一种轨道列车及其车体的制作方法

本发明涉及一种轨道列车及其车体，属于轨道交通车辆车体结构技术领域。

背景技术：

随着现代科学技术的发展，轨道列车车辆对轻量化、防火安全、振动舒适等性能要求变得更加苛刻。目前轨道列车车体采用最广泛的是碳钢、不锈钢、铝合金三种材料。碳钢的强度和塑性都较好，但是密度太大，且因其易被腐蚀需要在厚度上要留有一定余量，不是轻量化结构首选材料；不锈钢的强度较高，但密度仍然不够轻量化，同时其电弧焊接性能不好，需要大范围采用电阻点焊，导致列车密封性能较差；而传铝合金的密度虽小，塑性及加工性能优，但是其耐火性较差，其绝对强度又不如钢材，影响其进一步轻量化。

因此，在轨道列车车体钢结构领域，各研究单位及制造厂家一直在不断尝试运用新材料来提高性能指标。近年来，轻量化车体结构材料研究较多的主要包括镁合金、泡沫铝和碳纤维等。

申请号为cn201010002323.6的专利介绍了镁合金轨道列车车体及其制造方法，实现了车体轻量化，但是该专利并没有针对镁合金材料的特性对车体结构进行专门设计，且镁合金的防火性能，比模量、焊接性能等方面并不如铝合金，影响其在轨道车体上的应用。从材料本身来看，镁合金为密排六方(hcp)晶体结构，常温下的变形机制存在特有的孪生模式，由于孪生变形模式存在极性，因而镁合金会表现出明显的拉伸与压缩力学性能的差异性，即拉压非对称性；另外，变形镁合金中存在明显的织构现象，导致其力学性能呈各向异性。同时，其力学性能还具有明显的应变率相关性。这种各向异性、拉压非对称性和应变率敏感性等特性也增大了镁合金结构件设计的技术复杂性。

申请号为cn200420070231的专利介绍了泡沫铝在车厢地板的应用。尽管泡沫铝自身的隔音性好，抗老化性强，强度高，不燃烧且环保，但是其在车体上应用时通常是作为夹层结构的芯材，与上下面板之间通过胶层连接，作为一个整体结构时，其抗老化性能，防火性能，结构强度等会大打折扣。因此泡沫铝夹层结构一般限于在车体地板、顶板等部位使用，难以作为主体承载结构。

申请号为cn201520712628.4，cn201611093476.x，cn201620863664.5的专利均涉及碳纤维复合材料车体结构，具有质量轻、抗冲击性能强、抗震性能、隔音隔热性能好等特点。碳纤维本身具有高比强度、比模量、耐腐蚀性能好等特点，但与泡沫铝一样通常是作为夹层结构的面板应用在车体上，在面板之间设置了泡沫铝、pet泡沫等材质制作的芯材，面板与夹层结构一般采用胶粘方式连接。其面板-夹芯的夹层结构在承受弯曲载荷或反复振动后连接表面易发生剪切剥离现象。且采用夹层结构的构件之间的连接通常采用胶粘接，或者粘胶、铆接或螺栓连接等混合形式，是整车车体最薄弱环节，往往没有足够的刚度抵抗过度的振动，采用大型的整体成型技术可避免这一弱点，但是成本将进一步急剧上升，难以实施。

铝合金仍然是目前最成熟的轻量化轨道列车车体材料，主要包括5xxx系、6xxx系和7xxx系三个系列，其中6xxx系中的6005a铝合金具有中高等强度，良好的挤压性能及耐蚀性，且焊接性好，可进行热处理强化等特性被广泛当作车体主结构型材使用。但其屈服强度只有215mpa左右，且由于挤压流动性不高限制了最小板厚，影响其进一步轻量化。7xxx系铝合金由于高强度、综合成型性能好等特点，曾经是取代6005a铝合金的重点研究对象，但由于其应力腐蚀敏感性，暂被限制使用。

