新一代高速動車組車體設(shè)計創(chuàng)新技術(shù)

梁建英，丁叁叁，田愛琴，趙紅偉

（南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司技術(shù)中心，山東青島266111）

新一代高速動車組車體設(shè)計創(chuàng)新技術(shù)

梁建英，丁叁叁，田愛琴，趙紅偉

（南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司技術(shù)中心，山東青島266111）

本文全面概述了新一代高速動車組車體創(chuàng)新優(yōu)化過程，詳細(xì)分析了新一代高速動車組車體在氣動優(yōu)化、氣密強(qiáng)度與氣密性、模態(tài)匹配與減振降噪、輕量化等方面的創(chuàng)新設(shè)計。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明：新一代高速動車組車體具有足夠的強(qiáng)度、剛度與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、優(yōu)良的振動與疲勞特性，良好的氣動與噪聲性能。

高速動車組；輕量化；強(qiáng)度；振動模態(tài)；空氣動力學(xué)

1　前言

2008年8月1日京津城際鐵路建成通車，這標(biāo)志我國高速動車組運(yùn)行時速由250 km/h跨越式的進(jìn)入350 km/h。隨著列車運(yùn)行速度的提高，乘客乘坐時間變短，進(jìn)而能夠很好的提高城市間人員流動，有效推動中心城市周邊區(qū)域的經(jīng)濟(jì)活力與文化交流，共享國力增長帶來的經(jīng)濟(jì)紅利。

在350 km/h運(yùn)行速度下，由于中國線路運(yùn)用環(huán)境十分復(fù)雜，當(dāng)設(shè)計作為高速列車主要承載部件的車體時，必須考慮復(fù)雜環(huán)境對車體的影響[1]。這些復(fù)雜環(huán)境主要包括多體連接的長大編組相互耦合作用、列車與軌道及沿線設(shè)施相互作用、復(fù)雜的地理與氣候條件、復(fù)雜的運(yùn)用工況、超員運(yùn)行、繁重任務(wù)、長交路和多隧道等。當(dāng)列車在這些復(fù)雜環(huán)境下高速運(yùn)行時，車體的振動與沖擊響應(yīng)將變得更加劇烈，同時車體與空氣之間的強(qiáng)流固耦合作用也將影響列車的運(yùn)行性能。因而，需要利用列車系統(tǒng)動力學(xué)和空氣動力學(xué)方法設(shè)計車體，以便解決車體設(shè)計遇到的技術(shù)難題。這些車體設(shè)計技術(shù)難題主要包括車體與轉(zhuǎn)向架、弓網(wǎng)，車上部件、乘客與氣流之間的各種復(fù)雜相互作用，由激振頻率提高引起的車體部件之間的模態(tài)匹配，由氣動阻力引起的升功率與減阻力之間的矛盾，由隧道與明線交會引起的氣密強(qiáng)度和氣密性的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)制定，由風(fēng)振引起的噪聲，車體強(qiáng)度和剛度與車體結(jié)構(gòu)輕量化之間的矛盾。

基于在京津城際鐵路上高速動車組的系統(tǒng)調(diào)試與試驗(yàn)過程的經(jīng)驗(yàn)和成果[2]，新一代動車組（即CRH380A）設(shè)計從適應(yīng)中國列車運(yùn)行環(huán)境出發(fā)，基于列車系統(tǒng)動力學(xué)和空氣動力學(xué)方法，利用氣動減阻、氣動降噪、氣密強(qiáng)度和氣密性、模態(tài)匹配、減振降噪和輕量化等創(chuàng)新技術(shù)系統(tǒng)的解決由列車高速運(yùn)行引起的技術(shù)難題，進(jìn)而使高速運(yùn)行的列車能夠滿足車輛安全性、可靠性、舒適性和環(huán)保性等要求。

2　車體研發(fā)流程

新一代高速動車組車體研發(fā)流程主要包括方案設(shè)計、技術(shù)設(shè)計、施工設(shè)計、樣車試制、試驗(yàn)驗(yàn)證、設(shè)計改進(jìn)和批量生產(chǎn)，如圖1所示。在方案設(shè)計和技術(shù)設(shè)計階段，采用數(shù)值仿真、臺架試驗(yàn)、線路試驗(yàn)等方法分析車體性能，并且對三種方法進(jìn)行相互驗(yàn)證，經(jīng)過循環(huán)改進(jìn)后完成車體技術(shù)設(shè)計。對于后期批量生產(chǎn)的列車，基于科學(xué)運(yùn)營跟蹤的測試結(jié)果，對車體進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)，進(jìn)而使車體在產(chǎn)品全壽命周期管理過程中具有良好的車體性能。

