宋拯宇
中车青岛四方机车车辆股份有限公司
摘要：文中介绍了轨道车辆铝合金车体在于轻量化等方面的优越性，阐述了铝合金车体结构形式及铝材的选择，并对铝合金车体设计主要的关键技术控制进行了总结。
关键词: 轨道车辆；铝合金车体；车体结构
近年来，我国轨道交通行业正处于持续高速发展阶段，其建设规模、建设速度、运营速度、舒适性及技术含量均处于世界领先行列。随着我国市场经济的迅速发展，人口流量也随之越来越大。再加上近年来节能减排理念的提出，汽车、飞机、公交车等其他交通工具虽然也得到了快速发展，但其能量消耗及CO2排放都远高于高速轨道交通。可见，大力发展高速轨道交通并实现客货分流是确保我国经济持续快速增长的基础。
1轨道车辆的轻量化要求
轨道车辆需降低车体重量，以进一步提高车辆加速度，降低牵引能耗及动能消耗，并提高制动性能，减少车辆与轨道间的冲击与磨损，降低车辆噪音，提高舒适性，增加车辆及轨道的运营寿命及运营能力。以上均对轨道车辆提出了更高的轻量化要求。铝合金具有良好的机加工性能、低成本、良好的耐腐蚀性、力学性能好等特点，被广泛应用于轨道车辆车体结构。碳纤维符合材料是近年来新兴的热门材料，但由于其制造工艺比较复杂、成本相对较高、技术还不够成熟等局限性，在轨道车辆车体中的应用比重还相对较小。
2铝合金车体结构
轨道车辆车体包括底架、车顶、侧墙、端墙等，内部安装有门窗、坐椅、隔声隔热材料、行李架、照明系统、空调系统、电视、卫生设施等。其中车体与台车均装有连接器和制动器。车体结构需要承受垂直、横向、纵向上的拉伸、弯曲、扭转等多种载荷，保持足够的刚性，并能够可靠传递牵引力和制动力。以上零部件重量构成了车辆的总重量。为降低车辆总重，铝合金材料被大量应用于车辆结构中，如车体、行李架、坐椅架、空调系统、门窗等。其中挤压铝材应用最多，约为74%，铝合金板材占比约23%，其余为锻件和压铸件，占比约3%。
2.1车体结构形式
轨道车辆铝合金车体通常采用板梁式结构。随着不断对车体结构的优化和完善，车体结构也越来越合理化、标准化。目前车体大多采用挤压型材结构。在铝合金车体结构的发展过程中，铝合金车体形式可分为以下四种：
⑴车体结构由实心型材和铝板构成，型材与铝板间通过惰性气体保护焊、连续焊接、铆钉铆接等工艺连接。因此该结构形式与钢制车体相比，只有型材与铝板间的连接工艺有所区分。
⑵车体制造结合电阻焊工艺，采用了板条骨架车体结构，连接方法多采用气体保护焊接工艺。
⑶车体结构中采用了整体结构形式，纵向加固件与蒙皮共同构成了具有一定强度的开口型材。
⑷车体结构采用大型的整体挤压型材，具有多样性截面。型材平行放置并采用连续自动焊接技术进行焊接，铝合金的力学性能被很好的发挥了出来，该形式有效降低了构件的数量。
2.2铝材的选择
铝合金车体所采用的现代化焊接技术有惰性气体保护焊、摩擦搅拌焊及激光焊，其中，在国内惰性气体保护焊要早于摩擦搅拌焊，激光焊则应用的最晚。但无论采用哪种焊接技术，铝材均焊接性能与钢材相比差异很大，所以铝材选择时需注意：
⑴由于铝合金材料具有很高的执导率、熔点低和易焊透等特点，因此应选用刚度相对较高的挤压铝型材，例如采用箱式封闭截面梁柱，车辆的底架、顶板、端墙和侧墙等可采用空心带筋挤压铝。无缝矩形截面铝材无论是抗弯强度还是抗扭强度均远高于工字型截面，应优先考虑。
⑵挤压壁板采用焊接连接时，应尽量避免或减少横向焊缝，以提高整体结构的静载荷强度和抗疲劳强度。
⑶构件框架纵架梁交汇处、转角处、截面筋部位应采用大圆弧半径倒角，以降低该部位的应力集中。焊缝分布间距应合理，避免过度集中，从而提高构件的整体强度。
⑷根据各零部件的受力情况的不同，合理选择部件的尺寸、用材及加工工艺，确保部件强度的同时避免材料浪费和增加重量。
3铝合金车体性能比较
轨道车辆车体采用铝合金能够大幅降低车身自重，对于提高车辆的运营性能至关重要，能够承受规定的载荷和一定的意外碰撞和冲击，同时还具有抗腐蚀、抗震、耐磨、易加工、维护成本低等优点。表1为常用材料综合性能比较。
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4铝合金车体关键技术控制
4.1车体设计
铝合金车体设计的重点是型材设计。型材的宽度偏差、壁厚偏差、插口形式、筋的布置和尺寸等设计参数是否合理均会对车体整体尺寸偏差、焊接熔透性等产生很大影响。如插口槽偏差过大，插接后不能对间隙进行调整，进一步影响焊接质量；型材宽度偏差过大，会严重影响整体部件焊接后尺寸，造成部件报废。因此，型材的设计必须充分考虑尺寸偏差、刚度及焊接余量。
4.2零部件设计
铝合金的焊接难度较大，焊接热影响区较大，补焊会产生不可逆转的影响，关键部位的补焊可能带来致命隐患。因此铝合金零部件设计时要避免和减少补强，遵循等强度原则。
4.3焊接
目前铝合金车体自动焊接技术多采用MIG和FSW法，车体焊接分为大部件自动焊和总组成自动焊，关键的小部件也宜用机械手自动焊接。在自由状态下焊接铝的变形比钢的大2倍，过大的焊接变形无法修整，因此，在铝合金焊接过程中，必须采取适当有效控制变形的手段。铝合金焊接变形的控制通常采用大部件整体反变形技术、压铁防变形技术、真空吸盘固定防变形技术、大刚度卡具防变形技术。这些防变形技术在中国的车体制造厂都在采用。零部件在焊接后须进行一次变形调修，通常采用的调修技术有: 机械加压法、火焰调修加压铁配重法等，也可几种方法综合运用。
4.4分块装配
由于铝合金部件的焊后变形量大，焊缝收缩量与焊缝周围刚度有关，难以精确计算焊后收缩量。因此，需减少最终装配焊缝数量，通常只留两道装配焊缝，以确保整体焊后的尺寸偏差。
参考文献：
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