（光学工程专业论文）地铁铝合金车体的研究.pdf

摘要 苌7 4 1 2 8 5 轻量化是现代轨道车辆设计的重要目标，具有重大而长远的经济效 益。随着经济快速的发展，我国地铁建设热潮在全国蓬勃兴起。许多建 设地铁的城市提出选用轻量化车辆，一些城市甚至花费巨资从国外购买 了铝合金地铁车。而国产地铁车基本采用碳钢、耐候钢车体。虽然造价 较低，但车辆自重大，车体腐蚀严重，维修费用很高，越来越难以满足 市场需求。因此，研制国产铝合金地铁车已经成为当务之急。 论文在大量搜集资料的基础上，分析比较了国内外铝合金轨道车辆 发展及现状，研究了制造铝合金车体的组成要素：车体的选材、结构设 计、强度计算、工艺制造和静强度试验等内容，并把研究结果运用到铁 道部科研项目“自主知识产权国产地铁列车”铝合金车体的研制上，对 该车的研制起了重要作用。 本文建议：地铁铝合金车体应选用刚度大、工艺性好的闭口型材结 构。针对目前地铁车体强度设计、试验地载荷值不统一的现状，提出了 建议值。 关键词：地铁铝合金车体、材料、设计、工艺、强窿计算、试验 a b s t r a c t l i g h t e n i n gw e i g h ti st h ei m p o r t a n tg o a l f o rm o d e mr a i l w a yv e h i c l e d e s i g n ，p o s s e s sh u g ea n dl o n g t e r me c o n o m i cb e n e f i t s w i t he c o n o m i cr a p i d d e v e l o p m e n t ，m e t r oc o n s t r u c t i o n sa r ev i g o r o u s l yr i s i n ga r o u n dt h ec o u n t r y m a n yc i t i e sr e q u i r et oa d o p tl i g h tw e i g h tc a r b o d i e s ，s o m ec i t i e se v e n l ys p e n t al o to fm o n e yb u y i n ga l u m i n u ma l l o yv e h i c l e sf r o mf o r e i g nc o u n t i e s m o s t l o c a lm e t r ov e h i c l e sa d o p tc a r b o ns t e e lo ra n t i c o r r o s i o nc a r b o d i e sw i t hl o w c o s t ，h e a v yt a r ew e i g h t ，e a s yc o r r o s i o na n dh i g hm a i n t e n a n c ee x p e n s e s ， w h i c ha r em o r ea n dm o r eh a r dt om e e tm a r k e tr e q u i r e m e n t t h e r e f o r et h e d e v e l o p m e n to fa l u m i n u ma l l o yc a r b o d yi su r g e n ta tp r e s e n t t h i st h e s i sa n a l y z e da n dc o m p a r e dd e v e l o p m e n ta n ds t a t u so fd o m e s t i c a n do v e r s e a sa l u m i n u ma l l o yr a i l w a yv e h i c l e so nt h eb a s i so fl a r g en u m b e r s o fi n f o r m a t i o n s t u d i e dr e l e v a n tp r o c e d u r ef o r m a n u f a c t u r i n ga l u m i n u m a l l o yc a r b o d i e sa sc a r b o d ym a t e r i a ls e l e c t i o n ，s t r u c t u r ed e s i g n ，s t r e n g t h c a l c u l a t i o n ，p r o c e s sa n ds t a t i cs t r e n g t ht e s te t c t h er e s u l t sw e r ea p p l i e dt o t h el o c a l i z e da l u m i n u ma l l o yc a r b o d yw i t hi n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t y t h et