近年来，原位纳米陶瓷颗粒增强铝基复合材料（即纳米陶瓷铝合金，也称陶铝）的制备技术取得了突破性发展，申请号为cn201711114899.x的发明专利，通过纳米颗粒的orowan强化、细晶强化、纳米增强体增韧和纳米析出相的弥散强化、阻尼效应以及稀土本身的细化和变质效应的作用，打破强塑性倒置的关系，获得了强塑性、抗冲击性和抗疲劳性且可挤压成型的铝基复合材料。申请号为cn201610200295.6的发明专利通过纳米陶瓷颗粒增强铝基复合材料制成的航空发动机叶片，为制造该材质的车体复杂锻件提供了可行方法。申请号为cn201810321256.0的发明专利公开了一种通过搅拌摩擦焊的搅拌头进行搅拌实现纳米颗粒弥散分布的方法，为铝基复合材料构件之间的连接提供了更优的方法。综上所述，通过在铝合金中增加纳米陶瓷颗粒，获得的新材料在保持了原基体的良好性能，纳米陶瓷铝合金密度仅2.7~3gcm-3，为钢的1/3，但是强度和普通碳钢强度相当，具备高强度高塑性的同时，还具有高的比刚度和比模量，给车体进一步轻量化带来希望。但车体的进一步轻量化往往会导致型材筋板变薄，密度变小，如果大面积采用传统的电弧焊，将会给车体制造过程的焊接变形控制带来巨大困难。同时，随着陶瓷含量的增加，材料强度、硬度会相应提高，延伸率会下降，脆性增加，尤其是屈服强度和抗拉极限强度比值增加，后续二次塑性变形加工出现裂纹风险增大，因此将该材料应用到车体上时，车体结构也需做优化调整。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种轨道列车及其车体，该车体主要解决以下问题：

1）传统铝合金车体由于材料自身强度限制，进一步轻量化困难。

2）通过采用高性能的新材料实现进一步轻量化后，采用传统的电弧焊方式将导致焊接变形难以控制。

3）传统铝合金车体自身耐火性较差，需借助较厚的防火漆或者防火板达到防火要求。

4）轻量化镁合金车体防火性能、刚度性能及焊接成型性能不足；轻量化泡沫铝、碳纤维车体通常采用机械连接方式，耐久性及可靠性不足，加工成型成本较高。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种轨道列车车体，主要由圆弧车顶型材、空调板型材、侧墙板型材、底架地板型材、门立柱折弯型材、车顶弯梁折弯型材、整体门角以及左右两根纵向延伸的车顶边梁型材、左右两根纵向延伸的底架边梁型材连接形成的箱体结构；所述底架地板型材的底部安装有牵缓结构；其结构特点是：

所述车顶边梁型材、底架边梁型材、圆弧车顶型材、空调板型材、侧墙板型材、底架地板型材以及牵缓结构均采用纳米陶瓷铝合金材质制成；所述圆弧车顶型材、空调板型材、侧墙板型材和底架地板型材均由若干块型材单元拼焊而成，在拼焊的焊接接头处具有导向对接结构，该导向对接结构使得焊接接头处的两块待焊接的型材单元对齐，所述对齐为错边量不大于0.3mm。

根据本发明的实施例，还可以对本发明作进一步的优化，以下为优化后形成的技术方案：

优选地，所述门立柱折弯型材、车顶弯梁折弯型材、车顶边梁型材、底架边梁型材、以及牵缓结构均由若干块型材单元拼焊而成，在拼焊的焊接接头处具有导向对接结构，该导向对接结构使得焊接接头处的两块待焊接的型材单元对齐，并在施焊时提供垂向支撑。

为了提高纳米陶瓷铝合金的焊接质量和连接强度，所述导向对接结构包括设置在两块带焊接型材单元中第一型材焊接单元端部的焊接支撑上凸结构，两块带焊接型材单元中第二型材焊接单元端部的焊接支撑下凸结构，所述第一型材焊接单元的焊接支撑上凸结构与第二型材焊接单元的焊接支撑下凸结构对接啮合；优选所述第一型材焊接单元的焊接支撑上凸结构与第二型材焊接单元的焊接支撑下凸结构之间设有焊接支撑间隙；更优选所述焊接支撑间隙不超过0.2mm。

