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不锈钢轨道车辆 公共交通的可持续解决方案 不锈钢轨道车辆 公共交通的可持续解决方案 ISSF 2017 发行人 国际不锈钢论坛 比利时布鲁塞尔1140 Colonel Bourg街120号 电话32 2 702 89 00 www.worldstainless.org ISBN 978-2-930069-59-3 目前，在让我们的移动生活方式更具可持续性的努力中， 人们越来越看重公共交通的好处。从小轿车到公共交通解决 方案（如铁路）的转变，可极大的减少排入大气中的温室气 体和其它有毒气体。特别是铁路，可以为我们持续增长的出 行需求提供资源节约和环境友好的解决方案。 利用不锈钢制造轨道车辆，进一步提升了铁路行业的可持 续性特点。不锈钢的耐用性和极少的维护要求使它成为一个 经济上的最佳选择。节能轻量化设计、高可回收物含量和使 用寿命结束时100的可循环利用能力是不锈钢环保特点的基 石。加之不锈钢时尚、明亮的外观，进一步增强了铁路行业 的可持续性行业形象。轨道车辆使用不锈钢可作为一个很好 的例子，说明应如何从社会、经济和环境等因素综合考虑来 选择材料以构成一个可持续的技术方案。 www.worldstainless.org 1 前言 照片欧洲不锈钢协会Euro Inox） www.worldstainless.org 2 数十年的轨道车辆经验 不锈钢于1912年首次应用。1932年，第一辆全 不锈钢轨道车辆由巴德公司在加拿大落基山脉投入 使用。落基山脉的极端温度和运行条件使不锈钢得 以充分展示其出众的技术特性和对铁路应用的独特 适应性。其它铁路公司纷纷效仿，很快把不锈钢引 进到他们自己的产品目录中。 不锈钢在美国和日本很快成为铁路应用的标准 材料，这一趋势一直延续到今天。不锈钢制造技术 的新发展和寿命周期成本的重要性日益受重视，使 不锈钢一直都是轨道车辆有吸引力的材料，即使在 世界上不常使用不锈钢的那些地方也不例外。 为什么选择不锈钢 今天，不锈钢广泛用于铁路领域。区域列车、 市郊列车、地铁列车、轻轨列车全部依赖不锈钢解 决方案。这些应用的每一项都有其自己的特点，各 种机车车辆终生面对的特定运行条件决定了材料选 择和设计准则。不锈钢可完美地满足这些准则中的 许多准则。 凡是有耐腐蚀、耐用性、耐碰撞、防火、易清 洗、易维护和美观等关键要求的场合，都应使用不 锈钢。 不锈钢轨道车辆 先锋者微风号列车，美国，1934年 （照片科学工业博物馆，芝加哥） 客车设计的各方面因素 www.worldstainless.org 3 使用何种不锈钢等级 尽管市场上有两百多种不锈钢，但在铁路领域 获得应用的为数并不多，这几种不锈钢除了优良的 技术性能外还易于获得，并且制作简单（见下图）。 ASTMEN类型化学成分（） 屈服强度 Rp Mpa 延伸率 A80 热处理状态 AISI 4101.4003铁素体不锈钢铬1232020退火 S420 351.4589铁素体不锈钢铬15、镍2、钼、钛42016退火 AISI 301 LN1.4318奥氏体不锈钢铬18、镍7、氮35035退火 AISI 3041.4301奥氏体不锈钢铬18、镍923045退火 AISI 2011.4372奥氏体不锈钢铬17、钼7、镍5、氮35045退火 有些等级的不锈钢（众所周知的奥氏体不锈 钢）具有独特性能在环境温度条件下加工时（被称 为冷成形），它们的强度会提高。