不銹鋼地鐵車單、雙層板結構分析

李剛

摘 要： 闡述了不銹鋼車體單、雙層結構的基本形式，并對兩種結構的優缺點進行分析，通過實際應用將單、雙層板綜合使用，將各自優點充分發揮。

關鍵詞：車體鋼結構;板梁結構;SUS301L不銹鋼

1 ? 前言

不銹鋼地鐵車輛的車體部分是由底架、側墻、端墻和車頂構成的薄壁筒型整體承載結構。車體結構具有足夠的強度以承受車輛運用過程中的各種載荷。在確保有足夠的強度和剛度的前提下實現輕量化。

2 ? 結構介紹與分析

不銹鋼車體的材料種類、結構型式決定了車體的輕量化水平。在保證一定的車體強度、剛度要求的前提下“薄壁筒型整體承載結構”被公認為實現車體結構輕量化的唯一有效途徑。由于鋼材密度較高且加工工藝限制，無法采用鋁合金車體的閉口型腔式結構，因此“板梁組焊結構”就是鋼車體的基本結構思路，有關不銹鋼板梁結構主要有以下兩種形式。

2.1 單層外板補強結構

為了提高車體強度同時又要實現車輛輕量化的要求，車體主要是選用高強度的SUS301L中MT、HT材料[1]，有關301L不銹鋼各種調質狀態下的強度見下表：

其中車體主要承載構件中底架邊梁、側墻邊梁、立柱、側墻“外板補強”均選用HT、ST級別，其它強度要求不高的區域采用DLT級別。由于側墻屬于外露部分，既要滿足強度同時還要兼顧美觀效果，因此減少側墻外板自由區域（梁、柱之外的部分）是唯一途徑。其中通過適當的增加梁、柱的密度，是一種有效的方法，既可以提高整體強度也增加了剛度。但是考慮輕量化的前提下，在承受載荷較小的區域，可將梁的斷面適當改進，其目的主要是提高外墻板的剛度，此補強梁采用0.8mm厚的HT冷軋型材，并將補強梁與墻板點焊一起，此種結構就是所謂的單層外板補強結構，見圖1。單層外板補強結構的最大特點就是墻板仍保留一部分自由區域，即1.5mm厚度區。這種結構制造成本低、工藝簡單，材料強度高、型材剛度大、補強效果好、可根據強度計算和試驗結果選擇補強位置和型材形狀補強針對性強，能夠實現最大輕量化的同時確保車體承載結構具有無限壽命。但是由于此結構不能完全將墻板自由區完全覆蓋，當車體在后續焊接過程中不斷產生內部應力，因此在沒有補強梁的區域仍然有表面不平的現象，其美觀度受到了一定影響。

2.2 雙層外板補強結構

為了克服單層外板補強結構的缺陷，在十多年前國外車輛制造商為了提高制造工藝和降低材料成本，將SUS304厚1mm板材一次沖壓成型，開發了雙層外板補強結構，并將這種結構開始應用于實際生產。此結構就是在梁柱之間墻板自由區域全部覆蓋一塊沖壓成型的補強板，使外墻板不存在自由區域。整體補強板結構使側墻的整體剛度有效地增加，受力更均勻，外墻板抗失穩能力提高，其表面平面度得到了極大地改善。

但此結構未被大批量的使用，理由一是重量大，采用SUS301L的外墻板厚1.5mm（為了外觀平整用的厚了一點）而整體沖壓成型的內層補強板最薄也要0.8～1mm，復合后總厚度為2.3～2.5mm;另一個理由是強度低，SUS301LHT材料屈服強度最小為685N/mm2，而SUS304材料屈服強度只有為205N/mm2。如果采用DLT材料，其沖壓成型將會受到限制。同時，與單層補強板結構相比，其沖壓模具的制造成本也將大幅提高。

我國一些車輛制造商也對“整體沖壓成型內層筋板”結構進行過研究，并制造出了實際的車輛（見圖1），但基于上述理由沒有大批量采用。

3 結論

經過實際生產的驗證，在車體承載要求較高且焊接量較大的區域宜采用雙層板補強結構，此時可將雙層板的剛度大、平整度較好的優勢得以體現。在車體承載要求一般的項目中，宜采用單層外板補強結構，該結構對車輛輕量化有較大貢獻，節約能源。

同時，通過計算機仿真分析，可以在部分區域采用單層外板補強結構，部分區域采用雙層板補強結構以優化現有車輛設計，即將兩種補強方式同時應用，相互之間取長補短，可獲得車體強度和輕量化之間的平衡。

參考文獻：

[1] JIS4305-1999，冷軋不銹鋼板及鋼帶技術標準[S].日本標準協會.