基于CRH6型列車研制對(duì)高速列車外形設(shè)計(jì)的研究

王添旗

（中國(guó)南車集團(tuán) 南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 動(dòng)車設(shè)計(jì)部，江蘇南京210031）

目前世界各國(guó)高速鐵路的發(fā)展，高速列車外形設(shè)計(jì)是各車型設(shè)計(jì)的一種關(guān)鍵技術(shù)。列車外形設(shè)計(jì)，整個(gè)設(shè)計(jì)過程復(fù)雜特殊，要反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證。設(shè)計(jì)師要具備美學(xué)藝術(shù)造型的才能、空氣動(dòng)力學(xué)知識(shí)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識(shí)以及人機(jī)工程學(xué)等知識(shí)。高速列車外形設(shè)計(jì)，不但對(duì)設(shè)計(jì)師的造型能力、創(chuàng)新能力要求相當(dāng)高；而且要滿足工程技術(shù)方面的要求，考慮的綜合因素十分復(fù)雜，外形結(jié)構(gòu)造型難度大，是列車車型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一種關(guān)鍵技術(shù)。

本文基于CRH6型城際動(dòng)車組列車外形設(shè)計(jì)的整個(gè)過程，又分別從列車外形與空氣動(dòng)力學(xué)性能的關(guān)系、車頭造型、車頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與外形曲面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)系、高速列車頭部外形結(jié)構(gòu)與安全性、人機(jī)工程等工程技術(shù)方面進(jìn)行分析，對(duì)高速列車外形設(shè)計(jì)有很高的參考價(jià)值。

1 高速列車頭部外形與空氣動(dòng)力學(xué)性能的關(guān)系

列車運(yùn)行速度越高，其受空氣阻力的影響就越大，將產(chǎn)生許多影響列車運(yùn)行的空氣動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象。其中最為明顯的是氣動(dòng)阻力加大和列車交會(huì)時(shí)壓力波加劇，而列車頭部外形對(duì)列車的氣動(dòng)性能起決定作用。

1.1 空氣—列車的流固關(guān)系

空氣—列車的流固關(guān)系是高速列車外形設(shè)計(jì)必須考慮的重要性能指標(biāo)之一［1］。從空氣—列車流固耦合動(dòng)力學(xué)方面講，外形設(shè)計(jì)應(yīng)遵循如下一般原則：①降低列車阻力、列車升力盡可能接近零，減小橫向力和降低氣動(dòng)噪聲；②合理的壓力分布；③過隧道有較小的壓力波動(dòng)，列車有較小的振動(dòng)；④減小列車風(fēng)，降低對(duì)線路附近人和物的影響，以及由列車風(fēng)引起的環(huán)境問題；⑤減小列車會(huì)車時(shí)的流固耦合沖擊波。

1.2 頭部結(jié)構(gòu)的主要控制尺寸與空氣動(dòng)力學(xué)性能

據(jù)研究表明，采用合理的流線化外型設(shè)計(jì)后的頭車，其會(huì)車壓力波、空氣阻力及氣動(dòng)噪聲也都比常規(guī)頭車小，因而高速動(dòng)車頭車采用合理的流線化外形設(shè)計(jì)能保證列車有良好的氣動(dòng)性能。為了評(píng)估不同車頭部外形的氣動(dòng)性能，定義了表示其形狀特征的“細(xì)長(zhǎng)比λ”［2］。目前通常采用長(zhǎng)度法定義，即：

式中λL為用長(zhǎng)度法定義的細(xì)長(zhǎng)比；L為車頭流線化部分長(zhǎng)度；S為車身橫截面積。

大量的風(fēng)洞試驗(yàn)證明，對(duì)于不同的車型，頭部細(xì)長(zhǎng)比越大整車阻力越小，同時(shí)列車交會(huì)壓力波也越小。然而，從氣動(dòng)性能來說，在車頭流線形長(zhǎng)度相同的情況下，氣動(dòng)阻力和列車交會(huì)壓力波對(duì)外形的要求是矛盾的，所以設(shè)計(jì)車頭具體的外形尺寸參數(shù)時(shí)必須兼顧兩者之間的關(guān)系。通常，車頭結(jié)構(gòu)的流線化特征主要由以下幾方面尺寸控制來描述：

（1）動(dòng)車頭部外形輪廓線設(shè)計(jì)

車頭外形輪廓線設(shè)計(jì)參照文獻(xiàn)［2］，本文不重復(fù)描述。

（2）鼻錐設(shè)計(jì)

