國內很多新線車輛段採用上蓋開發模式,如果像以往的做法,採用鋁合金車體,車輛段內必須要設定噴漆庫。車體噴漆對上蓋建築是有影響的,國內目前還沒有上蓋車輛段內設定噴漆庫的做法。因此,本文對不鏽鋼車體和鋁合金車體進行對比。
1 材料
新型不鏽鋼車體採用超低碳(C
鋁合金車體的主要材料是A1-Mg系(5000系)、A1-Mg-Si系(6000系)和A1-Zn-Mg系(7000系)合金。鋁合金車體的特點是利用鋁的相對體積質量約為普通鋼的1/3這一點來減輕車體自重。鋁合金車體的自重一般可達到普通鋼車體的1/2。鋁合金車體的弱點是鋁的縱彈性模量小,約為普通鋼的1/3,因而往往使車體剛度下降。一般鋁合金車體比普通鋼車體、不鏽鋼車體的剛度都要小。這是鋁合金車體設計時加大板厚和儘量加大車體斷面以提高車體抗彎剛度的重要原因。
2 製造工藝
不鏽鋼車體結構採用板梁組合整體承載全焊結構。由於使用的板材較薄(車體外板厚0.4~1.2 mm,樑柱厚0.8~3 mm),須採用大量薄板(一般為0.8 mm)軋壓成補強(剛)型材與外板點焊連線形成空腔,藉以提高外板的剛度、強度。這是不鏽鋼車的結構特徵之一。為了不降低板材強度和減小變形,應儘量採用點焊。特別是強度級高的材料不允許任何形式的弧焊。樑柱之間採用平面或立體接頭、點焊。板的拼接採用搭接縫焊。採用點焊代替弧焊是不鏽鋼車的又一特徵和技術關鍵。近年,由於新工藝的發展,目前最新採用鐳射焊來取代點焊。
鋁合金車體從結構形式上可分為:板梁、大型開口型材和大型中空閉口型材及其組合形式。
鋁合金車體目前普遍採用的結構是大型桁架式中空型材組焊式(一般採用自動弧焊)。大型中空型材組焊式車體制造時,只需將型材沿車體長度方向對接連續自動弧焊。由於車體零件數量少、焊接工作量少,且容易實現自動化,大大降低了車體制造成本,提高了產品質量。隔音方面,有的在面板、筋板上還貼防震吸音材料,或填充(半填充)聚氨脂泡沫(型材擠壓過程中發泡),大大提高了防震隔音效果。
就製造工藝來說,鋁合金車體比不鏽鋼車體要簡單一些。
3 輕量化
鋁合金的比重為2.71 g/cm3,不鏽鋼的比重為7.85 g/cm3,雖然鋁合金的比重遠小於不鏽鋼,但是鋁合金的抗拉強度較差,鋁合金的抗拉強度為270~310 MPa,而不鏽鋼的抗拉強度可達690~930 MPa,是鋁合金的2~3倍。而且,鋁合金的剛度較低,其彈性模量僅為0.71E10N/mm2,而不鏽鋼為2.06E10N/mm2,為鋁合金的3倍,因此,為保證地鐵車輛由足夠的承載強度和剛度,鋁合金車輛必須採用大型中空型材及其組合件。為提高鋁合金車體斷面係數,增大抗彎強度,需加大板厚,壁厚為2~6.5 mm,而不鏽鋼車體可採用板梁組合整體承載全焊結構,車體的樑柱板厚0.8~3 mm,車體外板厚0.6~1.2 mm,實現車體輕量化(見表1)。 不鏽鋼車體基本採用點焊或鐳射焊工藝,只有很少的部位採用電弧焊,焊接填充材料很少;鋁合金車體完全採用電弧焊工藝,在焊縫處填充了大量的焊接材料,增加了車體自重。
不鏽鋼車體一般為非塗裝車體,不存在塗裝材料的重量;鋁合金車體表面塗有聚脂膩子、底漆、面漆等塗裝材料,增加了車體重量。
總體來說,經過輕量化的不鏽鋼車體比鋁合金車體重0.5~1 t/輛車。
4 外觀質量
不鏽鋼車體在製造過程中雖然不必進行防腐保護,也無需塗漆,但為了提高裝飾性,板材自帶線條或梨皮點狀裝飾。車輛製造廠家可進行適當修飾,或用彩色膠膜裝修,或噴塗水性漆。由於車體表面裝飾大多是原材料帶有的,因此,在焊接前的加工過程中要貼膜保護。因為外牆板很薄(一般為1.5 mm)、很光,對不平度反應過敏,只要有0.2 mm的凹凸,經反光折射,肉眼就感到不舒服;如採用點焊的工藝進行焊接,點焊印子是無法消除的;如採用鐳射焊工藝進行焊接,焊接點美觀大方。