h e s i sh a ss i g n i f i c a n te f f e c to na b o v ev e h i c l ed e v e l o p m e n t t h i sa r t i c l es u g g e s t sm e t r oa l u m i n u m a l l o yc a r b o d ys h a l la d o p t p r o f i l e c l o s e ds t r u c t u r ew i t hh i g hr i g i d i t ya n dg o o dm a n u f a c t u r a b i l i t y a g a i n s tm e t r oc a r b o d i e sd e s i g na n dt e s tl o a d v a l u e sa r ei d e n t i c a l ，t h e s u g g e s t i o nv a l u e sw e r er a i s e di nt h ea r t i c l e k e yw o r d s ：m e t r oa l u m i n u ma l l o ) c a r b o d y ，m a t e r i a l ，d e s i g n ，p r o c e s s ， s t r e n g t hc a l c u l a t i o n ，t e s t 北京交通大学工程硕士论文 第一章导言 1 1 问题的提出 我国是一个发展中的大国，人口众多。自从改革开放以来，随着经 济的发展，我国城市化进程逐步加快，城市人口急剧增加，人员出行和 物资交流频繁，使城市交通面临严峻的局面。目前我国百万人口以上的 大城市有3 6 座，5 0 1 0 0 万人口的城市有4 3 座。这些城市基本上仍采 用传统的公共汽车、无轨电车等交通方式，这种单一的交通方式越来越 难以满足现代城市公众出行的需要。上世纪6 0 年代城市公交运营速度平 均4 0 k m h ，到了9 0 年代已经下降到平均】o k m h ，这就造成了大量自行 车涌上接头，出租车不断增长，小汽车开始进入家庭。各种车辆混行在 道路上，城市道路变得拥挤不堪，交通秩序难以管理，交通事故不断。 我国城市的道路基础设施条件都比较差，路网密度很低。改革开放 以来，道路基础设施的建设速度加快，但是赶不上机动车增长的速度。 与此同时，汽车产生的尾气、噪声，对环境造成了污染，严重危害了人 们的身心健康。如何解决我国城市交通普遍存在的、且r 益严重的“行 路难”问题昵? 从国外城市交通发展的经验来看，西方国家也都经历了 一段小汽车泛滥成灾导致城市交通陷入困境的痛苦年代，不得不重新考 虑发展公共交通的策略，从“上天入地”中寻找到了出路，重点发展了 地铁、轻轨城市轨道交通系统，才最终改变了城市交通的混乱状态。因 此，越来越多的专家及有识之士认识到发展城市轨道交通，特别是大运 量的地铁爿是解决我国城市交通紧张问题的唯一出路。 地铁是指采用锢轮、钢轨进行导向运行台勺夫运量城市公共客运系统。 它修建在全封闭线路上、采用专用轨道、专用信号、独立运营的轨道交 通系统：单向高峰小时客运能力一般在3 0 0 0 0 人次以上；线路设在地下 的隧道内，有时也延伸到地砸或设在高架桥上。 l8 6 3 年1 月1 0r ，英国伦敦开通了世界上第一条地铁线。经过近 1 4 0 年的发展，截止2 0 0 1 年，全世界己有4 4 个国家1 1 5 个城市建成地 北京交通大学工程硕士论文 铁，总计运营里程6 3 0 0 多公里，拥有运营车辆5 8 8 0 0 多辆。主要集中在 英国、法国、德国、瑞典、西班牙、俄罗斯、美国和日本等国的大城市， 其运营里程占4 2 ，拥有车辆占5 2 ，见表1 一l 。 表l l世界主要城市地铁概况 国家城市开通时间线路长度( k m )车站数越 车辆数量( 辆) 美国纽约1 9 0 4 3 7 14 6 85 7 9 i 华盛顿1 9 7 6 15 4 6 7 8 7 6 4 芝加哥 1 8 9 23 5 8 21 4 3 1 1 9 0 归金山 1 9 7 21 5 33 96 7 9 日本东京 1 9 2 72 4 8 72 3 63 1 6 7 大坂 1 9 3 31 1 5 61 1 l1 2 0 0 俄罗斯莫斯科 1 9 3 52 6 21 6 04 1 5 8 圣彼得堡 1 9 5 59 8 65 81 3 5 7 英国伦敦 1 8 6 34 0 82 7 55 1 1 2 法国巴黎1 9 0 0 2 1 l2 9 73 5 6 9 德国柏林1 9 0 2 1 4 3 31 6 91 3 8 8 汉堡1 9 1 2 1 0 0 78 98 3 9 科隆1 9 7 8 1 8 9 72 2 l3 4 8 瑞典斯特哥尔摩1 9 5 0 1 0 6 11 0 08 9 7 曲班牙马德里1 9 1 9 1 7 62 0 21 3 2 2 瓦伦萨 1 9 8 81 5 9 ，5 9 62 2 7 我国地铁车辆的生产和使用均始于2 0 世纪6 0 年代。