简析地铁车辆—铝合金车体

于秀洁 吕永骏

摘  要：简要介绍地铁车辆——铝合金车体结构，介绍铝合金车体的优缺点，以及如何保证铝合金车体结构强度及使用寿命。

关键词：车体;铝合金;结构

0 引言

车体是地铁车辆的主要承载结构，它支撑于转向架之上，保证旅客乘车安全。车体底架下部及车顶上部安装电气设备，构成车辆主体。它需要承受各种动静载荷、各种震动，并适应100km/h左右的速度运行;还要满足隔音、隔热、减震、防火等要求，确保在事故状态下尽可能保证旅客安全。

1 铝合金车体的介绍

车体的结构组成根据所选用的材料略有不同，但是主要部件均是由底架、车顶、侧墙（左右侧各1个）、端墙等组成，其中带有司机室的车辆前端设司机室。

车体需要有足够的强度承受自重、载重、牵引力、横向力、制动力等载荷及作用力，其主要有底架承载、侧壁承载、整体承载三种承载方式。一般根据应用的材料，来选择合适的承载方式。

铝的密度大约只有钢的1/3。铝及铝合金具有重量轻、耐腐蚀的特点，并且是热和电的良导体，是一种优点很多的材料。铝合金按其添加合金元素的不同，可被分成从1000～7000系列的几种类型。一般用于地铁车辆的铝合金材料主要是A1～Mg系（5000系）、A1～Mg～Si系（6000系）和A1～Zn～Mg系（7000 系）合金。

最初的铝合金车体是将原来钢制车辆的骨架与外板置换成焊接性能好的5000系合金，采用MIG焊接、MIG点焊与铆接连接的结构，随着强度更高，焊接性能更优的7000系合金的研制成功，底架部件中各种受力杆件广为采用，使车体进一步轻量化。但是此时的铝合金车体仍然沿袭过去高耐候钢、不锈钢车体的模式，均是外板加骨架结构，为了内部设备安装及底架下部设备安装再加焊吊梁、吊架、二次骨架。随着万吨乃至万吨级以上大型挤压机的问世，在7000系合金上实现了挤压型材大型化，制成了外板与骨架一体化的宽幅挤压型材车体。大幅度降低了部件数量及连接焊缝长度，促进了焊接自动化。

板梁式铝合金车体在结构形式上类似于耐候钢车体，但为了提高断面系数，防止板材由于剪力产生失稳现象，因此加大板厚（一般取钢板的1.4倍，最薄用到2mm）。铝合金车体的薄板焊接非常困难，技术水平要求高，而且变形大矫正困难，因此必须采用接触焊。

开口型材将板、梁合成一体，简化了车体制造工艺，提高了质量，但成本也相应增加。铝合金车体目前普遍采用的结构是大型桁架式中空型材组焊式（一般采用自动弧焊）。

大型中空型材组焊式车体制造时，只需将型材沿车体长度方向对接连续自动弧焊。由于车体零件数量少、焊接工作量少，且容易实现自动化，大大降低了车体制造成本，提高了产品质量。

2 铝合金车体的特点

（1）是利用铝的相对体积质量约为普通钢的1/3这一点来减轻车体自重。铝合金车体的自重一般可达到普通钢车体的1/2。

（2）铝合金车体的弱点是铝的纵弹性模量小，约为普通钢的1/3，因而往往使车体刚度下降。一般铝合金车体比普通钢车体、不锈钢车体的刚度都要小。这是铝合金车体设计时加大板厚和尽量加大车体断面以提高车体抗弯刚度的重要原因。

铝合金车体的缺点：铝合金车体的一个不尽人意之处就是耐腐蚀性能差，不能像不锈钢那样达到不用涂漆的程度。不涂漆的铝合金车体虽然也有，但用过一段时间后，由于大气中的腐蚀条件，表面总会出现面蚀、点蚀、变色，影响美观，故大部分车都涂漆。

3 铝合金车体的结构形式及优缺点

铝车体结构部件综合运用的铝合金车体，中空型材、开口型材、板梁结构综合运用的铝合金车体，焊接方式、铆接方式综合运用的铝合金车体等等，各种铝合金车体结构及制造技术的综合应用，使铝合金车体结构达到最优化。车体轻量化工作也取得较大的成绩。下面介绍一下铝合金车体的结构形式及结构优点：

（1）开口型材侧墙、车顶，板梁结构端墙，中空型材底架。焊接车体;结构优点是重量轻、强度较好。

（2）钢底架，板梁结构侧墙、车顶、端墙。焊接、铆接综合应用车体;重量轻、强度较好、防火性能好。

（3）型材、板梁结构综合运用，车体主体为焊接结构。牵枕缓为钢结构并与底架铆接;牵枕缓结构尺寸空间小，为其它结构让出较大空间。

（4）型材为主体的铝合金车体，焊接车体;施工方法单一，强度好。

4保证铝合金车体结构强度及寿命的分析与试验

车体结构的有限元分析计算。车体几何模型采用三维软件建模，根据不同的强度要求对新设计的车体铝结构进行静强度和刚度计算，确保车体强度满足要求，在满足车体强度、刚度的同时实现车体的轻量化。

铝合金型材的疲劳分析。通过试验得出不同材质型材的疲劳应力，来考虑车体铝结构不同位置所使用不同材质的型材，以满足要求。

铝合金焊缝的疲劳分析。底架、侧墙、车顶、端墙及其它主要结构件的接口焊缝处经过X射线探伤和着色渗透探伤检查，对不合格的焊缝扣掉进行重新焊接，以保证焊缝的质量。

铝合金车体的强度试验。车体生产完成之后应对首辆不同车体进行强度试验，来验证整个车体是否满足强度要求。

铝合金车体的模态试验。为优化车体铝结构的设计、提高设计质量，确保车体与其它振动设备的安全可靠性，还需进行模态试验。

铝合金车体的刚度试验。应对首辆不同车体进行刚度试验，来验证整个车体是否满足刚度要求。

5 结束语

目前，在地铁车辆铝合金车体已全面铺开应用，已有多种铝合金车体结构的设计技术，根据车辆对铝合金车体的重量、尺寸大小、强度的不同要求，靈活采用单一的铝合金车体结构设计及制造技术或同时采用多种铝合金车体结构设计及制造技术，力求将各种铝合金车体结构设计及制造技术的优势发挥到最大化。铝合金车体有待开发的领域和高间还很大，还需要积极去探索。

参考文献：

[1]铁路应用—铁道车辆车体的结构要求 第一部分[S].机车和客车 BS EN12663-1，2010.

[2]铝及铝合金型材 第二部分[S].力学性能 BS EN755-2，2008.

[3]铝结构设计-第1-1部分[S].结构总规则 BS EN1999-1-1，2007.