关键词：不锈钢；地铁车辆；车体结构设计
车体是地铁车辆的重要组成部分，车辆的整体安全性，可靠性，以及各方面性能的好坏主要是依靠车体结构来进行保障。目前，城市地铁车辆车体材料有普通钢(含耐候钢)、不锈钢和铝合金3种材料。自20世纪50年代开始，人们开始用不锈钢和铝合金取代普通钢车体。一般不锈钢车体自重为10t左右，而且不锈钢有良好的抗冲击性能和抗升温能力,可提高车体的安全性。因此，不锈钢已经广泛用于轨道车辆的制造。
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
对于材料的选用，不但要考虑到材料的强度，还要考虑到材料的物理特性。不锈钢与普通钢相比，具有更好的耐腐蚀性，相应的就可以采用更薄的板材；与铝合金相比，它具有抗扭曲、高抗拉强度、耐高温、抗弯曲变形的优势。另外，不锈钢车体外部不需要涂装，这样能更加环保，例如北京市地铁车辆绝大数都采用不锈钢车体制造。
不锈钢车体通常采用材质为SUS301L和SUS304作为主体，其中SUS301L可以分为五个强度等级，分别是LT、DLT、ST、MT和HT。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。车体结构设计时，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，例如根据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的材料。
2.2车体结构
不锈钢车体主要由端墙、侧墙、底架、车顶等部分组成，车体是一种板梁结构，承载的稳定性是车体设计所必须考虑的，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。
不锈钢车体结构设计的还需要考虑强度及轻量化趋势是轻量化，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0.8mm，选用SUS301L-MT材质。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40mm的厚度。选用SUS301L-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，主要以电阻电焊实现各部件的连接，局部连接使用电弧焊塞焊或断焊。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。
3、实例探析某出口地铁车辆不锈钢车体结构设计
该地铁车辆采用4辆/列编组，采用二动二拖形式。车体主要采用了薄壁筒形整体承载结构，由底架、侧墙、车顶、端墙、司机室（仅头车有）组件组成，整体强度水平满足EN 12663标准的相关要求，纵向能够承受超过800KN的压缩荷载，30年的设计寿命。其中端墙、侧墙、车顶与底架等关键部位在外侧采用了电阻焊方法，而内侧则通过熔化极气体保护焊进行焊接，这种方法可以进一步简化了各个零部之间的焊接结构，让车体外形平面度更好，整体更美观。
车体三维模型参见图1。
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图1
3.1底架
车体底架为无中梁结构，主要由波纹地板、边梁、一位端模块、二位端模块、横梁等共同组成。其中，端部模块包括枕梁组成、牵引梁组成、缓冲梁、横梁、纵梁等。枕梁和牵引梁部位采用SMA490BP耐候钢材料，波纹地板采用0.8mm厚SUS301-MT材质，其余部位大多采用SUS301-HT材质。因底架承载了上面其它部位的重量，且底架下方吊装了较多电气及制动设备，在设计减重孔、减少板厚的轻量化设计时优先考虑了底架强度。
3.2侧墙
侧墙由侧墙骨架模块、内门立柱、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4个车门。侧墙骨架模块由侧墙板、内层筋板、立柱和横梁等组焊而成。组焊时，内层筋板与外墙板通过电阻点焊而成。在门角和窗角焊接补强块，能有效改善应力集中。侧墙两侧设有一定数量的安装座、安装梁及绑线架，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车顶
车顶由车顶梁柱、波纹顶板及空调平顶组焊成型。其中车顶梁柱主要由波纹顶板下的弯梁和侧顶板下方的小弯梁组成。空调平顶为空调的安装位置，搭接在侧顶板及波纹顶板上，考虑到防止漏雨的问题，搭接处采用满焊。为避免车顶空调处后期因空调设备过重而导致的塌陷积水情况，空调平顶底部设置帽型梁补强，并在两侧设计6处排水口，制造过程中控制中间部位不允许下挠。
3.4端墙
端墙由端角柱，门立柱组成，门上横梁，门上立柱，端墙板，门上端墙、弯梁等零部件组成，端墙与侧墙共同形成对车顶的支撑。端墙板上通常冲压鼓筋以提高强度和刚度。
3.5司机室
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、侧墙和车顶连接到一起。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。
3.6计算及试验
经过有限元计算及强度试验，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。
4、结束语：
综上所述，未来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、仿真计算、轻量化、高强度、抗疲劳等都是车体结构设计必须考虑到的要素，在实际设计中，必须综合考虑以上要素，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:盖晓东,王树才
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第19期
论文发表时间:2020/3/16
标签：车体论文; 不锈钢论文; 底架论文; 结构论文; 车顶论文; 车辆论文; 梁柱论文; 《科学与技术》2019年第19期论文;