1 9 6 4 年根据中 央修建北京第一条地下铁道的要求，铁道部组织了长春客车厂( 简称“长 客”) 、株洲电力机车研究所、唐t h 铁道学院、四方车辆研究所、大连内 燃机车厂和湘潭电机厂等单位进行了方案设计。在此基础上，参照前苏 联莫斯科“”型地铁车，1 9 6 7 年长客利用国产材料和配件，生产出2 辆d k l 型地铁车，填补了国内空白。1 9 6 9 年l o 月，我国最早的北京地 铁建成通车，天津地铁建于7 0 年代，1 9 8 4 年正式通车。由于地铁建设 投资犬，在相当长的时叫罩，只有北京、天津建有少量地铁，使用的都 是长客生产的地铁车。1 9 7 3 1 9 7 7 年，长窖又向朝鲜平壤出口1 1 2 辆。 8 0 年代，我国对外交往逐步多。人，长客从只本东急乍辆椽式会社引进了 北京交通夫学t 程硕十论文 3 辆地铁样车，吸收了日本地铁车辆的经验。1 9 9 7 年1 9 9 9 年向伊朗德 黑兰出口2 1 7 辆地铁车，到2 0 0 0 年，长客累计生产了3 1 个品种( d k l d k 3 1 ) 、总计8 8 8 辆地铁车。国标g b 厂r 7 9 2 8 2 0 0 3 把这种车定为b 型地 铁车，主要参数：车体长1 9 m ，车辆最大宽度2 8 m ，车辆定距1 2 6 m ， b 型中间车可超员乘载3 3 5 人辆。除了1 9 8 9 年1 9 9 0 年研制了1 辆d k l 9 型铝合会车体的地铁车外，长客生产的地铁车均采用碳钢、耐候钢车体。 2 0 世纪9 0 年代，上海地铁1 、2 号线和广州地铁1 号线的建设由德 国政府贷款，从德国进口了4 3 2 辆地铁车，其主要特点：车体长2 2 1 m ， 车辆最大宽度3 m ，车辆定距1 5 7 m 。国标g b f t 7 9 2 8 2 0 0 3 把这种车定为 a 型地铁车，a 型中间车超员乘裁4 3 2 人辆。表l 2 列出了 g b t 7 9 2 8 2 0 0 3 中a 、b 型车的主要技术参数。可见，a 型车的外形尺 寸比b 型车大，该车采用铝合金车体，它也把德国及欧洲地铁车辆的设 计理念和相关标准引到中国，对我国地铁车辆的制造和使用产生了重要 的影响。 表1 2a 、b 型车的主要技术参数 序号项目名称a 型午b 型车 l下体基本长度( m m )2 2 0 0 01 9 0 0 0 2乍辆最大宽度( m m )3 0 0 02 8 0 0 3地板面高( m m )1 1 3 01 1 0 0 4轴重( t ) 1 61 4 3乍辆定距( m m ) 1 5 7 0 01 2 6 0 0 6嘲定轴距( m m ) 2 2 0 0 2 5 0 02 0 0 0 2 3 0 0 7 每侧乍j 数( 对) 4r 、53 4 随着经济的快速发展，我田地铁建设热潮在全国兴起。截至2 0 0 0 年，北京、天滓、上海、广州等城市轨道交通的运营早程达到1 4 6 公里， 封j 有车辆1 3 1 6 辆f 表1 3 ) 。深圳、南京、重庆、大连、武汉等城市证 在建设的地铁线有1 6 条共3 3 0 多公q 1 ，约需车辆2 0 0 0 辆。沈阳、哈尔 滨、济南、青岛、西安、郑州、成鄙、杭州、福州、长沙、厦门、昆明、 佛d i 等大巾城市m 存钗极筹划建设小类掣的轨道交通。据预测，未来 北京交通大学工程硕士论文 1 0 年，新建各种类型的轨道交通将达到1 0 0 0 公里左右，需车辆5 0 0 0 6 0 0 0 辆，我国城市轨道交通车辆将进入快速发展的历史时期。 表l 一3中国己建成地铁轨道交通概况 城市线路名称开通时间线路长度( k m )车站数量( 个)车辆数量( 辆) 1 号线1 9 6 9 1 02 3 61 96 0 6 北京环线1 9 8 4 ，91 8 41 2 复八线 1 9 9 9 91 3 51 11 7 4 天沣新华路站两站 1 9 8 4 1 27 482 4 1 号线 1 9 9 5 4 2 0 9 1 61 7 4 上海2 号线1 9 9 9 91 8 6 1 31 4 4 3 号线 2 0 0 0 2 5 31 9 1 6 8 j “州l 号线1 9 9 8 61 8 ，4 81 61 2 6 表1 4 列出了进口与国产地铁车辆的采购价格，由于进口车价格非 常昂贵，而我国还属于发展中国家，经济实力有限，难以承受过高的地 铁车辆采购价格。因此，市场呼唤着技术先进、造价低廉的国产地铁车。 】9 9 9 年7 月2 8r ，铁道部召开了关于开发我国自主知识产权的城市 轨道交通装备工作会议，会议确定在2 年左右的时间里研制1 列具有自 主知识产权的地铁列车。南京浦镇车辆厂、长春客车厂被确定为主机厂， 与国内配件厂家协作共同研制1 列自主知识产权的a 型地铁车( 简称“国 产地铁列车”) ，其目标：采用铝合金车体，车辆的性能、技术参数达到 或接近德国生产的广州地铁l 号线地铁车。列车编组：t c + m + m + m 1 - m + t c ，其中t c 为带司机室头车，m 车为中间动车。 