圖1　車體研發(fā)流程Fig.1　Research and development process of car-body

3　車體設(shè)計創(chuàng)新技術(shù)

為了克服由列車高速運(yùn)行引起的技術(shù)難題，進(jìn)而研發(fā)出適合中國線路運(yùn)用環(huán)境的高速列車，提出了車體設(shè)計創(chuàng)新技術(shù)，即氣動減阻、氣動降噪、氣密強(qiáng)度和氣密性、模態(tài)匹配、減振降噪和輕量化。

3.1氣動減阻

車輛運(yùn)行阻力主要包括由輪軌、軸承和齒輪等引起的機(jī)械摩擦阻力和由于交會氣流引起的車內(nèi)動量損失和車外氣動阻力。隨著列車速度的提高，氣動阻力成平方增長，如圖2所示。在列車運(yùn)行速度為350 km/h工況下，大于85%的列車阻力來源于氣動阻力[3]，而機(jī)械阻力與列車總阻力的比例小于5%，動量損失與列車總阻力的比例大約為10%。因此，降低氣動阻力成為高速列車減阻的關(guān)鍵因素。

圖2　列車總阻力和氣動阻力隨列車速度變化情況Fig.2　Total resistance and aerodynamic resistance variation with train speed

高速列車的氣動減阻技術(shù)主要包括頭型優(yōu)化、表面平順化和流動控制。每種氣動減阻技術(shù)的具體措施方法如下。

1）頭型優(yōu)化：通過增加長細(xì)比，改善綜合氣動性能；縮小車體斷面截面積，減少磨阻；優(yōu)化各向斷面，避免流動分離。

2）表面平順化：對車端聯(lián)接、空調(diào)、高壓設(shè)備、車下設(shè)備艙、天線和門窗等外凸部位和轉(zhuǎn)向架區(qū)域采取技術(shù)措施，保證車身表面光順無凸起，進(jìn)而降低渦流損失、壓差阻力和摩擦阻力。

3）流動控制：通過吹氣、擾流和溝槽等主動或被動流動控制技術(shù)，修正表面流場。

當(dāng)CRH380A動車組應(yīng)用上述氣動減阻技術(shù)后，當(dāng)列車運(yùn)行速度為350 km/h，它的整車阻力比CRH2C動車組減少15.4%[4]，如圖3所示。

3.2氣動降噪

氣動噪聲主要是由偶極子聲源產(chǎn)生的，即由流固耦合引起的壓力脈動，它與列車運(yùn)行速度成6次方比例關(guān)系。氣動噪聲對車內(nèi)噪聲貢獻(xiàn)大，而對遠(yuǎn)場噪聲貢獻(xiàn)較小。當(dāng)列車運(yùn)行速度為200 km/h，車體表面噪聲為97 dBA，而在距離列車25 m處，噪聲衰減到70 dBA。試驗(yàn)結(jié)果表明集電系統(tǒng)的噪聲強(qiáng)度大于車端連接和轉(zhuǎn)向架的噪聲強(qiáng)度，而車端連接和轉(zhuǎn)向架的噪聲強(qiáng)度大于其他部位的噪聲強(qiáng)度，如圖4所示。

圖3　車體單位阻力隨列車運(yùn)行速度變化情況Fig.3　Unit resistance variation of car-body with train operating speed

圖4　車外噪聲組成Fig.4　Composition of vehicle exterior noise

基于列車噪聲聲源分析，氣動降噪技術(shù)主要包括優(yōu)化在受電弓與轉(zhuǎn)向架區(qū)域的流場和平順化車身表面，如圖5所示。通過對列車結(jié)構(gòu)進(jìn)行流場整理和平順化處理后，氣動噪聲在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上降低1～2 dBA。在3.1節(jié)中，流動控制技術(shù)也能夠降低氣動噪聲。

圖5　經(jīng)流場優(yōu)化和平順化后的列車示意圖Fig.5　Diagram of train with flow field optimization and regularity

3.3氣密強(qiáng)度與氣密性

當(dāng)列車以200 km/h以上的速度進(jìn)出隧道和在隧道內(nèi)交會時，急劇變化的車內(nèi)外壓差將改變車內(nèi)外流場分布，進(jìn)而影響車體結(jié)構(gòu)疲勞性能和旅客乘坐舒適性。

