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輕量化材料鋁合金車體的發展與選擇
張九高 主任工程師(上海申通軌道交通研究諮詢有限公司)
摘 要
簡述了機車車輛採用鋁合金輕量化材料的特點及用於車體的優越性，鋁合金車體的發展現狀和鋁合金車體結構的設計及材料選擇，車體材質機械性能及其常用鋁合金化學成分等。
關鍵詞
輕量化材料；鋁合金；車體；機械性能；化學成分
在鐵道交通行業，隨著機車速度的不斷提高，輕量、重載已成為現代化機車車輛運輸的重要標誌。要做到輕量、高速、重載，就必須減輕車體自重，採用不鏽鋼、鋁合金材料是減輕車體自重的有效措施。不鏽鋼因其密封性較差，一般適用於製造160～200 km/h的準高速機車，而鋁合金材料用於製造200 km/h 以上的動車組較為優越。
對機車減輕自重的呼聲越來越高，同時又要保證焊接接頭強度及結構安全性，鋁合金因其密度小、可回收性好，在保證車體同等強度下，車體自重最大可減輕5 0 ％ ，而且鋁合金的耐腐燭性好，可以延長車輛使用壽命〔1〕。同時由於鋁合金車體的密封性好的特點，鋁合金繼不鏽鋼車體之後，近年來得到越來越廣泛的應用。因此，生產製造鋁合金車體是動車組和城市軌道車輛發展的必然趨勢〔2〕。
1、 鋁合金的特點及用於車體的優越性
1.1 鋁合金的特點
鋁是地球上儲量豐富的金屬之一。以鋁為基，加入不同形式的強化金屬,再通過時效強化的方式，可以獲得不同用途的鋁合金。在鋁合金車輛上，根據不同部位的使用要求、綜合強度、製造工藝、耐腐蝕等方面的要求，選擇不同的鋁合金材料。在城市軌道車輛上, 一般選用6005A 、6082 、6060 、5083 、7020 、7005 和5754 鋁合金作為車輛結構用材,其它鋁合金由於強度、焊接性等原因很少採用。
1.2 鋁合金車體的優越性
(1)高安全性。車體材料的重要指標就是車體的安全性，鋁合金材料的密度約為鋼材的1/3，具有較高的強度質量比（屈服強度/密度），由於車體由於採用了型材結構，剛度比普通碳鋼車好很多，可大大降低車輛自重，增加載重能力。在動車組牽引動能有限的前提下，車體自重的降低，顯得十分重要。動車組的鋁合金車體曾做過一項試驗，在鋁合金車體前方，用機械外力使車體前部產生1 m 的變形，對車內乘客不會產生致命傷害，而普通碳鋼車是不可能做到的。
(2)具有良好的耐腐蝕性。鋁合金表面易形成一層緻密的氧化膜，有很好的抗氧化能力，因此，鋁合金車體比碳鋼車體具有更好的耐腐蝕性，特別是車體不易塗覆的部位。同時，鋁合金表面可以化學著色、上漆、噴塗，使車體表面更加美觀。
(3)便於加工、製造和維護。製造鋁合金車體較製造碳鋼車體所需的工作量減少，鋁合金車體在底架上採用了吊掛槽生根，可以在車下任何部位吊掛，而碳鋼結構車體，必須加橫樑生根，既繁瑣, 又不易實現。因此，鋁合金車體更適於有自帶動力的分散型動車組。由於鋁合金車體大量使用型材結構，易實現自動化焊接, 提高了車體質量。同時，鋁合金件不需要除鏽，維護成本低於碳鋼車。鋁合金車體達到使用壽命後，材料一般可以回收使用, 損耗較低，且無環境汙染。
(4)成本適中，運行平穩性好。雖然鋁合金材料價格較高，但實現了車輛輕量化，使運能增加、耗能減少，也降低了維修費用，還可重複使用，具有較高的殘值利用率和回收利用價值。車體大量使用型材結構，型材內封閉隔音材料，使車體運行過程中的噪音和平穩性比碳鋼車有了明顯改善。
2、鐵道車輛用鋁合金的發展現狀
從20世紀70年代起， 鋁合金型材在國外鐵道車輛上開始應用， 鋁製車輛廣泛使用了當時在船舶上作為焊接結構材料的5083合金空心型材，主要用作橫樑和側板等。這種材料由於含鎂量高，擠壓性差，要使其薄壁化非常困難。當時還主要用於板梁結構的車體結構。