表1 4进口与国产地铁车辆的采购价格 项h 名硝：上海1 号线上海2 号线广州1 号线北京复八线 | 乍体材料 铝合金 铝台金铝合金耐候钢 传动方式斩波调压交流传动交流传动交流传动 l ：辆总数( 辆) 9 62 1 0 1 2 6 1 7 4 i 每辆( 万关元) 1 l51 0 5 1 8 0 6 0 1 制造j 商德国a d t r a n z德国a d t r a n z德国a d t r a n z中国k = 客 北京交通大学工程顼七论文 1 2 开发地铁铝合金车体的意义与可行性 轻量化是现代轨道车辆设计的重要目标。一方面，轻量化减轻了车 辆自重，节约了原材料、降低了制造成本：另一方面，轻量化减少了车 辆的牵引力和制动力、实现了节能降耗，并有效地减少了线路的负衙、 节约其维修费用。可见，轻量化具有重大而长远的经济效益。车体的轻 量化是车辆轻量化的关键，即在保证车体的强度、刚度、稳定性及寿命 的同时，使结构更轻。由于碳钢、耐侯钢车体的设计中，在考虑强度等 问题的同时，还需要考虑腐蚀问题，钢板的厚度要留有腐蚀余量。因此， 实现车体的轻量化最为有效的办法是采用新材料。 车体轻量化材料主要有不锈钢和铝合会。我国铝资源十分丰富，而 生产不锈钢的c r 、n i 却比较缺乏，因此从国情来看，采用铝合金比不锈 钢更合理。铝合金车体虽然造价高，但车体密封性好、防腐性能好，可 减轻5 0 的重量；同时，零部件数量少、制造工艺相对简单。因此，铝 合金车体不仅适用于高速列车，而且也适用于地铁车。 世界上最早采用铝合金车体的是1 9 5 2 年伦敦地铁车。1 9 5 4 年，加 拿大多伦多的地铁车也采用了铝合金。2 0 世纪6 0 年代以后，德国科隆、 波恩的市郊电车以及该国的铁路客车也相继实现了铝合金化，1 9 6 2 年， 日本从原联邦德国引进了铝合金车体技术，生产了日本最早的铝合会车 山阳电铁2 0 0 0 系。由于重量轻、密封及防腐性能好，铝合金车体在 国外高速车、地铁车上得到越来越广泛的应用。截止1 9 9 1 年，f l 本的铝 合会客车已超过5 0 0 0 辆，欧洲已超过8 0 0 0 辆。近年来，铝合会客车的 数量仍在增加，在轻量化车辆中，铝合金车已趋于主流。 我国对铝合会车体的研究起步比较晚。上个世纪9 0 年代以后，随着 经济的快速发展，卜海1 、2 号线和广州l 号线从德国共进口4 3 2 辆铝合 金地铁车，从而在固内掀起了铝合金地铁车热。上每、广州、武汉和重 庆等城市选定铝合金作为地铁车车体材料。迅速发展的铝合金车辆市场， 引导着酬内轨道年辆制造企业静! 极投身到铝合金车体的研究t ， 长客足崮内铁路客f 和地铁车辆的重要牛产基地。1 9 8 9 1 9 9 0 年为 北京交通大学工程硕士论文 北京地铁公司设计制造l 辆d k l 9 型( 车辆编号为“北京4 4 2 4 ”) 铝合 金地铁车，它是我国第1 辆铝合金客车。该车借鉴了同本的设计经验， 车体采用铝合金板梁焊接结构，长1 9 m 、宽2 6 m ，自重7 3 t 。自1 9 9 0 年投入运营以来，己运行了1 0 0 多万公里，未发现质量问题。车体使用 的铝板、型材主要来自东北轻合会厂，地板铝型材由西南铝厂提供。骨 架采用7 0 0 3 - - t 6 、7 a 0 5 一t 6 、6 0 6 1 一t 5 和5 0 8 3 一h 1 1 2 小断面型材， 板材主要采用5 0 8 3 一o 铝板。在d k l 9 型铝合会车的试带i i 中，积累了设 计、制造方面的初步经验。 在“八五”期间，在铁道部科技司的支持下，借鉴德国i c e 高速车 的设计，长客于1 9 9 7 年试制出了我国第l 辆大断面型材结构的高速铝合 金车体，并通过了静强度试验。车体断面为鼓形，长2 5 5 m 、最大宽度 3 0 2 m ，自重9 3 吨。该车侧墙、底架均采用大断面闭口型材，车顶采用 开口型材并设有弯粱，端墙为板梁结构。车体型材采用6 0 0 5 a - - t 6 和 7 0 0 5 - - t 6 。受当时铝型材挤压工业技术水平的限制，大断面型材从德国 进口，板材由西南铝厂挤压成型：受当时工艺装备水平的限制，所有焊 缝均由手工施焊完成。该车的成功试制为我国铝合会车体的研制、丌发 打下了t 轻实的基础。 目前，国内大型铝型材生产能力进步迅速，形成一批有实力的企业。 西南铝厂和吉林麦达斯铝业有限公司各有1 台8 0 0 0 吨卧式挤压机，山东 龙口市丛林铝材有限公司拥有全世界最大的1 0 0 0 0 吨挤压机，柯鲁斯( 天 津) 铝工业型材有限公司有l 台5 0 0 0 吨挤压机，能够挤出宽度为4 0 0 8 0 0 毫米扁宽铝型材。这一切，为我们研制国产铝台金车体创造了良好 的条件。 1 3 论文的主要研究内容 铝合会车体与碳钢和耐候钢车体存在很大的差异，是- r e 全新的车 体结构。圈外经过近6 0 余年的发展与演变，在技术上己发展成熟。而我 们尚需从锅台余材料的选择、结构设计、制造j ：2 等多方面进行深入研 究，以便少走弯路，尽快地研制出具有自主知u 产议的铝合会车体地铁 北京交通大学工程顶士论文 列车。 