在武廣客運(yùn)專線上進(jìn)行的車體交會壓力試驗(yàn)中，當(dāng)兩列CRH2C在隧道以350 km/h等速交會時，車體結(jié)構(gòu)應(yīng)力的最大值為38 MPa，相應(yīng)的安全系數(shù)為1.02[5，6]，這將造成車體結(jié)構(gòu)的安全裕量不足。同時，車體側(cè)墻出現(xiàn)較大變形，這將會影響旅客乘坐舒適性。這些問題都是因?yàn)楫?dāng)兩列CRH2C以350 km/h等速交會時，車體承受交會壓力波的測量幅值為5 714 Pa，這個交會壓力波幅值遠(yuǎn)大于CRH2C采用的車體氣密疲勞強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)載荷值±4 kPa。

為了提高車體結(jié)構(gòu)安全性和改善旅客乘坐舒適性，需要制定時速350 km的車體氣密強(qiáng)度設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。通過分析在遂渝線、合武客專和京津城際線不同線路條件下以及以各種速度級隧道或明線通過、交會的動車組列車線路試驗(yàn)和數(shù)值仿真結(jié)果，如表1所示，掌握列車在復(fù)雜工況下氣動載荷的變化規(guī)律，進(jìn)而確定350 km/h車體氣密疲勞強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)的±6 kPa載荷值。

表1　在各種運(yùn)行條件下列車氣動壓力的測試和仿真結(jié)果Table 1　Test and simulation results of train aerodynamic pressure under operating conditions

為了獲得在±6 kPa氣密載荷循環(huán)作用下車體氣密疲勞強(qiáng)度，制造8 m長氣密疲勞試驗(yàn)車體。在氣密疲勞試驗(yàn)臺上，對車體進(jìn)行氣密充放氣試驗(yàn)，如圖6所示。圖7顯示經(jīng)過10萬次氣密試驗(yàn)后各個測試點(diǎn)的應(yīng)力值隨試驗(yàn)作用次數(shù)的變化情況。從圖7可知，車體各個測點(diǎn)的應(yīng)力值波動很小，而且均遠(yuǎn)低于焊縫疲勞許用應(yīng)力，因而車體沒有發(fā)生疲勞破壞。

圖6　8 m長氣密疲勞試驗(yàn)車體Fig.6　8 m long car-body for airtightness and fatigue test

圖7　各個測點(diǎn)應(yīng)力值隨試驗(yàn)次數(shù)變化情況Fig.7　Stress value variation with test times of measuring points

基于氣密載荷±6 kPa的車體氣密疲勞強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計出新一代動車組車體結(jié)構(gòu)。這個車體結(jié)構(gòu)相對CRH2C的車體結(jié)構(gòu)具有更好的結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度性能和旅客乘坐舒適性，而它的結(jié)構(gòu)重量相對于CRH2C僅增加7.2%。在隧道內(nèi)交會時，車體最大應(yīng)力值為28.8 MPa[7，8]，而CRH2C的車體最大應(yīng)力值為38 MPa，因而新一代動車組顯著增加車體安全系數(shù)。在新一代動車組長期運(yùn)營中，它的運(yùn)行狀態(tài)和跟蹤測試數(shù)據(jù)表明車體完全能夠適應(yīng)在104 m2隧道內(nèi)以時速350 km進(jìn)行交會運(yùn)行。

3.4模態(tài)匹配與減振降噪

車體模態(tài)匹配的主要目的是避免車體發(fā)生共振和局部顫振。通過對車體各個部件的固有頻率進(jìn)行匹配設(shè)計能夠滿足車輛運(yùn)行可靠性和旅客乘坐舒適度的技術(shù)要求。

CRH2C動車組在京津城際鐵路上進(jìn)行模態(tài)振動測試[9，10]，測試結(jié)果顯示客室地板和司機(jī)室分別發(fā)生顫振和局部振動，并且這兩個部位的第一階模態(tài)頻率較低，如表2所示。

表2　車體局部振動模態(tài)測試結(jié)果Table 2　Local vibration mode test results of car-body

通過數(shù)值仿真、臺架試驗(yàn)與線路試驗(yàn)相結(jié)合，研究車體結(jié)構(gòu)及整備狀態(tài)下車體整體與局部的模態(tài)特征，進(jìn)而獲得車體與轉(zhuǎn)向架、懸掛部件、車內(nèi)裝飾、弓網(wǎng)之間的振動關(guān)系，從而提出車體模態(tài)匹配原則。利用車體模態(tài)匹配原則優(yōu)化車體的整體與局部結(jié)構(gòu)。