隨著車體技術的不斷髮展，開發出了敞開式鋁型材結構，使鋁合金型材向薄壁化、輕量化方向發展，此時主要採用的鋁合金型材為AI-Mg-Zn（7xxx）系三元合金。主要代表性的牌號為7Ｎ01 和7003合金，該合金是熱處理強化型合金，不僅母材強度高，而且焊接強度也比5083 和6061等合金的高。由於該合金擠壓加工性能很好，可以擠壓壁比較薄的大型寬幅型材。
早期應用較廣的是鋁合金7003，與7Ｎ01合金相比，降低了一些鎂的含量，但沒有降低焊接性能和強度，而且還能進一步提高了擠壓性能。鋁型材擠壓技術的進步，以及車輛進一步輕量化的需求，發展的閉式鋁型材結構，實現了型材的進一步薄壁化，也同時要求研製擠壓性、材料強度、焊接性以及耐腐蝕性均好的材料。
歐洲鋁型材製造商研製了一種AI-Mg-Si系的6005Ａ合金，生產了寬幅空心型材。同時，日本AI-Mg-Si系6Ｎ01 合金也達了工業標準化（ 等同於6005Ａ），並且克服了7Ｎ01鋁合金應力腐蝕。由於6Ｎ01合金的擠壓性能與6063合金相當，因而替代了原有的7Ｎ01和7003 。在日本開發的第四代700系新幹線車體制造過程中，除個別承重梁為高強度的7Ｎ01鋁合金，其它結構則採用了6Ｎ01鋁合金。
在國內動車組技術引進的過程中，CRH2型動車組採用了日系的6Ｎ01和7Ｎ01兩種鋁合金母材，主要承載部位的橫樑和牽引梁採用了7Ｎ01母材，地板採用了6Ｎ01母材。CRH5、CRH3型車則主要採用了歐系的6005Ａ和6082兩種鋁合金母材，其中6005Ａ佔大部分。
綜上所述，目前適合機車車輛擠壓型材的鋁合金材料主要有AI-Mg-Si（6000 系列）及AI-Mg-Zn（7000 系列）兩大系列，而板材也可以選擇5000系列。這兩大系列中，最具代表性是6005Ａ（6Ｎ01）鋁合金。而7Ｎ01鋁合金由於應力腐蝕問題及可回收再利用困難等原因，目前只用在日本的車型中，且應用越來越少，承重的結構中重載部位。
3、車體結構輕量化的意義
車輛能耗涉及到許多因素，其中相當比例能耗與車輛質量有關，具體數值隨車輛型式和運營速度不同而不同，運營速度越低，該比例值則越大。國內鐵道機車的研究表明，CRH1、CRH2動車組約25％的能耗與車輛質量有關。而我國大量運營的城市軌道車輛最高運營速度均不超過160Km/h，較CRH2動車組慢，因此，與車輛質量有關的能耗比例要比CRH2動車組大。車體結構是車輛體系中的一個重大部件，因此，減小車體結構質量可有效降低車輛整車質量。
此外，減小車體結構質量，還可以減小對相應設備的能力需求，使得這些設備也可以輕量化，從而可以進一步減小車輛質量和降低車輛能耗。車體結構輕量化可減小車輛軸重，從而減小輪鐵作用力，降低輪軌磨耗，減小車輛輻射噪聲以及減小地面振動。
車體結構輕量化還可以降低車輛壽命週期成本。以全壽命週期車輛的檢修工時對比為例，若碳鋼車體為100%，鋁合金車體則為52%。對於報廢車輛的回收價值，若碳鋼車體為100%，鋁合金車體則為480%。而從綜合經濟效益上來看，採用鋁合金車體經濟合理、成本適中。
4、鋁合金車體結構的設計及材料選擇
伴隨鋁合金加工製造技術的不斷髮展，鋁合金車體結構經歷了板梁焊接結構、大型中空擠壓型材與開口型材混合焊接結構和大型中空擠壓型材焊接結構３個階段。由於近年來引入了大型擠壓機，現在動車組和城市軌道車輛車體結構均採用大型中空擠壓型材焊接結構。車輛鋁合金車體結構可採用如下２種方案：
方案一：牽引梁、枕梁和緩衝梁採用碳鋼、耐候鋼、低合金高強度鋼材料，地板、車頂和側牆採用大型中空擠壓型材縱向焊接而成，端牆採用中空擠壓型材和骨架組焊結構。此方案的優點是牽引梁、枕梁和緩衝梁具有良好的抗疲勞性。
方案二：全鋁合金結構。牽引梁、枕梁和緩衝梁由鋁合金型材和鋁板焊接而成，地板、車頂和側牆採用大型中空擠壓型材縱向焊接而成，端牆採用中空擠壓型材和骨架組焊結構。採用此方案牽引梁、枕梁和緩衝梁應避免使用７xxx系材料，這主要是因為７xxx系材料可焊性差，容易產生裂紋。