优选地，所述整体门角采用纳米陶瓷铝合金材质制成。

为了减小二次拉弯的开裂风险，所述车顶弯梁折弯型材、门立柱折弯型材采用传统铝合金材质。

优选地，所述牵缓结构主要由车钩安装型材，缓冲梁型材，前撑型材及牵缓盖板焊接而成；优选所述车钩安装型材与缓冲梁型材之间、车钩安装型材与前撑型材之间的焊缝垂直于底架地板型材的地板面；优选所述牵缓结构整体呈h形；优选所述车钩安装型材，缓冲梁型材、前撑型材加工有过渡圆弧结构，该过渡圆弧结构与牵缓盖板的牵缓盖板圆弧段保持一致。

优选地，所述车体为整体承载的全焊接结构；优选所述空调板型材主要由纵向延伸的空调板中间型材和左右两块纵向延伸的空调板连接型材焊接相连而成，该空调板型材的左右两端分别与相应的车顶边梁焊接相连；所述侧墙板型材主要由纵向延伸的侧墙板中间型材和上下两块纵向延伸的侧墙板连接型材焊接相连而成，该侧墙板型材的上端与相应的车顶边梁焊接相连，该侧墙板型材的下端与相应的底架边梁焊接相连；所述底架地板型材主要由纵向延伸的底架地板中间型材和左右两块纵向延伸的底架地板连接型材焊接相连而成，该底架地板型材的左右两端分别与相应的底架边梁焊接相连。

优选地，所述圆弧车顶型材、空调板型材、车顶边梁型材、侧墙板型材、底架边梁型材及底架地板型材采用纳米陶瓷铝合金材质，所述门立柱折弯型材、车顶弯梁折弯型材和由板材折弯而成的安装座采用传统铝合金。

所述纳米陶瓷铝合金为纳米tib2颗粒强化6xxx系铝合金，更优选为纳米tib2颗粒强化6005a铝合金。

纳米陶瓷铝合金二次塑性变形加工出现裂纹风险增大，不宜在挤压成型后再进行大变形的折弯、冲压成型，本发明通过弧形过渡可以解决这一问题。

基于同一个发明构思，本发明还提供了一种轨道列车，其包括所述的轨道列车车体。

本发明的车体主结构采用纳米陶瓷铝合金挤压型材，利用纳米陶瓷铝合金新材料的高强度、高刚度、高阻尼、耐高温等优越性能，结合轨道列车车体的结构特点，开发一种新型车体，解决车体进一步轻量化以及其他整体性能提高的问题。

