展開全部
車體是車輛結構的主體。車體的強度和剛度關係到車輛執行的安全可靠性和舒適性;車體的防腐耐腐能力、表面保護和裝飾方法，關係到車輛的外觀、壽命和檢修制度;車體的重量關係到能耗、加減速度、載客能力乃至列車編組形式(拖動比)。所有這些都直接影響到運營質量和經濟效益。
由於鐵路車輛車體長期處在激烈振動、外部氣候條件和乘客量大且不穩定等條件下，其總體結構形式、效能和技術經濟指標主要取決於車體材料。在設計鐵路車輛車體時，對車體構件和內部裝飾所用材料的基本要求為：應具有構件所要求的高強度和剛性，重量輕、耐老化、耐汙染、耐磨耗和耐光照等特性，適合於環境的改進(隔熱、隔音效能提高、較好的採光性)，適合於提高舒適度(減振等)。目前，城市軌道交通車體結構使用的材料主要為車輛專用經濟型不鏽鋼和鋁合金。下面就從機械效能、重量、工藝等方面，對不鏽鋼車體和鋁合金車體進行分析比較。
不鏽鋼車體成熟安全
不鏽鋼的兩個主要優點使其適用於客車車體材料：第一，具有優良的耐蝕防鏽性，使車體外板省去塗裝的工序，並且可以大幅節約維修費用。第二，與普鋼相比，無須考慮耐蝕防腐層，因此可以將板厚減薄，有利於車體輕量化，以節約能源、減少廢氣排放。目前常用的車體不鏽鋼通常有兩種：奧氏體系不鏽鋼的SUS304和SUS301L。
在日本，從1958年就開始在部分客車的外板上採用SUS304不鏽鋼以防腐蝕，但未在其他部件上使用，因此輕量化效果不明顯。而美國的帕德公司早在1934年就生產出不鏽鋼車輛，實現了輕量化，並於1962年末實現了車輛完全不鏽鋼化，使車體重量比當時普通鋼製車體減輕了2噸。以1974年石油危機為契機，節能的要求使車輛更加輕量化，最終開發出高強度下焊接性、加工性更好的不鏽鋼，並改進了焊接方法。到1978年，車體用不鏽鋼已實現實用化，車輛基本上全部採用了SUS304不鏽鋼，車重在此減輕了1噸~1.5噸。
其後，由於日本山手線採用了這一新型車輛，使其生產飛躍發展併為社會所認知。現在執行的車輛，是在1990年進一步改善後的設計，實現了輕量化並減少了部件數和焊接點數。由於全不鏽鋼制車輛的重量比鋁製車輛還輕，已經被減速、增速次數多的班車和近郊交通用節能型車輛廣泛使用，現在佔國營鐵路線上的60%。
該車輛所用不鏽鋼要求具有優良的耐蝕性、高強度、適於衝壓彎曲的高加工性和作為結構部件組裝所需的優良焊接性，能滿足上述要求的為奧氏體系不鏽鋼，如SUS304和SUS301L系鋼種。SUS304的含碳量按JIS標準為小於等於0.15%，實際上多在0.08%以下，主要是由於車輛組裝時焊接熱影響區易產生Cr碳化物的晶界腐蝕裂紋。之後，為了抑制Cr碳化物的析出，又開發出將碳含量降至0.03%以下的SUS301L系奧氏體不鏽鋼。現在不鏽鋼車輛已基本應用了此鋼種。
新型不鏽鋼車採用超低碳([C]<0.03%)的SUS301L車輛專用經濟型不鏽鋼。SUS301L可透過冷軋調整其強度和延性水平，且根據壓延率的不同分成LT、DLT、ST、MT、HT5個強度級。冷軋率為2%的LT材做橫樑、冷卻率為6%的DLT材做腰板，ST材做屋頂重木，MT材做床板，HT材做側柱。同時，上述效能還受化學成分影響，因此，在精煉時應該調整成分波動到較小的範圍。
車輛用材多用焊接組合，故熱影響區的耐蝕性甚為重要。在SUS301L開發中進行認真研討後發現：化學成分對晶界腐蝕性的影響中，N、Ni的影響較少，而基本上決定於碳含量，故將SUS301L的碳含量降低到0.03%以下而確保其耐蝕性。