本文的工作研究内容为： ( 1 ) 铝合金车体材料的选择 ( 2 ) 铝合金车体结构设计 ( 3 ) 车体强度计算 ( 4 ) 铝合金车体制造工艺 ( 5 ) 车体静强度试验 本文将在分析国内外文献资料的基础上，结合地铁列车车体结构的 特点丌展研究，得出国产地铁列车铝合金车体的合理用材和结构设计， 并通过有限元强度计算与静强度试验，验证设计：总结本厂以往生产铝 合金车体的经验与不足重点研究其合理的工艺流程与焊接技术。从而 国产地铁铝合金车体的研制提供参考，减少盲目性与风险。 北京交通大学工程硕士论文 第二章地铁铝合金车体的选材 2 1 铝及铝合金的分类与性能特点 18 2 5 年，月麦科学家厄尔斯泰德( h c o e r s t e d ) 发现了铝。1 8 8 6 年，工业化提炼铝的熔岩电解铝法( h a l l h e r o u l t ) 问世。短短的一百多 年从工农业各部门到人们的同常生活，铝及铝合金无不得到广泛的应 用。铝的冶炼和加工比较简便而且铝有着一系列优良的特性。 2 1 1 纯铝的一般特性 密度小，属于轻金属；可强化。纯铝的强度很低，纯度9 9 9 9 9 铝在退火状态下抗拉强度为4 5 m p a ，但是，铝通过冷变形、合金化和热 处理，可以显著地提高其强度：易加工。铝的塑性好，可扎制薄板和 箔，拉成管材和细丝，挤压成各种复杂的型材，可以大多数机床所能达 到的最大速度进行车、铣、镗、刨等机j j 3 ：耐腐蚀。铝和氧的亲和 力很大，铝及铝合金的表面易生成一层致密、牢固的a l 2 0 3 保护膜，厚 度0 1 o 2um ，熔点约2 0 2 5 ，这层保护膜只有在卤素离子或碱离子 的激烈作用下彳会遭到破坏。因此，铝有很好的耐大气腐蚀和水腐蚀的 能力，能抵抗多数酸和有机酸腐蚀，采用缓蚀剂可耐弱碱液腐蚀：无 低温脆性。在0 以下，随着温度的降低，铝的强度和塑性不但不会降 低，反而提高；导电、导热性好。铝的导热、导热性能仅次子银、铜、 会：反射性强。对光、紫外线、红外线、热辐射等都有良好的反射性 能；无磁性、冲击不发生火花；吸音性能好。 2 1 ，2 纯锅的物理性质 晶体结构。固念时为面心覆方结构。常压下温度从4 k 直至熔点 结构稳定，无i j 素异晶转变；密度。室温时的理论密度为2 6 9 87 2 k g m 2 ； 熔点。常压下纯度9 9 9 9 6 铝的熔点为6 6 0 3 7 ：热膨胀系数。体 膨胀系数为6 8 1 x 1 0 - 6 m 3 ( m 3 k j 。铝及铝合金的线膨胀系数大约为( 2 2 2 6 ) pm ( m k ) 一；热导率。2 5 。c 时，热导率为2 3 5 2 w ( m k ) 一。 21 3 钎；的力学性能 北京交通大学工程硕士论文 纯度不同的铝的主要力学性能见表2 一l ，可见，铝是强度不高、塑 性很好的金属。随着铝纯度的降低，铝的强度、硬度均增加。铝的弹性 模量小，约为钢的1 ，3 。大多数金属元素能与铝组成合金，其中铜、镁、 硅和锌是普遍采用的添加元素，即合金化的基本元素。台金化的目的是为 了提高强度，作为变形铝合会，在考虑强度的前提下，还应综合考虑加 工性能、抗蚀性以及其他特殊要求的性能。另外有一些元素，如过渡族 元素锰、锆及一些微量添加元素，对铝合金的工艺性可产生明显的影响。 表2 一l纯铝退火状态的主要力学性能 a l0bo 0 2 6t o i e ( ) ( m p a )( m p a )( )( m p a )( m p a )( o p a ) 9 9 9 94 51 05 06 2 9 9 86 02 04 5 9 9 76 52 6 9 9 67 03 04 35 02 0 9 9 58 53 03 0s 56 9 2 1 4 铝合金的分类 根据成分和生产工艺特点，铝合金分为铸造铝合金和变形铝合金。 铸造铝合金是指由液态直接浇注成零件毛坯的铝合金。铸造铝合会的表 示：用z l 开头，后面跟三位数字，第一位数字表示合金类别，如：l 为铝硅系；2 为铝铜系；3 为铝镁系；4 为铝锌系。第二、三位为顺序号， 如：z l l 0 2 、z l 3 0 5 等。 变形铝合会是指将铸锭轧制成各种板材、棒材、管材、线材等的铝 合余。根椐合金的化学或份及是否进行热处理，变形铝合金分为：不可 热处理强化合金和热处理强化台金两类。彳i 可热处理强化合会如：纯铝、 铝锰、铝镁和锅硅合金：热处理强化合金如：铝镁硅、铝铜和铝锌镁合 金。国标g b t 1 6 4 7 4 1 9 9 6 规定我国变形铝及铝合会采用国际通行的明 位数字来表示牌号。，、l 是化学成分与国际牌号注册怫议组织命名的变形 锭j 及铝合会相同的所有合余，其牌号直接采用国际四位数字体系牌号； 未与国际四位数产体系牌号的变形铝和铝台金接轨的，采刖四位。 ：符牌 北京交通大学工程硬上论文 号命名，第一、三、四位为阿拉伯数字，第一位数字表示铝及铝合金的 组别；第二位为英文大写字母( c 、i 、l 、n 、o 、p 、q 、z 字母除外) 。 表2 2 列出了我国变形铝及铝合会的类别与性能特点。 表2 2变形铝及铝合金的类别与性能特点 牌号台金类别特点 强度较低，耐腐蚀性能，焊接t ：芝忭很好。代 1 x x x 锚的肯量币小于9 9 0 0 表材料：1 1 0 0 、1 0 5 0 耐腐蚀性、焊接工艺性均小好，强度和钢相似， 2 x x x 以制为主要合金元素的锚含盘 切削性好代表材料：2 0 17 、2 0 2 4 、2 0 1 1 耐蚀性、成形性与纯锚几乎一样，强度稍低。 