本发明的纳米陶瓷铝合金车体结构有以下特点：

1）车体为整体承载的全焊接结构，车体主结构采用纳米陶瓷铝合金挤压型材；其它零部件可采用纳米陶瓷铝合金，也可采用传统的铝合金。

2）车体型材采用纳米tib2颗粒强化6xxx系铝合金，优先采用原位生成纳米tib2颗粒强化6005a铝合金挤压型材。

3）纳米陶瓷铝合金挤压型材通过减少型材断面筋板分布密度和板厚实现轻量化。

4）底架牵缓结构等部位大范围采用直型型材，并优先采用搅拌摩擦焊方式连接，减少折弯件结构，同时保证足够强度。

5）纳米陶瓷铝合金拉弯件、折弯件的半径设置足够大，减少变形伸长率及弯曲裂纹情况；在必须采用较大塑性变形拉弯件的部位可采用传统铝合金材质，如6005a铝合金。

通过对轨道列车车体结构的创新设计，与现有技术相比，本发明的纳米陶瓷铝合金车体具有以下效果或特点：

1）纳米陶瓷铝合金密度较小，比强度、比刚度高。纳米陶瓷铝合金车体在目前传统轻量化铝合金车体基础上自重可再减少15%以上；

2）车体防火性能比传统铝合金车体得到较大提高；

3）车体具有良好的阻尼和减振性能，在弹性范围内，纳米陶瓷铝合金受到的冲击载荷，吸收的能量比传统铝合金件大30%；

4）纳米陶瓷铝合金与铝合金基体的材料之间可焊性好，车体可混合使用纳米陶瓷铝合金和传统的铝合金材料，并适合广泛采用搅拌摩擦焊提高焊缝的抗拉强度及疲劳强度性能，非常适用于全焊接车体结构；

5）车体型材采用纳米tib2颗粒强化6xxx系铝合金，加工性能与铝合金相似，适合热塑成型和机加工，对现有工装设备影响小，制造风险和成本较低。

附图说明

图1是本发明一个实施例的车体结构示意图；

图2是本发明所述车体断面示意图；

图3是本发明所述牵缓型材结构示意图；

图4是本发明所述牵缓组焊结构示意图；

图5是本发明所述整体门角示意图；

图6是本发明所述车顶弯梁结构示意图；

图7是本发明所述焊接接头ⅰ（图2中放大图ⅰ）；

图8是本发明所述焊接接头ⅱ（图2中放大图ⅱ）；

图9是本发明所述焊接接头ⅲ（图2中放大图ⅲ）；

图10是本发明所述焊接接头ⅳ（图3中放大图ⅳ）；

图11是本发明所述焊接接头ⅴ（图3中放大图ⅴ）；

图12是本发明所述纳米陶瓷铝合金缝微观结构示意图；

图13是本发明所述纳米陶瓷铝合金-铝合金焊缝微观结构示意图。

在图中：

车体-1；圆弧车顶型材-2；空调板型材-3；车顶边梁型材-4；侧墙板型材-5；底架边梁型材-6；底架地板型材-7；牵缓结构-8；车钩安装型材-81；车钩安装孔-81a；缓冲梁型材-82；前撑型材-83；牵缓盖板-84；牵缓盖板圆弧段-84a；门立柱折弯型材-9；车顶弯梁折弯型材-10；整体门角-11；筋板-2a，3a，4a，5a，6a，7a，8a，8b，8c；搅拌摩擦焊焊接结合端部-2a1,5a1,7a1,8a1,2b1,5b1,7b1,8b1，8c1；焊接支撑上凸结构-2a2,5a2,7a2,8a2；焊接支撑下凹结构-2b2,5b2,7b2,8b2；焊接支撑间隙-2h，5h，7h，8h；纳米陶瓷颗粒-101；铝合金基体-102；纳米陶瓷铝合金-201；纳米陶瓷铝合金焊缝-202；纳米陶瓷铝合金与铝合金焊缝-203；铝合金-204。

具体实施方式

以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。

一种轨道列车车体，如图1和图2所示，车体1是主要由圆弧车顶型材2，空调板型材3，车顶边梁型材4，侧墙板型材5，底架边梁型材6，底架地板型材7，牵缓结构8、门立柱折弯型材9、车顶弯梁折弯型材10及整体门角11部件等构成的箱式结构。

车体主结构采用纳米陶瓷铝合金材质，具体为纳米tib2颗粒强化铝合金，且优先采用原位生成的纳米陶瓷铝合金。通过原位生成的纳米颗粒增强铝基复合材料，由于其纳米增强体颗粒是通过化学反应从铝基体中原位形核、长大的热力学稳定相，因此增强体表面无污染，无界面反应，结合强度高，因而其具有高的比强度、比模量，出色的抗疲劳能力，良好的耐热性、耐腐蚀性等，且可通过熔体反应法直接合成，成本大幅降低。