焊接部分的強度也是另一個重要因素。原來有研究人士曾擔心為保證SUS301L焊接部位耐腐蝕性將碳含量降至0.03%後會影響其強度，後透過加入N元素使這一問題得以解決，保證了較好的強度。
除鐵道客車外，近日，以中國為首的新興國家開始在運煤貨車上應用不鏽鋼。由於煤炭中含S元素較多，故開發成功耐硫酸腐蝕性優良的不鏽鋼並開始應用，其成分為低C、N含量的11Cr-18Mn-0.75Ni-Ti。
鋁合金材輕量化新方向
鋁合金材應用受關注。當前，日本新幹線的旅客快速增加，鐵路高速化的實現使人們再次考慮車體輕量化的問題。據計算，車體若減輕10%的重量，則可節約6%的能源、減排6%的CO2。而車輛結構輕量化的方法有三種：①結構方式的變更，②適用材料的材質變更(由鋼製改為鋁合金制)，③內裝品組成的變更。對於新幹線的車輛，除骨幹、臺框等部件採用高強度鋼之外，外板也採用了高強度鋼板，並改進了兩者的接合度，從而實現了較好的輕量化。
為進一步輕量化，日本經研究後決定採用鋁合金擠出材將骨幹件和外板連線在一起的方式代替鋼製品。由於同一強度下鋁合金材料更輕，且擠出材大部分不需要骨幹材和外板材的接合，因此有利於節約部件組裝的施工費用。
鋁製車體的開發和設計中須注意以下問題：一是焊接結構用鋁合金的開發技術(A6N01合金、A7N01合金)、抗應力腐蝕(SCC)性7000系合金的開發;二是擠出型材的生產技術，如薄壁化、寬幅化和中空化技術的開發;三是鋁合金結合技術(MIG焊接、摩擦攪拌接合)、適合焊接的擠出斷面和提高尺寸精度。
新幹線有兩種車體結構，300系新幹線的車體結構為縱向總體構成的屋頂材、側外板和車底板結構，由縱跨車輛全長(24.5米)的(長度、薄壁、寬幅)整體擠出型材所組成的結構(以下簡稱單體結構)，其中最大的部件寬達600毫米。橫樑採用A7N01-T5材(7000系合金)，因為此種合金強度高且焊接熱影響部分的強度降低較小。
7000系新幹線的車體結構為縱向總體結構構成的屋頂和側外板結構，由縱跨車輛全長的A6N01-T合金(長度、薄壁、寬幅)中空的擠出型材(寬560毫米)所組成。在各個縱通材的接頭部位，和300系一樣，為補充焊接產生的強度降低而對接頭部分區域性增厚，以確保其強度。縱通材的端部均呈桶狀的複合結構，由此代替了車輛周邊的其他部件，而成為緊湊型結構。此種複合結構同樣適用於700系新幹線，該結構由於隔音性的問題尚未完全解決，還在改進中。
大型薄壁中空擠出材的應用和車輛四周方向部件被簡化由此產生的車輛部件減少和接合線的簡化有效促進了自動化，同時由於部件插入組合亦大大簡化了施工作業。
鋁合金材製造技術。Al-Zn-Mg系(7000系)合金焊接部的強度雖在焊接熱影響下有所下降，但具有在常溫放置後強度恢復的特點。鋁合金制車輛是以MIG接合為主體的焊接結構，在要求高強度的部件上仍能充分發揮上述特點而使7000系合金的成為主要用材。7000系合金比6000系(Al-Mg-Si)合金的抗腐蝕性差，對此，在其中加入適量Cu並對生產工藝適當調控的新合金(C250)已開發成功，並在300系和700系新幹線的部件中大量利用。
擠出技術。300系新幹線已對幅寬600毫米的擠出型材應用，且將壁厚由原極限的4毫米減至2.3毫米。700系新幹線對中空型材的寬幅薄壁要求日益提高，壁厚已由300系總體擠出型材的2.3毫米減薄至中空擠出型材的2毫米。為實現擠出速度的最大化，對擠出坯的加熱溫度和擠出速度的最佳化進行專題研究後，終於實現了等溫、形變下的薄壁中空型材的高效生產。