这种提高的强度可 使制造商降低用于轨道车辆车身的预制不锈钢结构的 厚度，使车厢重量减轻，从而使运行更加经济。它还 能提供优秀的耐碰撞性能。发生事故时，不锈钢能够 吸收大量能量，因为变形过程中，在材料强度逐渐增 加的同时它能保持足够高水平的延展性，从而可防止 脆性断裂。 不锈钢外观独特，经过多年的使用都不会受到 腐蚀的影响，可以通过擦光、抛光或花纹装饰等方 式定制。各种可能的选择使铁路运营商能够把铁路 车辆的长寿命和易维护性与其独特的、鲜明的装饰 性结合起来。 运营中的不锈轨道车辆 今天，不锈钢已在轨道车辆运营中普遍使用。 本节，我们只简单看一看当今的某些客运方案。 案例研究1让我们Tango（探 戈）吧 从2008年12月开始，Tango一词出现在瑞士巴 塞尔街头，它不是指跳舞的热潮，而是巴塞尔新 轻轨的名字。瑞士制造商选择EN1.4589级不锈钢 作为Tango的车身。这种不锈钢含15的铬、2的 镍、1的钼和1的钛，对于巴塞尔要求苛刻的铁路 网络而言，是一种理想的方案。 “我们非常明智的选择不锈钢，因为在轨道 车辆制造中，这种材料已经完全确立了自己的地 位。巴塞尔的轨道条件是坡度很大、弯道很急，因 此，对施工和材料提出了最高要求。在这里运行 良好的市内有轨电车在世界上的任何地方都会运行 良好。”斯塔德勒质量管理部的于尔根鲁斯说， Tango轻轨（照片蒂森克虏伯尼罗斯塔公司） 该公司将在未来几年为巴塞尔市内交通管理局和巴 塞尔区域运输股份公司建造总共60辆新的Tango车 辆。 每一辆Tango都要喷上漂亮的、代表各个客运公 司标志的油漆，”鲁斯解释说。“重要的是，车身材 料需有良好的油漆附着力。”为了满足这一要求，喷 漆之前，整个车身都要喷砂。 2009年夏天，随着首批四辆轨道车辆上轨运 行，项目试验阶段结束。“到目前为止，一切进展 顺利，不管是所用的材料，还是Tango整车”，鲁斯 说。“一旦试运行结束，我们预计今后会有更多客 户，就像Tango的字面意义那样，愉快地跳上这样的 列车。” 案例研究2汉堡的下一代地铁 德国汉堡地铁系统的下一代列车将全部采用不 锈钢设计。铁路网络运营商汉堡高架铁路股份公司 已经定购了27辆DT-5型车辆，交货期限从2009年至 2013年。公司还有另外再购买40辆的计划。 汉堡高架铁路股份公司的新DT-5型列车将替代 现在的DT-3型。DT-3型列车早在20世纪60年代中期 就已投入使用，就像它的前辈DT-2一样，DT-3也在 制造中使用了不锈钢。“我们高兴地看到，选用不锈 钢，一方面能利用我们长期积累的有益经验，另一方 面又能达到面向未来提高客户满意度的目的”，负责 汉堡高架铁路股份公司车队维护的约尔格彼得森 说。 2008年7月向公众展示这种新型号的模型时，汉 堡高架 铁路股份公司就特别强调，合理的材料选择是 实现可持续 公共交通的一个关键要素。公司相信， 就整车设计所作的环境无害产品声明，包括几乎 95的可回收材料，能够保证可持续资源节约。 彼得森知道，可持续性和成本节约是同等重 要的。“我们轨道车辆的设计使用寿命是45年。因 此，耐用性和易维护性是寿命周期成本的两个关键 因素。” 汉堡距离易北河入海口50公里，是德国的最大 港口。北海沿岸气候中较高的卤化物含量以及船只 排放的二氧化硫和其它腐蚀性废气，促使汉堡高架 铁路股份公司选用经过检验的奥氏体铬镍不锈钢， 用作大面积的表面不喷漆的轨道车辆的车身。