從空氣動(dòng)力學(xué)角度考慮，當(dāng)整個(gè)頭部為扁梭形時(shí)，迎面氣流大部分流向列車頂部，而流向兩側(cè)的氣流較少，這樣可以減輕交會(huì)壓力波產(chǎn)生的不利影響。因此，設(shè)計(jì)鼻錐時(shí)應(yīng)在水平面采用較大的曲率半徑，使其寬度較寬；在縱剖面內(nèi)的型線應(yīng)按縱向?qū)ΨQ面上的型線形狀沿水平方向緩慢變化，使其實(shí)現(xiàn)了扁梭形的外形。

（3）車頭頂部設(shè)計(jì) 車頭車頂圓弧應(yīng)合理取值，要有利于結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)流線化，同時(shí)車頂拐角的三維曲面，會(huì)給加工造成一定的困難，選取時(shí)要充分考慮。

1.3 列車頭部造型與空氣動(dòng)力學(xué)性能

高速列車的空氣動(dòng)力學(xué)性能很大程度是由車頭形狀決定的，適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)車頭，能極大地改善列車的阻力、升力、橫向力、會(huì)車壓力波以及隧道通過性。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)基本氣動(dòng)性能：列車尖鼻頭的車型在氣動(dòng)性能方面比寬鼻頭的車型要優(yōu)越。單拱車型性能要略勝于雙拱車型的性能 。橫風(fēng)氣動(dòng)性能：流線型長(zhǎng)度的增加可以改善列車在橫風(fēng)下的氣動(dòng)性能；尖鼻頭的車型要優(yōu)于寬鼻頭車型。會(huì)車氣動(dòng)性能：寬扁型頭部列車會(huì)車時(shí)壓力波較?。?］。

由上述分析可以得出車頭造型是改善列車氣動(dòng)性能最主要的決定性因素。列車外形設(shè)計(jì)，考慮的綜合因素十分復(fù)雜，并且外形表面必須是高級(jí)曲面，保證列車表面的平順，所以車頭造型難度大，是比較復(fù)雜的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)者要有極高的審美能力和造型能力，才能設(shè)計(jì)出符合要求美觀大方的列車頭型。

1.4 CRH 6型動(dòng)車組列車外形與空氣動(dòng)力學(xué)分析

根據(jù)上述高速列車外形與空氣動(dòng)力學(xué)性能關(guān)系分析，根據(jù)列車運(yùn)營(yíng)要求，確定出列車頭型的細(xì)長(zhǎng)比，CRH6型城際動(dòng)車組車頭外形的細(xì)長(zhǎng)比λL約為1.2 6L取4 000 mmS＝BH B取3 300 mmH取3 860 mm），圖1所示CRH6型動(dòng)車組車頭外形尺寸圖。再在細(xì)長(zhǎng)比的基礎(chǔ)上進(jìn)行外形輪廓設(shè)計(jì)，使得CRH6型城際動(dòng)車組整車為雙拱流線型外形，采用較大的細(xì)長(zhǎng)比，使整車阻力小，同時(shí)列車交會(huì)壓力波也小。鼻錐在縱剖面內(nèi)的型線按縱向?qū)ΨQ面上的型線形狀沿水平方向流線變化，使其整體為尖梭形的流線型外形，這樣迎面氣流大部分流向列車頂部，而流向兩側(cè)的氣流較少，可以減輕交會(huì)壓力波產(chǎn)生的不利影響。接下來通過CRH6型城際動(dòng)車組空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)來進(jìn)一步驗(yàn)證說明。

圖1 CRH6型動(dòng)車組車頭外形尺寸圖

2 CRH 6型動(dòng)車組外形空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)驗(yàn)證

從頂層設(shè)計(jì)目標(biāo)出發(fā)，滿足城際列車大載客量要求，頭型減短，增加客室空間，氣動(dòng)性能需要合理配置，滿足200 km／h的運(yùn)營(yíng)要求。CRH6型動(dòng)車組列車外形，設(shè)計(jì)了3個(gè)方案，如圖2所示，并對(duì)3種備選方案，進(jìn)行仿真分析、風(fēng)洞試驗(yàn)，研究各個(gè)設(shè)計(jì)方案的氣動(dòng)性能。

圖2 CRH6型動(dòng)車組列車外形3種方案空氣動(dòng)力學(xué)性能分析

空氣動(dòng)力學(xué)規(guī)范規(guī)定：列車空氣阻力一般用阻力系數(shù)C X衡量［3］。在無環(huán)境風(fēng)影響條件下，不同運(yùn)行速度列車的C X值應(yīng)不超過表1規(guī)定值。