鋁合金車體的耐腐蝕效能較差,但中空鋁型材平整、挺拔,又可根據使用者要求選擇不同的裝飾和顏色,因此,給人的感覺是莊重、美觀,廣大乘客容易接受。鋁合金車體的另一個不盡人意處就是耐腐蝕效能差,不能像不鏽鋼那樣達到不用塗漆的程度。不塗漆的鋁合金車體雖然也有,但用過一段時間後,由於大氣中的腐蝕條件(如水、洗滌劑的作用以及運用環境中與金屬粉塵接觸),表面總會出現面蝕、點蝕、變色,影響美觀,故大部分車都塗漆。
就外觀質量來說,鋁合金外觀較好,但不鏽鋼透過最新的工藝採用水性漆也一樣可以達到鋁合金噴漆後的外觀效果。
5 安全性
鋁合金材料的屈服強度為200~260 MPa,不鏽鋼材料的屈服強度為345MPa-685 MPa,不鏽鋼材料強度明顯高於鋁合金材料,具有更強的承載能力。
鋁合金材料的抗拉強度為270~310MPa,其屈服強度與抗拉強度的比值(簡稱屈強比)僅約0.84,當意外發生時,鋁合金屈服變形後很快就會發生斷裂;不鏽鋼材料的抗拉強度為690~930 MPa,屈強比為0.5~0.74,在材料發生屈服變形到斷裂的過程中,材料本身將產生較大的塑性變形,能夠吸收更多的衝擊能量。
不鏽鋼車體主要採用點焊工藝,在意外撞擊時,結構將發生類似手風琴的疊縮變形,沿著受力方向,焊點將逐次破壞失效;鋁合金車體採用電弧焊工藝,在意外撞擊時,將會沿焊縫或母材薄弱區整體撕開,這也是為什麼發生意外撞擊時,鋁合金車體更容易發生整車破壞而不鏽鋼車體只發生區域性變形的主要原因。
不鏽鋼的熔點為1500 ℃,鋁合金的熔點為660 ℃,且到300 ℃以上就發軟變形,鋁合金的耐熱性僅是不鏽鋼的44%。在發生嚴重火災時,鋁合金車體將會很快熔化掉,帶來災難性的後果。
就安全性來說,不鏽鋼車體遠勝過於鋁合金車體。
6 結語
綜上所述,在地鐵車輛選型中,不鏽鋼車體與鋁合金車體各有優勢,具體到某一個城市的車輛選型應該綜合考慮以上問題,尤其是要考慮到車體選型對本地產業鏈的影響及本地的人文特色。特別在有些上蓋車輛段,更要從環境角度和人文關懷角度考慮鋁合金和不鏽鋼兩種車輛的優劣,再結合經濟、安全、外觀等因素綜合考慮,同一個城市的多條線路在車體選型中應儘量統一,以有利於線網的資源共享。
國內很多新線車輛段採用上蓋開發模式,如果像以往的做法,採用鋁合金車體,車輛段內必須要設定噴漆庫。車體噴漆對上蓋建築是有影響的,國內目前還沒有上蓋車輛段內設定噴漆庫的做法。因此,本文對不鏽鋼車體和鋁合金車體進行對比。
1 材料
新型不鏽鋼車體採用超低碳(C
鋁合金車體的主要材料是A1-Mg系(5000系)、A1-Mg-Si系(6000系)和A1-Zn-Mg系(7000系)合金。鋁合金車體的特點是利用鋁的相對體積質量約為普通鋼的1/3這一點來減輕車體自重。鋁合金車體的自重一般可達到普通鋼車體的1/2。鋁合金車體的弱點是鋁的縱彈性模量小,約為普通鋼的1/3,因而往往使車體剛度下降。一般鋁合金車體比普通鋼車體、不鏽鋼車體的剛度都要小。這是鋁合金車體設計時加大板厚和儘量加大車體斷面以提高車體抗彎剛度的重要原因。
2 製造工藝
不鏽鋼車體結構採用板梁組合整體承載全焊結構。由於使用的板材較薄(車體外板厚0.4~1.2 mm,樑柱厚0.8~3 mm),須採用大量薄板(一般為0.8 mm)軋壓成補強(剛)型材與外板點焊連線形成空腔,藉以提高外板的剛度、強度。這是不鏽鋼車的結構特徵之一。為了不降低板材強度和減小變形,應儘量採用點焊。特別是強度級高的材料不允許任何形式的弧焊。樑柱之間採用平面或立體接頭、點焊。板的拼接採用搭接縫焊。採用點焊代替弧焊是不鏽鋼車的又一特徵和技術關鍵。近年,由於新工藝的發展,目前最新採用鐳射焊來取代點焊。
鋁合金車體從結構形式上可分為:板梁、大型開口型材和大型中空閉口型材及其組合形式。
鋁合金車體目前普遍採用的結構是大型桁架式中空型材組焊式(一般採用自動弧焊)。大型中空型材組焊式車體制造時,只需將型材沿車體長度方向對接連續自動弧焊。由於車體零件數量少、焊接工作量少,且容易實現自動化,大大降低了車體制造成本,提高了產品質量。隔音方面,有的在面板、筋板上還貼防震吸音材料,或填充(半填充)聚氨脂泡沫(型材擠壓過程中發泡),大大提高了防震隔音效果。