車輛鋁合金車體結構材料選擇見表1〔3〕。從表1可以看出，鋁合金車體結構所用材料的強度質量比較不鏽鋼車體結構大，並且由於地板、側牆和車頂採用大型中空擠壓型材縱向焊接而成，這種結構為內部具有小間隔連續支撐的雙層蒙皮結構，能保持穩定，剛度好，且還可以做得很薄，如CRH2型車側牆型材最小壁厚為1.5ｍｍ。基於以上原因，鋁合金車體結構比不鏽鋼車體結構還要輕。
動車組鋁合金車體主結構是在引進的CRH3型動車組車體結構的基礎上設計的，車體材料選擇6xxx 系鋁合金材料，車體材料滿足DIN5513 標準；車體結構滿足EN1999 標準，車體強度設計滿足《200 km/h 及以上速度級鐵道車輛－強度設計及試驗鑑定暫行規定》及EN 12663標準。由於動車組鋁合金車體焊縫強度評價標準EN1999 的升級，如：厚度t≤5 mm 的6005A-T6 型材，1998 版的EN1999 標準中的焊縫熱影響區的許用應力為140 MPa，2007 版的焊縫熱影響區的許用應力僅為115 MPa。
因此，採用2007 版的EN1999 標準，評價動車組車體底架前端及門口局部結構時，存在強度不足現象。此外，在運營過程中動車組車體端牆和扶手出現強烈振動現象，這是由於鋁合金焊縫熱影響區強度大幅下降，6005 -T6和6082-T6焊縫熱影響區屈服強度分別為115 MPa和125 MPa，可以符合城市軌道車輛車體結構特點，因此，鋁合金車體結構設計時應儘量將焊縫佈置在低應力區。
5、車體材質機械性能及其化學成分
250 km/h動車組採用鋁合金車體，由與車體等長的鋁合金擠壓型材縱向焊接而成，鋁型材共有74 種，材質主要為6005A 和6008，車體結構的設計使用壽命為30年。與城市軌道車輛鋁合金車體相比，它在材料選用上比較單一，除司機室鋁結構蒙皮型材採用6008 外，其他部位都採用合金6005A，即使是受力比較大的部位，如牽枕部位也採用合金6005A。350 km/h 車體對於不同的受力部位選用的材料是不一樣的，對於受力大的牽枕部位，採用了屈強比和抗拉強度更高的6082 鋁合金外，在車體板材主要採用5083-H111，而250km/h車體板材主要採用5754-H22 和6082-T6。
選材上的不同，體現了國內吸收西門子和阿爾斯通在車體結構設計技術上的不同理念，國內設計強調車體用料的一致性，對於車體的不同受力狀況，通過結構優化設計來滿足車體的受力要求，而城市軌道車輛車體根據車體各個部位的受力情況，合理選用不同的材料來滿足車體的受力要求。350 km/h 動車組車體結構設計中一個很大的特點就是大量採用型材，這樣在簡化結構、減少焊縫數量、提高焊縫接頭的裝配精度、提高焊接接頭質量的同時，還降低了工人的勞動強度，提高了生產效率。
車體鋁合金材料的化學成分執行EN 573-3-2009 的有關規定，機械性能執行EN 755-2-2008、EN 485-2-2013 的有關規定。表2為鋁合金6xxx系列型材化學成分。
表2 鋁合金系列型材化學成分
6、結語
隨著動車組在我國的高速發展及成功運行，鋁合金車體將逐步取代碳鋼而應用於城市軌道車輛中。通過對動車組鋁合金車體的消化、吸收，使我們對於動車組車輛鋁合金車體的結構特點、鋁合金型材和板材選用方法的關鍵技術參數、以及機械性能試驗方法有了一個初步的瞭解和認識。鋁合金車體作為城市軌道車輛的載體，車體結構強度、力學性能、抗疲勞性對車輛的運營穩定性和使用壽命都有重要影響，這將是我們今後科技不斷創新的課題。
參考文獻
⑴肖彥君，楊潤棟.地鐵車輛車體材料的選型分析［J］.現代城市軌道交通，2005（1）：12-14.
⑵牛得田.鋁合金車體在軌道車輛上的應用及展望［J］.機車車輛工藝，2003（3）:1-2.
⑶閻鋒.鐵路客車車體結構輕量化研究［J］.國外鐵道車輛，2016（1）:1-5.
張九高，1981年生，上海申通軌道交通研究諮詢有限公司，主任工程師，項目經理。
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