阻力比較：試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，①CRH6型車最高速度為220 km／h，3個(gè)方案空氣阻力都沒有超過空氣動(dòng)力學(xué)規(guī)范規(guī)定。②頭型流線型長(zhǎng)度對(duì)空氣阻力影響顯著。方案1的頭型長(zhǎng)度達(dá)到4 m，長(zhǎng)細(xì)比較其他方案較大，氣動(dòng)阻力最優(yōu)。

表1 各種運(yùn)行速度列車空氣阻力系數(shù)CX允許最大值

圖3 CRH6型動(dòng)車組列車外形3種方案空氣阻力試驗(yàn)結(jié)果

尾車升力比較：試驗(yàn)結(jié)果方案1尾車升力較優(yōu)，如圖4所示。200 km／h運(yùn)行速度，尾擺效應(yīng)對(duì)軸重的影響較小。

圖4 CRH 6型動(dòng)車組列車外形3種方案尾車升力比較

側(cè)力比較：試驗(yàn)結(jié)果，頭車側(cè)向力遠(yuǎn)大于中間車、尾車，側(cè)力評(píng)價(jià)以頭車為主。

方案1頭車和尾車側(cè)力較小，如圖5所示。

圖5 CRH6型動(dòng)車組列車外形3種方案?jìng)?cè)力比較

交會(huì)壓力波：試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，方案1明線交會(huì)壓力波小于±4 k Pa。方案1，200 km／h 50 m2隧道通過，80 m2隧道交會(huì)，160 km／h 42 m2隧道通過，76 m2隧道交會(huì)，交會(huì)壓力波均小于±4 k Pa。

圖6 CRH6型動(dòng)車組列車外形3種方案交會(huì)壓力波比較

氣動(dòng)噪聲：試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，各方案，氣動(dòng)噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)均小于75 d B。方案1在各個(gè)速度級(jí)的氣動(dòng)噪聲級(jí)均較低。

圖7 CRH6型城際動(dòng)車組列車外形3種方案氣動(dòng)噪聲比較

最后方案選擇：通過空氣動(dòng)力學(xué)仿真分析，方案1：頭型長(zhǎng)度為4 m，增加客室空間，滿足大載客量要求；鼻錐造型選擇扁寬型設(shè)計(jì)滿足設(shè)備安裝空間要求；前窗和側(cè)窗滿足司機(jī)視野需求，滿足UIC 561標(biāo)準(zhǔn)要求；滿足200 km／h城際車運(yùn)營(yíng)要求；氣動(dòng)性能最優(yōu)，所以采用方案1為CRH6型城際動(dòng)車組外形方案。

3 CRH6型城際動(dòng)車組列車外形設(shè)計(jì)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)系

車頭內(nèi)部骨架的設(shè)計(jì)以車頭外形造型為基礎(chǔ)，按斷面形狀變化縱骨架形成環(huán)狀，與橫骨架叉焊組成，如圖8所示。外形造型設(shè)計(jì)的時(shí)候要兼顧到內(nèi)部骨架以及氣動(dòng)外形的分塊組焊。列車頭部前窗、側(cè)窗、開閉機(jī)構(gòu)、排障器、車門等位置和形狀也直接影響車頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

圖8 以車頭外形結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4 CRH6型城際動(dòng)車組頭部外形結(jié)構(gòu)與安全性

設(shè)計(jì)高速列車外形時(shí)，只有全面考慮列車頭部所受到的各種載荷、認(rèn)真分析可能出現(xiàn)的各種工況、對(duì)實(shí)際可能出現(xiàn)的情況準(zhǔn)確的進(jìn)行模擬才能保證其安全性［4］。同時(shí)，由于高速列車結(jié)構(gòu)的輕量化要求，使車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的儲(chǔ)備裕度比常規(guī)頭車少，如何抵御沖擊、碰撞等強(qiáng)動(dòng)載作用，因此，需要對(duì)頭部結(jié)構(gòu)進(jìn)行被動(dòng)安全設(shè)計(jì)，以符合國(guó)際鐵路聯(lián)盟制定的UIC 651標(biāo)準(zhǔn)的要求［5］。

CRH6型城際動(dòng)車組列車外形空氣動(dòng)力學(xué)流線型頭部，有排障裝置，如圖9所示。這種空氣動(dòng)力學(xué)流線型頭部，除了為列車正面部分定形和提供保護(hù)外，可保證列車駕駛員不受飛來之物的侵害（符合UIC651標(biāo)準(zhǔn)的要求），而且可為風(fēng)擋玻璃、側(cè)窗和車外燈等部件提供保護(hù)支持。排障器可承受鐵道部技術(shù)規(guī)范中要求的137k N的靜載沖擊能力。排障器如圖10所示。