车体主要由挤压型材组焊而成，部分加强结构及安装座由板材、锻件或铸件制成。挤压型材、板材、锻件及铸件所用的纳米陶瓷铝合金，均在所用的原料（即铝锭及板坯）中完成纳米陶瓷颗粒与铝合金的合成，以减少后续材料成分及性能的变化。车体型材采用纳米tib2颗粒强化6xxx系铝合金，优先采用原位生成纳米tib2颗粒强化6005a铝合金；锻件、铸件及板材可采用纳米tib2颗粒强化6xxx系铝合金，也可采用纳米tib2颗粒强化5xxx系铝合金。

车体型材所用的纳米tib2颗粒强化6005a铝合金的材料性能可通过调节tib2的成分含量（1%-20%）来控制其化学成分、焊接性能与车体常用的6005a类似，可减少车体加工制造及使用风险，同时合理设计其强度、刚度性能，使其适用于轨道车体轻量化需求。具体来讲，车体型材所用的纳米tib2颗粒强化6005a铝合金的屈服强度值宜为250-400mpa，弹性模量e宜为70-90gpa。

由于纳米陶瓷铝合金的强度高于传统铝合金（215mpa），在车体强度要求不变的情况下，圆弧车顶型材2，空调板型材3，车顶边梁型材4，侧墙板型材5，底架边梁型材6，底架地板型材7，牵缓结构8的型材筋板2a，3a，4a，5a，6a，7a，8a，8b，8c可适当减薄，车体可整体减重15%以上。且由于纳米陶瓷铝合金的熔点比传统铝合金更高，型材挤压时熔融温度，增加挤压流动性，最小筋板厚度比目前的1.8mm可进一步减薄，提高车体的轻量化程度。

车体1中圆弧车顶型材2，空调板型材3，侧墙板型材5，底架地板型材7是采用若干块型材拼焊而成，拼焊处优先采用搅拌摩擦焊方式，可提高焊缝的质量及强度性能，并可极大减少焊接变形，消除车体筋板减薄以及筋板密度降低带来焊接变形增大的影响。

图3牵缓型材结构示意图和图4牵缓组焊结构示意图是车体底架上的牵缓结构示意图。牵缓结构8是车体之间传力的主要部件，承受巨大的纵向力。本申请是由牵缓结构8主要由车钩安装型材81，缓冲梁型材82，前撑型材83及牵缓盖板84组成，其中车钩安装型材81与缓冲梁型材82，前撑型材83之间的焊缝垂直于地板面，再在上方铺设牵缓盖板84。在牵缓盖板圆弧段84a，车钩安装型材81，缓冲梁型材82，前撑型材83直接加工出配合圆弧的形状，避免型材需二次折弯（如申请号为201810252263.x的发明专利中3.2件结构就非常容易开裂）导致易开裂的风险。

传统铝合金车体车钩安装型材81通常采用屈服强度不小于260mpa的6082材质，但其挤压难度大，且为了减少挤压缺陷不宜设置带封闭腔的中空型材结构。而本申请牵缓结构8采用纳米tib2颗粒强化6005a铝合金，材料的强度与6082材质相似，甚至强度可以更高，且挤压难度较小，可设置为中空结构。把车钩安装孔81a设置在型材筋板8a和型材筋板8b之间，受力更加均匀合理，型材筋板8a，8c都可适当减薄，对于一般的地铁车体，型材筋板8c的厚度一般达40mm，而本申请只需30mm左右。

此外，车钩安装型材81，缓冲梁型材82与前撑型材83之间，以及两块车钩安装型材81之间的焊缝宜设置为搅拌摩擦焊，提高焊缝的抗拉强度及疲劳强度性能，促进其它母材部位进一步减重。

图5是整体门角示意图。整体门角11采用纳米陶瓷铝合金锻件或铸件，可通过调节tib2的成分含量（1%-20%），控制其弹性模量e值与纳米陶瓷铝合金挤压型材一致，避免因物理性能差异过大引发其与门立柱折弯型材9及底架边梁型材6之间的焊接应力，从而导致在交变载荷下疲劳强度下降的风险。