“ www.worldstainless.org 4 正在车间加工制造的Tango轻轨客车（照片蒂森克虏伯尼罗斯塔公司） 使用DT-3型列车长期积累的正面经验，确保汉堡高架铁路股份公司的下一代列车选 用不锈钢。（照片汉堡高架铁路股份公司 - Hamburger Hochbahn AG） 不锈钢外表面易于清洗，使昂贵的喷漆作业变得多 余”，彼得森说。 ““清除涂鸦也要占用大量车身维护成本”， 彼得森补充道。用化学溶剂清除涂鸦会使涂层随着 时间而退化,但在抛光和擦光的不锈钢表面上，涂鸦 不易粘附，更容易清除。不用涂层还意味着裸露的 金属表面不会因为紫外线辐射而发生颜色变化，因 此再也不必给褪色的表面重新喷漆。 从强度考虑，选用了加工后变硬的不锈钢等级 AISI301 LN（EN 1.4318l）。尽管这种不锈钢比重不 是特别低（7.9kg/m3），但是，其壁厚可以保持最 小值（1.5-2mm）,从而可确保制成的部件与它们的 轻金属对应部件处于相同的重量范围。出众的抗疲 劳强度使不锈钢成为城市公共交通的很好选择，因 为城市交通的加速和减速时间都很短，使运行条件 变得特别苛刻。 列车组前部需要采用更复杂的成形作业，用铬 含量和镍含量分别是18和9的AISI 304（EN 1.4301 ）级不锈钢制造。由于这种不锈钢有出色的成形潜 力，列车前部可采用无缝设计。 “与乘客的交流使我们认识到，显露式的不锈 钢对我们的形象有着长久而有利的影响”，汉堡高 架铁路股份公司首席执行官冈特埃尔斯特说。不 锈钢引发了许多正面联想，包括了卫生、安全、耐 用、高雅和价值。如果列车既舒适又有吸引力，人 们会更愿意乘坐公共交通。可以感觉到的安全和清 洁是公众最先考虑的事项。 案例研究3 阿利坎特海岸线含不锈钢的电车 福斯罗集团西班牙公司已经设计了第一辆将在 西班牙制造的列车-电车。与其它公共交通模式相 比，这种新交通概念快速、高效、污染更小。在阿 利坎特开发的这种车辆既满足了列车乘客的要求， 又满足了电车乘客的要求。这种列车-电车的最初设 计理念就考虑使用新材料，如现代不锈钢。 由于不锈钢适用于该项目的各种不同部件，尤 其是内部和结构部件，因此它已经包括在部件的生 产加工中。很少有材料具有铁路系统所要求的性能 特点。但是，不锈钢具有所要求的机械特性、可成 形性和耐腐蚀性。福斯罗公司材料工程师决定选用 不锈钢的主要原因之一是其强大的耐磨性和抗撕裂 www.worldstainless.org 5 下一代汉堡地铁列车模型（照片汉堡高架铁路股份公司） 阿利坎特的列车-电车站 （照片福斯罗集团西班牙公司） 能力，并且不会丧失其耐用性或审美吸引力。 为满足乘客安全和低能耗（因而低排放）目 标，重要的是确定最佳材料配合比。选材用料必须 尽可能又薄又轻，并同时确保它们满足使用功能。 由于其内在强度，不锈钢可以比其它材料更 薄、更轻，并同时保留其功能的完整性。在列车-电 车设计过程中，福斯罗集团西班牙公司考虑了这一 特点。 该项目需要一系列等级的不锈钢，已有许多 种不锈钢是为铁路行业各种用途而专门开发的。车 辆的大部分外部部件都使用不锈钢，既有铁素体不 锈钢（如EN 1.4003），也有奥氏体不锈钢（如EN 1.4301，即AISI 304）。 美观、耐用、机械性能和易清洗性扩大了不 锈钢的应用范围。福斯罗集团西班牙公司还将不锈 钢用于内部设施中的许多部件，带来了设计的现代 性，并同时带来了良好的适应性。 不锈钢降低了成本、重量和能耗。