3 x x x以锰为主要台金元素的铝台金 代表树抖：3 0 0 3 、 4 x x x以硅为土要合会元素的铝台会熔点低，可作焊接材料。代表材料：4 0 2 3 、4 0 4 3 耐腐蚀性、焊接工艺性、戚形件很好，强度比 5 x x x以镁为主要合会儿豢的铝台金 较高。代表材料：5 0 0 5 、5 0 5 2 、5 0 8 3 、5 0 5 6 以镁硅为土舞合金元素的的铝塑性、耐腐蚀性好，强度一盎挤性能好。代 6 x x x 台金表材料：6 0 6 l 、6 0 6 3 焊接工艺性、耐腐蚀性都珂：好强度最高。代 7 x x x蛆锌为主要台金元素的铝台盒 表材料：7 0 0 3 、7 0 7 5 以其它台金，c 素为主要含余元 8 x x x 案的铝台会 9 x x x备用台衾组 2 1 5 变形铝合金的状态代号 国标g b t 1 6 4 7 5 1 9 9 6 规定：变形铝合会的基础代号用一个英文大 写字母表示，洋见表2 3 变形铝合会基础代号。细分状态采用基础代号 后跟一位或多位阿拉伯数字表示。对j ：热处理合金，t 4 表示围溶处理后 自然时效至基本稳定的状态。t 5 表示由高温成型过程冷却，然后进行人 工时效的状态。t 6 表示固溶处理后进行人工时效的状态：对f ：不可热处 理合会，h l 表示单纯加工硬化装态。h 1 4 表示其加丁：硬化程度为1 2 硬 装惑；h 2 表示热加工成型，力学性能有要求。 0 北京交通大学工程硕士论文 表2 3 变形铝合金基础代号 代号名称 说明与应用 使_ i j 丁住成型过程中，对于加工硬化和热处理条件无特殊 f 1 3 由加i ：状态 要求的产品，该状态的力学性能不作规定。 o 退火状态适川丁- 经过完全退火获得晟低强度的加。r 产品。 适h 丁通过加i ：硬化提高强度的产品，产品在加：【：硬化后 h 加l ：硬化状态可经过( 也可不经过) 使强度有所下降的附加热处理。 h 后面必须跟两位或三位阿拉伯数字。 一种不稳定状态，仅适川r 经同溶热处理后室温下自然 w 同溶热处理 时效的合金，该状态代号仅表示产品处于自然时效阶段。 适_ e 丁热处理后，经过( 或不经过) 加1 ：硬化达到稳定状 t热处理状态态的产品。 t 代号后面跟有一位或多何阿拉伯数字。 2 2 车体用铝合金 变形铝合金中的5 0 0 0 系铝镁合金、6 0 0 0 系铝镁硅合金和7 0 0 0 系铝 锌合金都具有较高的强度，在轨道车辆中被用作车体结构材料。德国主 要使用a i m g s i 0 7 ( 相当于6 0 0 5 a ) 型材和a i z n 4 5 m g l ( 相当于7 0 2 0 ) 、 a i m 9 4 5 m n ( 相当于5 0 8 3 ) 板材：闩本使用了5 0 0 5 、5 0 5 2 、5 0 8 3 、6 0 6 1 、 6 0 6 3 、a 6 n 0 l 以及a 7 n 0 1 、7 0 0 3 等型材和板材，其中a 6 n 0 1 、a 7 n 0 1 为日本独有的牌号，n 是n i p p o n 的缩写。表2 4 和表2 5 列出了轨道 车辆常用铝合金的化学成分与机械性能。 为了比较铝合会材料的挤压性能，把挤压性能很好的6 0 6 3 合金的挤 压性定为1 0 0 ，把它与其它铝合金进行比较，就得出了锅合金的相对挤 乐性，见表2 6 铝合金相对挤压性。 卜面对轨道车辆常用的5 0 0 0 系、6 0 0 0 系和7 0 0 0 系铝合金的特点极 其应用简单介绍如下： go；工1r芒*氅糕雹10z，面10z。h 茹一援簧星搿枉躲最懋乓幕鲁繇牛垂磷一毒一 捌妊 奄罄 茸蚓 嚣 謦越 谣堪谣谣 谣谣 崔摇甾 - 酋 一 = 4 - 罄一 ?o o n 喜 9s 詈j o 卜 罄 od o 型 岛 宅景 =o 笔甲：； 芏 。 景 qq 占 ?f 寸 毒甘 z ”nn n 1n ，j ? 寓 。f oo q ooo o 卜口 邙 o q 占 品 鸡 f ，f ， ? ? 占 ，f 叶 一 穹 oh t 寸 o 。 一 虮 一 毒 oo o 。 ： 一 & t i 亳 g o o 口 ? 晷 虮 。 靛 。 o o ，吊 r 。 oo 一 鬟_)求登扑晕s嬉姐器噩壮罨卦测毒 t ，i n 懈 北京交通人学工程硕士学位论文 表2 5轨道车辆常用铝合金的机械性能和用途 牌号状态形态 ob0o 2 6 特点用途 ( m p a )( m p a )( ) 5 0 0 5h 1 4 板 1 3 51 1 03 防腐性能很板梁结构车体的顶 好、强度中等板、波纹地板、地 板和内装饰板 5 0 5 2o 板防腐性能良板梁结构车体的顶 h 3 2 板 2 1 51 5 55 好、强度中等板、车项骨架、地 h 2 型材 2 3 51 7 53 板和门板 5 0 8 3o板2 7 5 1 2 5 1 6防腐性能良 板梁结构车体的侧 好、强度高墙板、端墙板、波 纹地板 h l l 2 型材 2 7 51 1 01 2 侧墙和端墙的骨架 6 0 6 lt 6 型材 2 6 52 4 58 挤压性良好、铆接的板粱结构车 