擠出模具的設計技術。為確定中空擠出型材的薄壁化技術，除等溫形變擠出技術外，還須對擠出用模具的設計進行改進。例如：流量配分等新模具的開發、新模具的組合等，以達到對模具的設計、製造、使用和改進整個流程的目的，並提高擠出材的尺寸精度。
不鏽鋼VS鋁合金
對比可知，不鏽鋼車體的機械效能和防火效能強於鋁合金車體，熔點高於鋁合金車體，因此不鏽鋼車體具有更好的安全性。鋁合金車體的屈服強度、抗拉強度、延伸率和彈性模量約為不鏽鋼車體的1/3，且比不鏽鋼車體的剛度要小，因此鋁合金車體設計時一般採用加大板厚和儘量加大車體端面的辦法來提高車體的抗彎剛度。
不鏽鋼車體採用板梁組合整體承載全焊結構，為了不降低板材強度和減小變形，應儘量採用點焊，特別是強度更高的材料不允許任何形式的弧焊，採用接觸焊代替弧焊，是不鏽鋼車體的又一特徵和技術關鍵。
在價格方面，SUS304不鏽鋼和6000系鋁合金的原材料單價相差無幾，但不鏽鋼車體是板梁結構，需大量工裝、模具、夾具、樣板和中間檢查手段，生產工藝極其複雜，費工費料。鋁合金車體普遍採用大型桁架式中空型材組焊式，中空鋁型材是製造廠一次軋製而成的，車輛製造廠只需下料、拼裝、氬弧焊接，工藝簡單，省工省料。因此，成品價格還是不鏽鋼車體的偏高。
不同材料車體的抗腐蝕能力對於車體的使用壽命起到重要作用。不鏽鋼的抗腐蝕效能相較於鋁合金的優勢比較明顯。防火性上，不鏽鋼熔點在1400℃以上，而鋁合金只有630℃~650℃，且到300℃以上就發軟變形，因此不鏽鋼車體的防火效能也遠優於鋁合金車體。從以上方面考慮，不鏽鋼車體的使用壽命長於鋁合金車體。
為適應全球節能減排的發展，鐵道運軌在加速發展的同時，利用鋁材的車體輕量化也很重要，應當受到重視。但同時，在車體材料選擇時，還應該綜合考慮安全性、車輛壽命和成形效能等多方面因素，努力做到經濟、安全和優質高效。
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車體是車輛結構的主體。車體的強度和剛度關係到車輛執行的安全可靠性和舒適性;車體的防腐耐腐能力、表面保護和裝飾方法，關係到車輛的外觀、壽命和檢修制度;車體的重量關係到能耗、加減速度、載客能力乃至列車編組形式(拖動比)。所有這些都直接影響到運營質量和經濟效益。
由於鐵路車輛車體長期處在激烈振動、外部氣候條件和乘客量大且不穩定等條件下，其總體結構形式、效能和技術經濟指標主要取決於車體材料。在設計鐵路車輛車體時，對車體構件和內部裝飾所用材料的基本要求為：應具有構件所要求的高強度和剛性，重量輕、耐老化、耐汙染、耐磨耗和耐光照等特性，適合於環境的改進(隔熱、隔音效能提高、較好的採光性)，適合於提高舒適度(減振等)。目前，城市軌道交通車體結構使用的材料主要為車輛專用經濟型不鏽鋼和鋁合金。下面就從機械效能、重量、工藝等方面，對不鏽鋼車體和鋁合金車體進行分析比較。
不鏽鋼車體成熟安全
不鏽鋼的兩個主要優點使其適用於客車車體材料：第一，具有優良的耐蝕防鏽性，使車體外板省去塗裝的工序，並且可以大幅節約維修費用。第二，與普鋼相比，無須考慮耐蝕防腐層，因此可以將板厚減薄，有利於車體輕量化，以節約能源、減少廢氣排放。目前常用的車體不鏽鋼通常有兩種：奧氏體系不鏽鋼的SUS304和SUS301L。
在日本，從1958年就開始在部分客車的外板上採用SUS304不鏽鋼以防腐蝕，但未在其他部件上使用，因此輕量化效果不明顯。而美國的帕德公司早在1934年就生產出不鏽鋼車輛，實現了輕量化，並於1962年末實現了車輛完全不鏽鋼化，使車體重量比當時普通鋼製車體減輕了2噸。以1974年石油危機為契機，節能的要求使車輛更加輕量化，最終開發出高強度下焊接性、加工性更好的不鏽鋼，並改進了焊接方法。到1978年，車體用不鏽鋼已實現實用化，車輛基本上全部採用了SUS304不鏽鋼，車重在此減輕了1噸~1.5噸。