圖9 CRH6型城際動(dòng)車組流線型頭部

圖10 CRH6型城際動(dòng)車組排障器裝置

5 高速動(dòng)車外形與駕駛安全性

5.1 CRH 6型城際動(dòng)車組駕駛空間與作業(yè)安全

CRH6型城際動(dòng)車組車外形尺寸大小要充分考慮駕駛員的駕駛空間，以及人機(jī)工程學(xué)方面的驗(yàn)證。設(shè)計(jì)駕駛室的活動(dòng)空間大小時(shí)，首先要滿足司機(jī)有合適的駕駛空間，太大會(huì)使駕駛員操作很費(fèi)力，太小則會(huì)妨礙其安全駕駛。

根據(jù)UIC 651標(biāo)準(zhǔn)的要求，CRH6型城際動(dòng)車組內(nèi)部操作空間大小如圖11所示：駕駛室寬敞，在站立位置各點(diǎn)可以接近并且允許1 600 mm的凈空高度。在站立位置可接近的任何一點(diǎn)處，凈空高度不小1 850 mm。沿駕駛員就座時(shí)視線平面縱向測(cè)量，前窗內(nèi)表面與處于駕駛員座椅后面的最近物體（墻、門、櫥等）之間，駕駛室有2 645 mm左右，大于1 500 mm的最小深度。從駕駛員眼睛到駕駛員座椅前部前窗的距離約為1 025 mm左右，在500 mm和1 160 mm之間，符合要求。駕駛室內(nèi)的空氣量大于最小1×10 mm3符合要求。

5.2 CRH 6型城際動(dòng)車組瞭望視野與作業(yè)安全

為了保證行車安全，應(yīng)使駕駛員有良好的嘹望視野。因此，要進(jìn)行人機(jī)工程分析需要用合理的方法來確定動(dòng)車乘務(wù)員的嘹望視野，根據(jù)視野范圍有效的設(shè)計(jì)前窗、刮雨器等。

首先，根據(jù)UIC 651標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)駕駛員以坐姿或站姿駕車時(shí)，他眼睛的位置以一個(gè)參照表面來描述，參照表面的中心位于駕駛臺(tái)縱向軸上。根據(jù)UIC 651標(biāo)準(zhǔn)，定義的駕駛姿勢(shì)，其參照表面的上限和下限是由所考慮的最矮和最高駕駛員實(shí)際的眼睛位置決定的。對(duì)于其他姿勢(shì)，其參照表面的極限值必須按UIC 651中給定的人體測(cè)量數(shù)據(jù)來確定。然后，根據(jù)相應(yīng)的姿勢(shì)建立坐標(biāo)系，繪出相應(yīng)的眼橢圓樣板［6］（一般取95百分位眼橢圓）。關(guān)于眼橢圓的定位、眼橢圓中心的求法以及眼橢圓樣板，按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO4513－1978（C）規(guī)定執(zhí)行。

（1）前方靜態(tài)嘹望視野

前方嘹望視野必須滿足UIC 651的相關(guān)要求，保證駕駛員能看見前方10 000 mm及10 000 mm以外的高柱信號(hào)以及15 000 mm處的矮柱信號(hào)。圖12所示為CRH6型城際動(dòng)車組駕駛室前方瞭望視野。A表示駕駛員坐姿時(shí)觀察15 000 mm處矮柱信號(hào)機(jī)的視野；B表示駕駛員站姿時(shí)觀察10 000 mm處高柱信號(hào)機(jī)的視野。

同時(shí)，動(dòng)車駕駛員前方瞭望視野的大小以及前窗立柱形成的盲區(qū)，直接影響對(duì)行車信號(hào)的觀察和行車安全。為此，在進(jìn)行動(dòng)車司機(jī)室設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)前方瞭望視野及前窗立柱盲區(qū)進(jìn)行校核［7］。