图6是车顶弯梁结构示意图。车顶弯梁折弯型材10为挤压直型材后再进行二次拉弯的构件，其拉弯半径与圆弧车顶型材2匹配。为了减少二次拉弯的开裂风险，本申请把车顶弯梁折弯型材10以及圆弧车顶型材2的圆弧半径设计得足够大。

图7-图11是本申请采用的搅拌摩擦焊焊接接头结构。图7是焊接接头ⅰ（图2中放大图ⅰ），图8是焊接接头ⅱ（图2中放大图ⅱ），图9是焊接接头ⅲ（图2中放大图ⅲ），图10是焊接接头ⅳ（图3中放大图ⅳ），图11是焊接接头ⅴ（图3中放大图ⅴ）。其中焊接接头ⅰ、焊接接头ⅱ、焊接接头ⅲ及焊接接头ⅳ的搅拌摩擦焊焊接接头结构都设置了焊接支撑上凸结构2a2，5a2，7a2，8a2和焊接支撑下凹结构2b2，5b2，7b2，8b2，在型材间拼焊时上凸结构和下凹结构能相互啮合，并能承受一定的搅拌头搅拌过程中的轴向压力，有利于保证搅拌摩擦焊焊接结合端部2a1,5a1,7a1,8a1分别与搅拌摩擦焊焊接结合端部2b1,5b1,7b1,8b1，8c1对齐，错边量不大于0.3mm，且焊接支撑间隙2h，5h，7h，8h控制在0.2mm以内。

焊接接头ⅰ、焊接接头ⅱ、焊接接头ⅲ及焊接接头ⅳ并不限定用于图2及图3中对应的圆弧车顶型材2、侧墙板型材5、底架地板型材7以及牵缓结构8，可在不同的结构中相互替换。但是其适用的范围有优先顺序，如焊接接头ⅰ更适用于高度为15-20mm的型材结构；焊接接头ⅱ更适用于高度大于30mm的型材结构；焊接接头ⅲ在搅拌摩擦焊焊接结合端部7a1，7b1下方均设置了中空结构，适合采用双轴肩焊接方式。

焊接接头ⅴ采用实心结构，适用于厚板连接，特别适用于车钩安装型材81之间的焊缝，有利于保证焊缝部位与母材部位连接处没有结构刚度突变。

图12是纳米陶瓷铝合金缝微观结构示意图。纳米陶瓷铝合金201中，由于纳米陶瓷颗粒101弥散分布在铝合金基体102中，起到了纳米颗粒的orowan强化、细晶强化、纳米增强体增韧和纳米析出相的弥散强化等作用，获得纳米陶瓷铝合金201具有强塑性、抗冲击性和抗疲劳性且可挤压成型等特性。纳米陶瓷铝合金焊缝202与纳米陶瓷铝合金201的成分类似，尤其是采用搅拌摩擦焊方式，搅拌摩擦加工过程中产生的极高的应变速率和伴随的动态再结晶使其能够有效的进行材料组织的改性，更有利于实现纳米颗粒在铝基复合材料中的均匀化，进而同时提高材料的塑性及强度。

图13是纳米陶瓷铝合金-铝合金焊缝微观结构示意图。作为一种替代方案，纳米陶瓷铝合金201和铝合金204之间的焊缝，即纳米陶瓷铝合金与铝合金焊缝203。由于纳米陶瓷铝合金的铝合金基体102和铝合金204化学成分接近，因此两者之间的可焊性良好，且由于有纳米tib2颗粒的存在，焊缝强度也高于传统铝合金材质，

为降低制造风险和成本，车体主要型材如纵向方向通长的车顶边梁型材4、底架边梁型材6及底架地板型材7等型材可采用纳米tib2颗粒强化6xxx铝合金，其余型材如车顶弯梁折弯型材10及由板材折弯而成的安装座等部件可采用传统铝合金。这样既充分利用了纳米陶瓷铝合金的高比强度、比刚度的特性，又利用了传统铝合金的良好二次折弯性能。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。