般取1.0mm或1.5mm，而碳钢车体一般不低于2.0mm。不锈钢车体结构具有良好的抗腐蚀能力，因此设计时无需为了抗腐蚀而对板材加厚，而且车体外表面能保持不锈钢材质本色和光泽，一般无需再涂装和表面挖补维修，能进一步降低车体质量。但侧墙外板材料最好最消光钝化处理，另外考虑到车辆的美观，车体外表面宜粘贴色作为装饰，以增加车辆的动感。
2.不锈钢地铁车辆车体结构设计要点
2.1选材
不锈钢材料可以满足地铁车体的一切要求，和其他材料相比，它具有抗扭曲、高抗拉强度、耐高温、抗弯曲变形的优势。对车体的设计，有相关的标准，设计人员必须具备丰富的理论知识和设计经验，对材料的选用，不但要考虑到材料的强度，还要考虑到不锈钢的物理特性。车体材料按照强度划分，可以分为五个等级，分别是LD、DLT、ST、MT和HT。轻量化不锈钢车体应通常采用材质为SUS301L和 SUS304的车辆专用不锈钢作为主体，SUS301L相比中SUS304来说，铬和镍的含量比较少，因此其屈服极限比（屈服强度/抗拉强度）亦小于0.8，冲压加工性能更好，而且，如果需要进一步提高抗拉强度，只需要进行冷压加工即可。不锈钢的物理性能，取决于热传导率、热膨胀系数、比电阻等因素。不锈钢材料，必须具有低热传导率和较高的热膨胀系数和高比电阻的特点，车体制造时，尽量采用电阻点焊工艺，不用电弧满焊。车体结构设计遵循的原则之一是根据不同的受力特点选择合适的材料。并非所有材料都使用不锈钢，必须考虑到其他因素，例如实际的承载及受力情况。一般选用抗疲劳特性和焊接性能好的低合金高强度钢作为底架结构设计。
2.2车体结构
不锈钢车体结构设计的趋势是轻量化，不锈钢车体的强度较高，因此，对板材的厚度有具体要求，侧墙和车顶外板为1.0mm 或 1.5mm，车体波纹板材为0.6mm，选用SUS301L ―M T材质，选用1.6mm厚度的耐候钢波纹板。由于不锈钢的抗腐蚀性能，不需要再加厚板材，车体表面一般保持不锈钢本色和光泽，仅需要进行钝化处理，加以色带以增加车体的动感和美观即可。不锈钢车体的侧墙外板多采用平板结构，通过内侧加刚性肋板提高强度。侧墙骨架、车顶骨架采用40 mm的统一厚度。选用S US301L―HT材料作为梁柱和连接板，连接板厚为1.5mm或2.0mm，柱板厚度为1.0mm 或 1.2mm。采用帽形断面结构作为柱，以电阻电焊实现各部件的连接，可以提高车体强度。选用较厚的碳钢板材作为底架结构，为了提高载荷能力，使用电弧焊接工艺进行焊接，SUS301L―HT 不锈钢底架作为边梁、横梁，用环焊工艺连接，提高载荷力，底架和侧墙采用点焊工艺。
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2.3车体骨架
和人体一样，车体的骨架也是车体设计的核心关键，车体的骨架由端墙、侧墙、底架、车顶组成，车体是一种板梁结构，车体承载的稳定性是车体的设计趋势，因此，梁柱的断面形式及骨架的对称性都是设计中必须考虑到的因素，车辆的骨架结构尽量设计成为一种闭环结构，避免出现载荷无法转移的局面。为了提高横向载荷和对抗扭曲，一般采用箱型结构断面作为梁柱结构的断面，避免出现截面突变，如果实在无法避免，也要缓慢处理截面过渡处。考虑到还要安装其他设备，在设计骨架时，必须避让结构开口处，可以通过调整梁柱的间距，梁柱厚度，改变梁柱断面等手段。采用点焊作为骨架和外板的连接方式，质量必须严格把关。