强度高体的骨架 a 6 n 0 1t 5 型材 2 4 52 0 58 挤压性很好、日本型材结构车体 强度中等大断面铝型材 6 0 6 3t 5型材1 5 5l l o8挤压性很好、 车体结构的侧墙雨 强度低 檐、窗框、内装饰 压条 6 0 0 5 at 6 型材 2 6 02 1 58 挤压性很好、欧洲型材结构车体 强度中等大断面铝型材 7 0 0 3t 5 型材 2 8 52 4 51 0 挤压性良好、车体骨架 强度高 a 7 n 0 1t 5 型材 3 2 52 4 51 0 挤压性一般、日本铝合金车体底 t 4 板 3 1 71 9 61 i强度高 架牵枕缓结构 7 0 0 5t 6 型材 3 5 02 9 01 0 挤压性一般、欧洲铝合金车体底 t 6 板 3 5 02 9 01 0 强度高架牵枕缓结构 7 0 2 0t 6 板3 5 02 7 51 0挤压性一般、 德国铝合金车体底 强度高架牵引粱、缓冲梁 注：1 表中6 0 0 5 a 、7 0 0 5 和7 0 2 0 的数值米白e n 7 5 5 和e n 4 8 5 标准。 2 其它合金的数据来白j i sh4 1 0 0 平i lj i sh4 0 0 0 标准。 3 北京交通大学工程硕士学位论文 表2 6铝合金的相对挤压性能 牌号挤压眭能牌号挤压性能 1 1 0 0 1 5 05 0 8 32 0 1 2 0 015 0 6 0 6 l6 0 20 1 4 2 06 0 6 31 0 0 20 1 72 0a 6 n 0 19 0 2 0 2 4157 0 0 36 0 3 0 0 39 0a 7 n 0 1 4 0 3 2 0 39 0 7 0 7 51 0 5 0 5 26 0 注：根据凯撒公司的数据手册，但7 0 0 3 、a 7 n 0 1 和a 6 n 0 l 的数据则来 自r 本k o k 公司。 2 2 1a i m g 系列( 5 0 0 0 系) 5 0 0 0 系是铝镁合会，很早就用在车辆上。它不能进行热处理，可以 通过冷变形强化。纯铝的强度低，但防腐性能优越。随着镁含量的增加， 合金的强度增加，但防腐性能有所降低。该系列合金可以制成板材或型 材件，但挤压性能比其他系列合金差，不能用来挤压复杂的断面，壁厚 也不能太薄。 表2 5 中，含有少量镁、耐腐蚀性能较好的铝合金5 0 0 5 现在主要 用作车内装饰材料；铝合金5 0 5 2 现已被a 1 一m g s i 系列取代；含m g 量 较高的5 0 8 3 铝合金，具有较高的强度、耐腐蚀性和良好的焊接性能，上 世纪7 0 年代，就广泛使用于铝制车辆上，主要作为无涂装车辆的雨檐、 侧墙扳等。出于这种材料含m g 量高，挤压性极坏( 见表2 6 ) ，所以 要使它的型材薄壁化非常困难。对于5 0 8 3 板材，在加丁硬化时会出现应 力腐蚀裂纹，因此作为结构材料时应使用退火状态。应用实例：车体的 顶板、侧墙板、端墙板、骨架等。 2 2 2a i m g s i 系列( 6 0 0 0 系) 6 0 0 0 系铝合会挤压性能良好。由于含有的m g 和s i 元素，形成了塑 性良好的m 9 2 s i 相，大大改善了加r 性能可以挤压f 比较复杂的断葡 形状，同时具有中等强度。 1 4 北京交通大学1 = 程硕士学位论文 6 0 6 1 铝合金具有良好的耐腐蚀性能和挤压性能，强度比较商，特别 在t 6 状态下，屈服极限达到2 4 5 m p a 。但由于焊接接头强度低，只能用 于螺栓联接或铆接结构；6 0 6 3 铝合套具有非常好的挤压性能可以挤出 复杂的断面形状，同时耐腐蚀性、表面处理性能也好，因此在车辆上用 作窗框、内部装饰用压条等强度要求不高的零件；7 0 年代初法国开发的 6 0 0 5 a 和8 0 年代初闩本玎发的a 6 n 0 1 铝合金，有良好的挤压性能和焊接 性能，可挤压宽度( 7 0 08 0 0 ) r a m ，长度3 0 m 的大型薄壁宽幅带筋板材和大 型薄壁中空型材，是铝合金车体使用最多的挤压型材铝合金材料。应用实 例：底架边梁、地板、车顶板和侧墙型材。 2 2 3a 1 z n m g 系列( 7 0 0 0 系1 7 0 0 0 系a i z n m g 合会通常称作三元合金，挤压性能比5 0 0 0 系好一 些，但防腐性能和焊接工艺性较差。7 0 0 0 系合会是铝合金中具有较高强 度的焊接结构用合金。不仅母材，而且焊接强度也比5 0 8 3 、6 0 6 1 等合金 高。一般焊接后热影响区由自然时效就可恢复到接近母材强度，因此焊 接接头具有良好的机械性能，这是该系合金的特点。但当热处理不当时， 特别t 6 状态，会出现应力腐蚀裂纹。在车体承受载荷较大的牵枕缓部 件使用的有7 0 0 5 、7 0 2 0 、7 0 0 3 和a 7 n 0 l 铝合金。其中7 0 0 3 比a 7 n 0 1 降低了m g 的含量，提高了挤压性能，因此在挤压型材中应用较多，但 是7 0 0 3 没有像5 0 8 3 那样的酣腐蚀性能，用作外板时要涂装。应用实例： 底架牵枕缓部件，车体骨架等。 