不銹鋼冷彎型材開發(fā)可行性研究報告

楊建龍

摘 要：不銹鋼車體和鋁合金車體材料不同，不銹鋼車體結(jié)構(gòu)采用板梁組合整體承載全焊結(jié)構(gòu)，一般采用進(jìn)口材料，車體成本較高，焊接程序復(fù)雜，不銹鋼的耐腐蝕能力要優(yōu)于鋁合金。鋁合金車體主要采用大型中空閉口型材承載結(jié)構(gòu)，采用國產(chǎn)型材、板材，車體材料成本較低，主要長大焊縫可實(shí)現(xiàn)連續(xù)自動焊，工藝簡單。

關(guān)鍵詞：不銹鋼;車體材料;可行性研究

0 簡述

軌道交通的目的是運(yùn)送乘客，方便人們出行。車輛則是直接容納乘客的運(yùn)載工具，確保運(yùn)能的基礎(chǔ)。為了車體具有足夠的強(qiáng)度、剛度和長達(dá)幾十年的使用壽命，需要采用金屬材料制造。

1 不銹鋼車輛

軌道車輛范指鋼輪承載、導(dǎo)向的鐵路客車和城市軌道交通的城際鐵路、市郊市內(nèi)地鐵、輕軌等車輛。

軌道車輛的車體采用整體承載薄殼結(jié)構(gòu)，以最大限度地提高車體強(qiáng)度、剛度，同時減輕車體重量。

2 不銹鋼車體的特長

在具有同等程度的車體強(qiáng)度、剛度的條件下，鋁合金可以比不銹鋼實(shí)現(xiàn)更大的車體輕量化。以車長19米，寬2.8米，高3.8米的標(biāo)準(zhǔn)B型車為例，車體重量碳鋼為9～10噸，不銹鋼為6～7噸，鋁合金為4～5噸。但是，須特別指出的是鋁合金熔點(diǎn)低（650℃左右），一旦出現(xiàn)火災(zāi)事故，車體有燒塌的危險，給人民生命財(cái)產(chǎn)造成更大損失。不銹鋼車體比碳鋼涂漆車體、鋁合金涂漆（或不涂漆）車體最大的長處還在于對惡劣運(yùn)用環(huán)境的適應(yīng)能力。具體表現(xiàn)在：

（1）耐大氣腐蝕性能強(qiáng)。適宜于在高溫、潮濕、空氣中含有鹽份等腐蝕介質(zhì)的南方和沿海地帶、空氣中含有SO2等工業(yè)污染相對嚴(yán)重的工業(yè)地帶。

（2）海拔高、風(fēng)沙大積雪多的高寒地帶。例如青藏鐵路車輛，現(xiàn)用任何油漆都滿足不了風(fēng)沙的磨擦敲擊和高紫外線國徽老化和劇烈溫差變化。

3 不銹鋼車體的現(xiàn)狀

不銹鋼車體起源于美國60年代。后來歐洲特別是日本發(fā)展速度最快。我國不銹鋼車起步晚，最初是1997年生產(chǎn)過不銹鋼軟臥車，那是采用SUS304的涂漆車。真正具有當(dāng)代水平的輕量化不銹鋼車，是2002年交付使用的四輛編組北京13號線城軌電動車組。之后，2003年批量投產(chǎn)天津?yàn)I海快速涂漆不銹鋼車116輛，2004年10月將完成國產(chǎn)化北京地鐵輕量化不涂漆不銹鋼車。從而揭開了我國生產(chǎn)不銹鋼車的新紀(jì)元。將于今年下半年招標(biāo)2007年前完成的北京城市軌道車輛600余輛，用戶決定采用不銹鋼車體。

正在施工中的青藏鐵路也決定采用不銹鋼車體的車輛，估計(jì)在近五年內(nèi)將會有數(shù)百輛不銹鋼鐵路客車上線運(yùn)營。

此外，杭州、蘇州、無錫等城軌車輛也大有可能選擇不銹鋼車體。就是一直采用鋁合金體的廣州城軌用戶，也在詢問有關(guān)不銹鋼車體資料。看來，未來廣州后續(xù)車輛也大有選用不銹鋼車輛的可能。總之，城市快速軌道交通車輛的大部分，邊遠(yuǎn)高寒地區(qū)的鐵道車輛都將選用不銹鋼車體。

4 不銹鋼冷彎型材在不銹鋼車體中的應(yīng)用

不銹鋼車體的演變過程分三個階段。第一個階段半不銹鋼車體和第二階段全不銹鋼車體，采用SUS304的可弧焊接不銹鋼材料和類似碳鋼車體的制造工藝。

但是不銹鋼本身不生銹，再加上設(shè)備打磨的線條具有很好的裝飾性。從環(huán)保和降低維修費(fèi)用，特別是為了滿足惡劣環(huán)境要求，不銹鋼車體應(yīng)該是不涂漆的。