其後，由於日本山手線採用了這一新型車輛，使其生產飛躍發展併為社會所認知。現在執行的車輛，是在1990年進一步改善後的設計，實現了輕量化並減少了部件數和焊接點數。由於全不鏽鋼制車輛的重量比鋁製車輛還輕，已經被減速、增速次數多的班車和近郊交通用節能型車輛廣泛使用，現在佔國營鐵路線上的60%。
該車輛所用不鏽鋼要求具有優良的耐蝕性、高強度、適於衝壓彎曲的高加工性和作為結構部件組裝所需的優良焊接性，能滿足上述要求的為奧氏體系不鏽鋼，如SUS304和SUS301L系鋼種。SUS304的含碳量按JIS標準為小於等於0.15%，實際上多在0.08%以下，主要是由於車輛組裝時焊接熱影響區易產生Cr碳化物的晶界腐蝕裂紋。之後，為了抑制Cr碳化物的析出，又開發出將碳含量降至0.03%以下的SUS301L系奧氏體不鏽鋼。現在不鏽鋼車輛已基本應用了此鋼種。
新型不鏽鋼車採用超低碳([C]<0.03%)的SUS301L車輛專用經濟型不鏽鋼。SUS301L可透過冷軋調整其強度和延性水平，且根據壓延率的不同分成LT、DLT、ST、MT、HT5個強度級。冷軋率為2%的LT材做橫樑、冷卻率為6%的DLT材做腰板，ST材做屋頂重木，MT材做床板，HT材做側柱。同時，上述效能還受化學成分影響，因此，在精煉時應該調整成分波動到較小的範圍。
車輛用材多用焊接組合，故熱影響區的耐蝕性甚為重要。在SUS301L開發中進行認真研討後發現：化學成分對晶界腐蝕性的影響中，N、Ni的影響較少，而基本上決定於碳含量，故將SUS301L的碳含量降低到0.03%以下而確保其耐蝕性。
焊接部分的強度也是另一個重要因素。原來有研究人士曾擔心為保證SUS301L焊接部位耐腐蝕性將碳含量降至0.03%後會影響其強度，後透過加入N元素使這一問題得以解決，保證了較好的強度。
除鐵道客車外，近日，以中國為首的新興國家開始在運煤貨車上應用不鏽鋼。由於煤炭中含S元素較多，故開發成功耐硫酸腐蝕性優良的不鏽鋼並開始應用，其成分為低C、N含量的11Cr-18Mn-0.75Ni-Ti。
鋁合金材輕量化新方向
鋁合金材應用受關注。當前，日本新幹線的旅客快速增加，鐵路高速化的實現使人們再次考慮車體輕量化的問題。據計算，車體若減輕10%的重量，則可節約6%的能源、減排6%的CO2。而車輛結構輕量化的方法有三種：①結構方式的變更，②適用材料的材質變更(由鋼製改為鋁合金制)，③內裝品組成的變更。對於新幹線的車輛，除骨幹、臺框等部件採用高強度鋼之外，外板也採用了高強度鋼板，並改進了兩者的接合度，從而實現了較好的輕量化。
為進一步輕量化，日本經研究後決定採用鋁合金擠出材將骨幹件和外板連線在一起的方式代替鋼製品。由於同一強度下鋁合金材料更輕，且擠出材大部分不需要骨幹材和外板材的接合，因此有利於節約部件組裝的施工費用。
鋁製車體的開發和設計中須注意以下問題：一是焊接結構用鋁合金的開發技術(A6N01合金、A7N01合金)、抗應力腐蝕(SCC)性7000系合金的開發;二是擠出型材的生產技術，如薄壁化、寬幅化和中空化技術的開發;三是鋁合金結合技術(MIG焊接、摩擦攪拌接合)、適合焊接的擠出斷面和提高尺寸精度。
新幹線有兩種車體結構，300系新幹線的車體結構為縱向總體構成的屋頂材、側外板和車底板結構，由縱跨車輛全長(24.5米)的(長度、薄壁、寬幅)整體擠出型材所組成的結構(以下簡稱單體結構)，其中最大的部件寬達600毫米。橫樑採用A7N01-T5材(7000系合金)，因為此種合金強度高且焊接熱影響部分的強度降低較小。