北京交通大学工程硕上学位论文 第三章地铁铝合金车体的设计 3 1 铝合金车体的结构设计 3 1 1 地铁车辆车体结构特点 地铁车辆与铁路客车都属于轨道车辆，但二者在运用条件和结构上 也存在差别：使用环境不同。地铁车辆是在城市内或城市与城郊问运 行的短途车辆，没有铁路客车那种全国联运的问题，因此各个城市地铁 车辆的技术参数不统一；地铁的客流量大。因此客室座椅一般采用沿 侧窗纵向稚置以尽量增大乘客站立区域面积；为便于乘客迅速上下车， 缩短停站时间，地铁车辆的侧墙设置几个开度较大的车门。目前，侧门 的有效开度一般不小于1 3 0 0 m m ，侧门的数量为3 5 个；运行速度不 同。由于站间距离短，地铁车辆起动、制动频繁，因此车速比铁路客车 低，一般地铁车辆最高运行速度仅为8 0 k m h ；车辆限界不同。由于地 铁车辆一般在地下隧道内运行，为了降低工程造价，总是希望减少隧道 横断面尺寸，因此地铁车辆宽度、高度较小，我国地铁车辆最大高度仅 为3 8 0 0 m m ，最大宽度为2 8 0 0 3 0 0 0 m m 。 不难看出：与铁路客车车体相比，地铁车辆车体也采用薄壁筒形整 体承载结构，但其侧墙设有数量多、尺寸大的门i s 、窗口，上述开孔削 弱了车体的强度和刚度：另外，受车辆限界制约，地铁车体的横断面较 小，这对车体的刚度也有一定的影响。 3 1 2 铝合金车体结构的刚度问题 如前所述，纯铝的强度很低，但通过冷变形、台会化和热处理，就 可显著提高其强度；另一方面，铝合金的密度( 2 7 9 c m 3 ) 仅为钢 ( 7 8 9 c m 3 ) 的l 3 危右。因此，铝合金的比强度大大高于钢材，有利于 车体结构的轻量化，这是高速列车和地铁车辆选用乍体结构材料的重要 原因。但是铝合会的弹性模量e 目；( eb = 7 0 g p a ) 只是钢的弹性模量e 目 ( e 。= 2 1 0 g p a ) 1 ，3 ，因此在相同的断面惯性矩( ij 并受到相同的弯曲 力矩作用下，铝合会车体结构的挠度将比钢质车体大得多。另一方而， 北京交通大学工程硕士学位论文 地铁车辆车体断面比铁路客车要小，面且侧墙上门、窗数量多，尺寸大。 这些都会影响车体的弯曲刚度，而对地铁车辆来说，如果车体刚度过低， 引起车体产生较大的变形，这会影响侧门的丌闭，危及行车安全；如果 车体刚度不足，又会引起车体弯曲自振频率下降，当以3 0 4 0 k m h 的 速度在线路上运行时，低阶振型很容易被激出来，这不仅严重影响了车 辆的舒适度，而且将大大削弱车体结构的疲劳强度。由上述分析不难看 出，在铝合金车体结构的设计中，要特别注意刚度问题。 3 i 3 铝合金车体的结构形式 铝合金车体韵结构主要有3 种结构形式：板梁结构、开口型材结构、 闭口型材结构。 3 1 3 1 板梁结构 早期的铝合金车体同碳钢车体一样为板梁结构，即，采用骨架敷以 薄板的结构。如日本东北新干线2 0 0 系列车等就采用这种结构，见图3 一l 。骨架与外板连接方式既有铆接，也可焊接。板粱车体结构零部件数 量多，车体工艺制造复杂：对于铆接结构，需要大量铆钉，工作量大： 对于焊接结构，控制焊接变形的生产工艺要求高。由于板梁结构的铝合 金车体刚度比较低为了提高刚度，就必须增加板厚，减重效果并不理 想。因此，这种结构已经逐步淘汰。 3 1 3 2 开口型材结构 随着铝合金挤压技术的发展，出现了车体骨架与外扳合为一体的大 断面带筋板材一开口铝型材，这就产生了开口型材结构铝合金车体： 端墙仍为板梁结构：底架多采用闭口铝型材；车顶、侧墙为开口铝型材， 车窗、门口以及车顶周边需要设置加强梁和柱。为了减少焊接变形，粱 柱与开口铝型材之问采用浮动骨架连接方式，图3 2 浮动骨架连接方 式。如r 本山阳3 0 5 0 系( 见圈3 3 ) ，上海地铁1 号线车辆均采用这种 车体结构。由于零件数量减少，省去了一些压型设备和工装、台位，车 体的制造工艺也可得到定简化。i 本的铝合金车大多采用这种车体结 构。 北京交通大学工程硕士学位论文 图3 - 1 日本东北新干线2 0 0 系车车体结构和型材的断面 图3 2 浮动骨架连接方式 北京交通大学工程硕士学位论文 图3 3日本山阳3 0 5 0 系车车体结构和型材的断面图 3 1 3 3 闭口型材结构 车体的底架、车顶和两个侧墙均为大型闭口薄壁铝型材，通过若干 条纵向连续焊缝组成车体。窗口、门口采用龙门铣加工而成，车体上基 本取消了加强梁、柱和车顶弯梁。如日本新干线7 0 0 系、德国的i c e 列 车和上海地铁2 号线、广州地铁l 号线车辆均采用这种车体结构，见图 3 4 。闭口型材车体具有很好的抗弯和抗扭剐度，车体的结构大大简化， 零件数量、焊缝的数量大为减少，易于实现自动焊，使车体制造方便、 效率高、质量好。但这种结构的车体重量比板粱与型材混合结构的要大。 闭口型材结构的车体改变了传统车体有棱有角的断面结构型式，车顶和 侧墙采用大圆弧过渡的流线形，有利于减少了横向力的作用，欧洲的铝 合金车采用这种结构的较多。 1 9 北京交通大学工程硕士学位论文 图3 4日本新干线7 0 0 系和德国的i c e 列车 3 1 4 模块化结构 近年来，欧洲的高速列车、地铁车辆制造厂商发现：多品种、小批 量生产车辆造成开发、设计、试验周期长，车辆造价高的问