这些特性对 不锈钢在铁路交通中的成功必不可少，并确保了铁 路行业的可持续增长。 案例研究 4 圆满使用了50多年不锈钢的日本铁路 （Tokyu）东急车辆制造株式会社，是日本第 一家用不锈钢制造产品的轨道车辆制造商，并且促 进了这类不锈钢的使用。 1958年，日本首次用不锈钢生产轨道车辆，当 时使用的是SUS304型不锈钢。最开始，不锈钢只用 于制造一些早期型号的外壳，到1962年才生产了全 不锈钢轨道车辆（见下页）。除了SUS304型不锈钢 外，还使用了高拉伸强度的SUS301型。 在今天的东急车辆制造株式会社，不锈钢和铝 是使用最多的两种材料，很少使用碳钢。东急一年 大约生产300 - 400辆轨道车辆，其中90用不锈钢， 余下的10用铝。据估计，日本每年大约生产1000 - 1200辆不锈钢轨道车辆。 20世纪80年代之前，由于较低的初始成本，碳 钢一直是轨道车辆的热门选择。不过，额外的制造 工序，如涂覆和形状校正，增加了初始成本和维修 维护费用。 www.worldstainless.org 6 靠近阿利坎特海滩的列车-电车站 （照片福斯罗集团西班牙公司） 列车-电车内部 （照片福斯罗集团西班牙公司） 自第一种型号在20世纪50年代投入使用以来， 建造不锈钢轨道车辆的成本已经大大降低。机器人 技术和自动化流程的更广泛使用，意味着不锈钢轨 道车辆的价格通常会比其它同类碳钢产品更低。 与铝比较，不锈钢在市郊列车上的优势可以归 因于以下几点 1. 不锈钢轨道车辆不需要涂层，易于维护。铝制 轨道车辆通常需要涂层以提高其耐腐蚀性和耐 污染性。 2. 人们通常认为，铝制轨道车辆比不锈钢车辆 轻。但是，这种优势在轨道车辆上并不明显。 为了加固侧面，铝制列车必须采用双层外壳结 构。 3. 人们也越来越认识到了不锈钢出色的可回收 性。不锈钢轨道车辆通常使用易于重新使用的 304和301L型奥氏体不锈钢。即使在回收再利用 时，它们的质量也不 会降低。铝制轨道车辆通 常用5000、6000和7000系列的铝来制造，这些 牌号的铝含有一定数量的铁以保证其刚性，要 将它们从一般的铝废料处理流程中分离出来， 既费时又费力。如果将它们与其它铝材一起再 生，再生的材料就只能用于铝铸件和类似的用 途。 轨道车辆的寿命通常估计为30-35年。只要维护 得当，在大多数情况下，寿命都可以延长到50年。 在20世纪90年代以前，人们一直认为，维修和翻新 轨道车辆，从而使其寿命延长10 - 20年是最为经济的 选择。但是，多年的经验业已表明 1. 20年后，辅助装置，包括电气部件，会变得过 时，可能无法再买到。 2. 制造技术的进步和节能电气部件的使用，已经 减轻了轨道车辆的重量，并大大减少了电力消 耗和CO2排放（见下表）。 3. 公司已经大大缩减维修队伍，使维修成本变得 更高。 4. 曾经，人们认为不锈钢车厢拆卸作业费用太 高。但是，现在人们普遍认识到，它不过是一 个简单工艺，无需分开废料，无需对废料进行 分类。不锈钢废料还可以卖出好价钱。 www.worldstainless.org 7 日本第一辆全不锈钢轨道车辆（东急7000-系列） （照片东急车辆制造株式会社） 最近的不锈钢市郊列车（东日本旅客铁路公司的E233）（照片东急车辆制造株 式会社） www.worldstainless.org 8 服务于东京郊区的10辆东急列车的年CO2排放量 耗电 CO2 排放 老车厢4.37 百万度1,398 吨 新车厢2.65 百万度848 吨 差值-1.72 百万度-550 吨 资料来源东急株式会社的报告 考虑到这些因素，东急认为，与维修和维护旧 车相比，制造新轨道车辆更能有效降低寿命周期成 本。