為了減輕車體重量，車體構(gòu)件要用薄板（通常0.8～3mm）制造。薄板的承載能力問題不是強(qiáng)度而是剛度，即板在平面內(nèi)承受壓縮、剪切應(yīng)力而不喪失穩(wěn)定。為此，板材必須加工成各種形狀的型材，特別是長大冷彎型材。

不銹鋼的物理性質(zhì)是熱傳導(dǎo)率低，僅為鋼的1/3，熱膨脹系數(shù)大，大約為鋼的1.5倍，比電阻大，約是鋼的6～7倍（參見附件4材料的物理性質(zhì)）。因此不銹鋼車應(yīng)盡量避免焊接，特別是電弧焊，以防材料強(qiáng)度下降和產(chǎn)生焊接變形。

對不涂漆的不銹鋼車體來說凡是外露面幾乎都不得采用電弧焊。原因是除了強(qiáng)度、變形因素外，焊縫破壞了板材原來的裝飾生，修復(fù)困難且不能復(fù)原。所以車頂、側(cè)墻、底架的長大構(gòu)件都是用與車體長度相當(dāng)?shù)拈L大冷彎型材構(gòu)成。長大型材在車體中所占的比例，鐵路客車約為50%，城軌客車約為40%。鐵路客車車體約重12t，城軌客車車體重約7t，按上述比例換算的話，則型材分別為5t，2.8t，10多個品種（參見附件5不銹鋼車體圖、附件6技術(shù)協(xié)議書）。通過型材品種的開發(fā)，冷彎型材在車體中的比八一建軍節(jié)還會進(jìn)一步增加。

日本的不銹鋼車體冷彎型鋼有數(shù)十種，而且已經(jīng)形成了標(biāo)準(zhǔn)化、系列化（參見附件7RIS142不銹鋼車輛用車體型材）。

5 不銹鋼冷彎型材開發(fā)

不銹鋼是在鋼中加入Cr、Ni等金屬而形成的具有耐介質(zhì)腐蝕的鋼種。根據(jù)使用環(huán)境和腐蝕介質(zhì)、強(qiáng)度等級不同，不銹鋼有耐酸堿、耐高溫、耐大氣和不同強(qiáng)度級等種類。

車輛上用作車體的不銹鋼是一種被稱為SUS301L的奧氏體車輛專用經(jīng)濟(jì)不銹鋼。這種鋼之所以經(jīng)濟(jì)是因?yàn)橄鄬τ趭W氏體不銹鋼SUS304來說，貴重金屬Cr、Ni含量略低，并含有N。這種鋼的性能特點(diǎn)是可以利用不同的冷態(tài)加工度使其組織形式不同數(shù)量的形態(tài)馬氏體，從而具有通常稱為LT、DLT、ST、HT5個強(qiáng)度級，以適應(yīng)車體不同部位的加工工藝和設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。參見附件8材料的化學(xué)成分和機(jī)械性質(zhì)。

車輛用不銹鋼冷彎型材不同于一般結(jié)構(gòu)和建筑型材，主要特點(diǎn)一是使用的材料強(qiáng)度大、屈強(qiáng)比（σ0.2/σb）高、沒有像碳鋼那樣明顯的屈服強(qiáng)度（σs），因此成型困難;二是形狀要求嚴(yán)。

不銹鋼車體制造工藝特點(diǎn)是零部件的無調(diào)修和自動點(diǎn)焊。對于大斷面長尺寸的型材來說，要求零部件精度非常高。（參見附件9RIS1312I不銹鋼型材的尺寸精度標(biāo)準(zhǔn)）

由于上述冷彎型材的特點(diǎn)，要求冷彎加工設(shè)備品種多剛度大、模具精度嚴(yán)、復(fù)雜系數(shù)高，調(diào)整工藝難度大，成本高。一臺冷彎設(shè)備約需80～100萬元。普通斷面型材模具費(fèi)應(yīng)在15萬元左右。

6 結(jié)論

鐵道車輛用不銹鋼冷彎型材開發(fā)須投入大量人力、物力，而且隨著產(chǎn)品變化需不斷更新?lián)Q代。不銹鋼車體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生產(chǎn)周期長，工序多且復(fù)雜，所以人工成本高。不銹鋼車體材料可以不涂油漆，可節(jié)省維護(hù)費(fèi)用，車輛段不需建噴漆庫。冷彎型鋼不銹鋼車體具有不可比擬的優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)：

[1]《JIS G -2005冷軋不銹鋼板材、薄板和帶材》[S].