7000系新幹線的車體結構為縱向總體結構構成的屋頂和側外板結構，由縱跨車輛全長的A6N01-T合金(長度、薄壁、寬幅)中空的擠出型材(寬560毫米)所組成。在各個縱通材的接頭部位，和300系一樣，為補充焊接產生的強度降低而對接頭部分區域性增厚，以確保其強度。縱通材的端部均呈桶狀的複合結構，由此代替了車輛周邊的其他部件，而成為緊湊型結構。此種複合結構同樣適用於700系新幹線，該結構由於隔音性的問題尚未完全解決，還在改進中。
大型薄壁中空擠出材的應用和車輛四周方向部件被簡化由此產生的車輛部件減少和接合線的簡化有效促進了自動化，同時由於部件插入組合亦大大簡化了施工作業。
鋁合金材製造技術。Al-Zn-Mg系(7000系)合金焊接部的強度雖在焊接熱影響下有所下降，但具有在常溫放置後強度恢復的特點。鋁合金制車輛是以MIG接合為主體的焊接結構，在要求高強度的部件上仍能充分發揮上述特點而使7000系合金的成為主要用材。7000系合金比6000系(Al-Mg-Si)合金的抗腐蝕性差，對此，在其中加入適量Cu並對生產工藝適當調控的新合金(C250)已開發成功，並在300系和700系新幹線的部件中大量利用。
擠出技術。300系新幹線已對幅寬600毫米的擠出型材應用，且將壁厚由原極限的4毫米減至2.3毫米。700系新幹線對中空型材的寬幅薄壁要求日益提高，壁厚已由300系總體擠出型材的2.3毫米減薄至中空擠出型材的2毫米。為實現擠出速度的最大化，對擠出坯的加熱溫度和擠出速度的最佳化進行專題研究後，終於實現了等溫、形變下的薄壁中空型材的高效生產。
擠出模具的設計技術。為確定中空擠出型材的薄壁化技術，除等溫形變擠出技術外，還須對擠出用模具的設計進行改進。例如：流量配分等新模具的開發、新模具的組合等，以達到對模具的設計、製造、使用和改進整個流程的目的，並提高擠出材的尺寸精度。
不鏽鋼VS鋁合金
對比可知，不鏽鋼車體的機械效能和防火效能強於鋁合金車體，熔點高於鋁合金車體，因此不鏽鋼車體具有更好的安全性。鋁合金車體的屈服強度、抗拉強度、延伸率和彈性模量約為不鏽鋼車體的1/3，且比不鏽鋼車體的剛度要小，因此鋁合金車體設計時一般採用加大板厚和儘量加大車體端面的辦法來提高車體的抗彎剛度。
不鏽鋼車體採用板梁組合整體承載全焊結構，為了不降低板材強度和減小變形，應儘量採用點焊，特別是強度更高的材料不允許任何形式的弧焊，採用接觸焊代替弧焊，是不鏽鋼車體的又一特徵和技術關鍵。
在價格方面，SUS304不鏽鋼和6000系鋁合金的原材料單價相差無幾，但不鏽鋼車體是板梁結構，需大量工裝、模具、夾具、樣板和中間檢查手段，生產工藝極其複雜，費工費料。鋁合金車體普遍採用大型桁架式中空型材組焊式，中空鋁型材是製造廠一次軋製而成的，車輛製造廠只需下料、拼裝、氬弧焊接，工藝簡單，省工省料。因此，成品價格還是不鏽鋼車體的偏高。
不同材料車體的抗腐蝕能力對於車體的使用壽命起到重要作用。不鏽鋼的抗腐蝕效能相較於鋁合金的優勢比較明顯。防火性上，不鏽鋼熔點在1400℃以上，而鋁合金只有630℃~650℃，且到300℃以上就發軟變形，因此不鏽鋼車體的防火效能也遠優於鋁合金車體。從以上方面考慮，不鏽鋼車體的使用壽命長於鋁合金車體。
為適應全球節能減排的發展，鐵道運軌在加速發展的同時，利用鋁材的車體輕量化也很重要，應當受到重視。但同時，在車體材料選擇時，還應該綜合考慮安全性、車輛壽命和成形效能等多方面因素，努力做到經濟、安全和優質高效。