圖11 CRH6型城際動(dòng)車組內(nèi)部操作空間

圖12 CRH6型城際動(dòng)車組列車前方瞭望視野

（2）動(dòng)態(tài)前方視野

前面所述的前方視野是靜態(tài)條件下的視野。但實(shí)際上，只有車輛行駛時(shí)才有可能發(fā)生事故。因此，應(yīng)對(duì)動(dòng)態(tài)視野［6］作進(jìn)一步的探討。為了擴(kuò)大前方視野，前窗下緣應(yīng)盡量低。但是前窗下緣如果過低，就會(huì)導(dǎo)致當(dāng)列車以高速駕駛時(shí)使駕駛員產(chǎn)生恐慌和發(fā)暈的感覺，這是由于視角速度過大的緣故。視角速度公式如下：

式中ω為視角速度；h為視點(diǎn)高度；x為視線與地面的交點(diǎn)至視點(diǎn)中心的水平距離；v為車速。

從公式（2）可知，視點(diǎn)高度不變，車速越高則視角速度越大。同樣的行駛車速，前窗下緣過低造成x減小，因而視角速度大。經(jīng)過試驗(yàn)認(rèn)為ω≤2 rad／s為舒適的駕駛視野范圍；2 rad／s＜ω＜4 rad／s為不舒適的駕駛視野范圍；ω≥4 rad／s為具有恐怖感的駕駛視野范圍［2］。

以高個(gè)駕駛員坐姿為例，CRH6型城際動(dòng)車組的前方動(dòng)態(tài)嘹望最大視角速度ωmax約為0.001 8 rad／s（x取19 000 mm，h取3 460 mm，v取200 km／h），ωmax≤2 rad／s，所以為舒適的駕駛視野范圍。

6 結(jié)束語

高速列車外形設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)計(jì)師的知識(shí)和能力要求極高，不僅要懂美學(xué)、造型美觀、簡(jiǎn)約、凝練、時(shí)尚等人文方面的知識(shí)；而且要懂列車外形與空氣動(dòng)力學(xué)性能關(guān)系，列車頭型內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外形結(jié)構(gòu)的關(guān)系，列車被動(dòng)安全防護(hù)結(jié)構(gòu)道路排障要求，列車駕駛員駕駛空間的要求，以及人機(jī)工程等工程技術(shù)方面的要求。在做高速列車外形設(shè)計(jì)時(shí)，第1步要根據(jù)線路運(yùn)營(yíng)要求，確定出列車頭型的細(xì)長(zhǎng)比，既流線型車頭長(zhǎng)度和列車橫截面積；第2步根據(jù)列車的橫截?cái)嗝孑喞土骶€型車頭長(zhǎng)度確定的前提下，進(jìn)行有效頭部外形輪廓設(shè)計(jì)來改善空氣動(dòng)力學(xué)性能；第3步進(jìn)行鼻錐和車頭頂部設(shè)計(jì)，確定頭型是扁梭形還是其他形狀，確定出有利于空氣動(dòng)力學(xué)性能的頭型。第4步進(jìn)行整個(gè)頭部造型的塑造，在這階段要確定出側(cè)窗、前窗、車燈、排障器、開閉機(jī)構(gòu)等位置及形狀，使列車外形在滿足各項(xiàng)要求的前提下盡可能的美觀。第5步進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證挑選方案，要進(jìn)行仿真分析、風(fēng)洞試驗(yàn)，進(jìn)行研究各個(gè)設(shè)計(jì)方案的氣動(dòng)性能，挑選最符合要求的方案。如果各方案都達(dá)不到要求，根據(jù)分析情況，在設(shè)計(jì)的前4步驟中改進(jìn)，使得最后達(dá)到要求。

［1］田紅旗.列車空氣動(dòng)力學(xué)［M］.北京：中國(guó)鐵道出版，2007.

［2］閆 穎，方衛(wèi)寧，高速列車頭部外形設(shè)計(jì)探討［D］.北京：北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，2006.

［3］鐵運(yùn)ρ［2008］28號(hào).關(guān)于印發(fā)《高速動(dòng)車組整車試驗(yàn)規(guī)范》通知——高速列車空氣動(dòng)力學(xué)性能計(jì)算和試驗(yàn)鑒定暫行規(guī)定［S］.

［4］劉建新，高速動(dòng)力車頭部結(jié)構(gòu)的安全性探討［J］.機(jī)車電傳動(dòng)，2000，（3）：7－9.

［5］UIC 651－1994.機(jī)車、動(dòng)車、動(dòng)車組和駕駛拖車的列車設(shè)計(jì)［S］.

［6］溫吾凡.汽車人體工程學(xué)［M］.長(zhǎng)春：吉林科學(xué)技術(shù)出版社，1991.

［7］方衛(wèi)寧，郭北苑，戴明森.機(jī)車乘務(wù)員坐姿視野判定方法的研究［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2000，22（5）：28－32.