东急在向铁路公司提出的建议中宣传了这种做 法。公司还利用了日本不锈钢协会编制的视频，宣 讲不锈钢出色的可回收性。事实证明，在向其它轨 道车辆制造商和铁路运营商推介不锈钢优点的教育 活动中，东急的建议和日本不锈钢协会的视频起到 了很好的作用。 日本最大的铁路公司（JR East）东日本旅客铁 路公司对铝和不锈钢轨道车辆进行了寿命周期评估 和比较。评估结果促使公司决定市郊列车采用不锈 钢车厢。目前的东日本旅客铁路公司车队主要包括 采用不锈钢车厢的市郊列车以及采用铝车厢的特快 列车和新干线列车（见上图）。 案例5 从木头到不锈钢印度 铁路传奇 有着13亿人口，300万平方公里国土面积的印度 在交通方式上的创新是永无止境的。自1853年首次 运行以来，火车已经成为这个国家非常重要的交通 工具之一。 印度共有16个路局，58000辆火车，其轨道车 辆的发展潜力是巨大的。印度现有4家生产车厢的 国营工厂，一家公共部门所有的工厂。整体车厢需 求有望在引入激光切割、激光焊接、机器人点焊和 自动喷漆等先进的制造技术后的到满足。今年生产 的4500辆车厢中，不锈钢车厢占比50。在过去15 年中，不锈钢开拓了一个新的应用城市地铁车 厢。印度各大城市交通拥堵，因此需要快速建设地 铁设施。即将有一家公共部门地铁车厢制造部门、 两家国际合作方，以及其他一家或两家合作方一起 合作来生产地铁车厢。 印度地铁车厢最初是将不锈钢用于坐便器和洗 手池上，后来慢慢地在整体易腐蚀区，比如槽形楼 面和洗手间嵌板中得以使用。印度车厢的选材经历 了多次变迁，从最初的木制车厢，到瑞士设计的碳 印度“首都”特快列车LHB车厢用的LHB钢板 （图片印度不锈钢发展协会） www.worldstainless.org 9 钢板，到碳张力钢，以及今天具备简单涂层效果的 奥体钢和铁素体钢混用。 今天印度所有大型城市都在进行地铁轨道建 设，除了扩建项目之外，还包括各种处于不同建设 期的项目。地铁车厢均使用无涂层奥氏体不锈钢。 据消息称，轨道车厢在未来几年有望全部 使用不锈钢板。车厢的设计是由德国的LHB完成 的。LHB在易腐蚀的车厢顶和槽型地板处均设计使 用了奥氏体不锈钢。此外，铁道部门还计划在不远 的未来采用无涂层奥氏体不锈钢板。 速度是运输的关键，为了提高速度和运输效 率，印度铁路的设计在不断地改进。在商业走廊拥 有专用轨道的高速列车将很快到来。 印度铁路部门不锈钢应用大事记 1965304号钢制坐便器，洗手池 1984, 1985301号钢制槽型地板 1990304号钢制洗手间嵌板 1990DIN 5512 – 1.4003中的LHB不锈钢车厢 1995304号钢制内饰 1997铁路货车用的IRS M 44/97规格 1998SS - 44/77 不锈钢Box N货车 2000CK-201不锈钢规格车厢 2000ICF车厢结构设计中使用了44/97钢 2003奥氏体不锈钢用于地铁车厢 文字和信息由印度不锈钢开发协会提供 （stainlessindia.org） 无涂层奥氏体不锈钢制地铁车厢 （图片印度不锈钢发展协会） 城际EMU列车内饰全部使用不锈钢 （图片印度不锈钢发展协会） www.worldstainless.org ISBN 978-2-930069-59-3