就製造工藝來說,鋁合金車體比不鏽鋼車體要簡單一些。
3 輕量化
鋁合金的比重為2.71 g/cm3,不鏽鋼的比重為7.85 g/cm3,雖然鋁合金的比重遠小於不鏽鋼,但是鋁合金的抗拉強度較差,鋁合金的抗拉強度為270~310 MPa,而不鏽鋼的抗拉強度可達690~930 MPa,是鋁合金的2~3倍。而且,鋁合金的剛度較低,其彈性模量僅為0.71E10N/mm2,而不鏽鋼為2.06E10N/mm2,為鋁合金的3倍,因此,為保證地鐵車輛由足夠的承載強度和剛度,鋁合金車輛必須採用大型中空型材及其組合件。為提高鋁合金車體斷面係數,增大抗彎強度,需加大板厚,壁厚為2~6.5 mm,而不鏽鋼車體可採用板梁組合整體承載全焊結構,車體的樑柱板厚0.8~3 mm,車體外板厚0.6~1.2 mm,實現車體輕量化(見表1)。 不鏽鋼車體基本採用點焊或鐳射焊工藝,只有很少的部位採用電弧焊,焊接填充材料很少;鋁合金車體完全採用電弧焊工藝,在焊縫處填充了大量的焊接材料,增加了車體自重。
不鏽鋼車體一般為非塗裝車體,不存在塗裝材料的重量;鋁合金車體表面塗有聚脂膩子、底漆、面漆等塗裝材料,增加了車體重量。
總體來說,經過輕量化的不鏽鋼車體比鋁合金車體重0.5~1 t/輛車。
4 外觀質量
不鏽鋼車體在製造過程中雖然不必進行防腐保護,也無需塗漆,但為了提高裝飾性,板材自帶線條或梨皮點狀裝飾。車輛製造廠家可進行適當修飾,或用彩色膠膜裝修,或噴塗水性漆。由於車體表面裝飾大多是原材料帶有的,因此,在焊接前的加工過程中要貼膜保護。因為外牆板很薄(一般為1.5 mm)、很光,對不平度反應過敏,只要有0.2 mm的凹凸,經反光折射,肉眼就感到不舒服;如採用點焊的工藝進行焊接,點焊印子是無法消除的;如採用鐳射焊工藝進行焊接,焊接點美觀大方。
鋁合金車體的耐腐蝕效能較差,但中空鋁型材平整、挺拔,又可根據使用者要求選擇不同的裝飾和顏色,因此,給人的感覺是莊重、美觀,廣大乘客容易接受。鋁合金車體的另一個不盡人意處就是耐腐蝕效能差,不能像不鏽鋼那樣達到不用塗漆的程度。不塗漆的鋁合金車體雖然也有,但用過一段時間後,由於大氣中的腐蝕條件(如水、洗滌劑的作用以及運用環境中與金屬粉塵接觸),表面總會出現面蝕、點蝕、變色,影響美觀,故大部分車都塗漆。
就外觀質量來說,鋁合金外觀較好,但不鏽鋼透過最新的工藝採用水性漆也一樣可以達到鋁合金噴漆後的外觀效果。
5 安全性
鋁合金材料的屈服強度為200~260 MPa,不鏽鋼材料的屈服強度為345MPa-685 MPa,不鏽鋼材料強度明顯高於鋁合金材料,具有更強的承載能力。
鋁合金材料的抗拉強度為270~310MPa,其屈服強度與抗拉強度的比值(簡稱屈強比)僅約0.84,當意外發生時,鋁合金屈服變形後很快就會發生斷裂;不鏽鋼材料的抗拉強度為690~930 MPa,屈強比為0.5~0.74,在材料發生屈服變形到斷裂的過程中,材料本身將產生較大的塑性變形,能夠吸收更多的衝擊能量。
不鏽鋼車體主要採用點焊工藝,在意外撞擊時,結構將發生類似手風琴的疊縮變形,沿著受力方向,焊點將逐次破壞失效;鋁合金車體採用電弧焊工藝,在意外撞擊時,將會沿焊縫或母材薄弱區整體撕開,這也是為什麼發生意外撞擊時,鋁合金車體更容易發生整車破壞而不鏽鋼車體只發生區域性變形的主要原因。
不鏽鋼的熔點為1500 ℃,鋁合金的熔點為660 ℃,且到300 ℃以上就發軟變形,鋁合金的耐熱性僅是不鏽鋼的44%。在發生嚴重火災時,鋁合金車體將會很快熔化掉,帶來災難性的後果。
就安全性來說,不鏽鋼車體遠勝過於鋁合金車體。
6 結語
綜上所述,在地鐵車輛選型中,不鏽鋼車體與鋁合金車體各有優勢,具體到某一個城市的車輛選型應該綜合考慮以上問題,尤其是要考慮到車體選型對本地產業鏈的影響及本地的人文特色。特別在有些上蓋車輛段,更要從環境角度和人文關懷角度考慮鋁合金和不鏽鋼兩種車輛的優劣,再結合經濟、安全、外觀等因素綜合考慮,同一個城市的多條線路在車體選型中應儘量統一,以有利於線網的資源共享。