3.实例探析大连地铁1、2号线的不锈钢车体结构设计
大连地铁1号线起自姚家，终至河口，线路全长28.339km；2号线起自东海公园，终至南关岭，线路全长36.562km。车辆要适应大连市的自然环境和地铁线路条件，能在地下、地面和高架线路上运行，车辆采用3动3拖六辆编组方式。为此，大连地铁1、2号线车辆研发设计成B2型不锈钢车辆，车体采用不锈钢材料的轻量化整体承载焊接结构，其具体设计要点如下：
3.1设计概况
大连地铁1、2号线车辆为6辆/列编组，车辆分为带司机室拖车（Tc车）、带受电弓动车（Mp车）和不带受电弓动车（M车）三种。大连地铁车辆车体结构采用不锈钢轻量化设计，是典型的薄壁筒型整体承载的点焊传力结构。车体的主体结构由底架、侧墙、端墙、司机室等结构焊接组成。
3.2底架装配
车体底架为无中梁结构，主要由端底架、不锈钢横梁、波纹地板、不锈钢底架边梁等组成。Tc车底架I位端有防爬装置和吸能区，II位端与Mp车前后端基本相同。枕梁和牵引梁部位采用耐候钢材料，波纹地板选用标准的型材断面，在底架前后部，与枕梁和端梁塞焊焊接为一体。Tc车I位端底架由吸能结构、牵缓组成、枕梁等组成。
3.3侧墙装配
侧墙钢结构由侧墙板、立柱、横梁、底部横梁和门框等焊接成为整体。侧墙结构采用分块模块化设计，由门口隔开。车体左右侧墙完全对称，每侧设有5个门和3个侧窗。
分块侧墙组成由门立柱装配、窗立柱装配、窗上梁装配、窗下梁装配、底部横梁等组成，部件之间均采用点焊连接。各分块侧墙组成框架结构在专用焊接胎具上，通过自动点焊与蒙皮支撑板、窗中板、窗下板装配、窗角焊接形成一个分块侧墙组成单元。车体侧墙两侧设有一定数量的安装座、安装梁及走线架，与侧墙钢结构刚性连接，用来安装门系统、客室座椅、内墙板、门立柱及走线等。
3.3端墙装配
端墙钢结构由不锈钢外板，门口立柱、顶部弯梁、小横梁和贯通道安装梁、底部横梁组成。
3.4司机室钢结构
司机室采用含钢结构骨架的整体玻璃钢结构，与车体的底架、侧壁和顶棚连接到一起。玻璃钢司机室主要由玻璃钢外罩组成（含钢结构骨架）、裙板、挡板、脚蹬等组成。玻璃钢外罩钢结构骨架与玻璃钢外罩之间的螺栓连接方式，可以进行上下和前后的调节。
总结：
大连地铁1、2号线中的不锈钢点焊地铁Tc车车体，经过测试，车体在垂直载荷工况、纵向压缩工况、纵向拉伸工况、救援工况、吊装工况及扭转载荷工况等作用下，所有部位应力均不超出该部位所选材料的许用应力。因此该车刚度和强度均满足设计要求。
结束语：
综上所述，21世纪对不锈钢车体设计的趋势是是轻量化、高强度、抗疲劳。车体的选材、结构、骨架、强度分析、轻量化、高强度、抗疲劳，都是车体结构设计必须考虑到的要素，在实际设计中，必须综合考虑以上因素，才能设计出更加实用的不锈钢地铁车体。
参考文献
[1]刘柱军，李伟，谢旭方.城市轨道交通车辆构造[M].人民交通出版社.2013.
[2]姜伯军.耐候钢、不锈钢、铝合金地铁车辆的结构和工艺[J].世界轨道交通.2012.
[3]森久史，彭惠民，蔡千华.铁道车辆车体的轻量化和高刚度化技术.国外机车车辆工艺.2012.
论文作者:向海均
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第17期
论文发表时间:2017/11/23
标签：车体论文; 不锈钢论文; 底架论文; 结构论文; 车辆论文; 骨架论文; 地铁论文; 《建筑学研究前沿》2017年第17期论文;