輪軌和氣流激勵容易引起具有長大中空封閉結(jié)構(gòu)的車體模態(tài)和車內(nèi)聲學(xué)模態(tài)共振，進(jìn)而產(chǎn)生聲固耦合。因此，傳統(tǒng)的隔聲和吸聲減噪措施很難降低由振動引起的結(jié)構(gòu)噪聲，從而需要利用聲振解耦措施降低結(jié)構(gòu)噪聲。采用聲固耦合理論分析車體空腔聲模態(tài)、車體整體與局部振動模態(tài)和聲振耦合的振動源與傳遞關(guān)系。

在基本不增加車體重量的前提下，通過優(yōu)化車體局部結(jié)構(gòu)，提高車體局部剛度和阻尼，進(jìn)而控制車體局部振動，從而解決車體局部顫振和噪聲問題。線路測試結(jié)果顯示相對CRH2C，CHR380A的地板振動有效值大約降低26%[11，12]，而司機(jī)室噪聲降低2.3 dBA，如圖8和圖9所示。

圖8　地板振動測試結(jié)果Fig.8　Vibration test results of floor

圖9　司機(jī)室噪聲測試結(jié)果Fig.9　Noise test results of cab

3.5輕量化

隨著列車運(yùn)行速度的提高，輪軌沖擊變得更加劇烈，同時氣動阻力占列車總阻力的比重也變得更大，進(jìn)而對車體輕量化要求也變得更高。然而，更輕的車體重量將影響車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、氣密強(qiáng)度、振動和噪聲等車輛性能。

在各種載荷工況下，為了匹配車體各部件的剛度和模態(tài)，依據(jù)等強(qiáng)度設(shè)計理念，對車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。為了使每個部件具有更合理的質(zhì)量和剛度，基于精確仿真方法，均衡設(shè)計各個部件的載荷率，如圖10所示。同時，為了避免焊縫區(qū)域應(yīng)力集中，基于變截面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計把在高應(yīng)力區(qū)域內(nèi)的焊縫轉(zhuǎn)移到低應(yīng)力區(qū)域。

圖10　車體局部結(jié)構(gòu)的精細(xì)化仿真分析Fig.10　Accurate simulation analysis of car-body local structure

利用臺架試驗(yàn)和數(shù)值仿真獲得優(yōu)化后車體結(jié)構(gòu)應(yīng)力[13～16]，兩種方法的結(jié)果都表明優(yōu)化后的車體結(jié)構(gòu)能夠滿足車體強(qiáng)度要求，如圖11～圖13所示。基于等強(qiáng)度和剛度匹配方法設(shè)計的新一代動車組車體結(jié)構(gòu)重量控制在8.5 t以內(nèi)，車體一階垂向彎曲模態(tài)頻率大于10 Hz，車體結(jié)構(gòu)滿足±6 kPa氣密強(qiáng)度要求，隔音性能相對CRH2C增加4 dBA。

圖11　在垂直載荷工況下車體應(yīng)力云圖Fig.11　Stress nephogram under vertical load case of car-body

圖12　在氣密載荷工況下車體應(yīng)力云圖Fig.12　Stress nephogram under airtightness load case of car-body

圖13　車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)Fig.13　Static strength test of car-body

4　結(jié)語

在滿足強(qiáng)度和剛度標(biāo)準(zhǔn)的前提下，對車體底架、側(cè)墻、車頂、外端和司機(jī)室等部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，系統(tǒng)地解決由列車高速運(yùn)行引起的振動、減阻、降噪、升力和交會疲勞等一系列技術(shù)難題，并且優(yōu)化后的車體結(jié)構(gòu)具有輕量化和等強(qiáng)度特點(diǎn)?；趦?yōu)化后的車體結(jié)構(gòu)，研發(fā)出適合中國線路條件的新一代高速動車組。該動車組實(shí)現(xiàn)了486.1 km/h的最高運(yùn)行速度，以及350 km/h的最高運(yùn)營速度。

[1]張曙光.高速列車設(shè)計方法研究[M].北京：中國鐵道出版社，2009.

[2]李強(qiáng).京津客運(yùn)專線300公里二階段車體動應(yīng)力測試報告[R].北京：北京交通大學(xué)，2010.

[3]楊國偉.新一代高速動車組氣動性能數(shù)值計算研究報告[R].北京：中國科學(xué)院力學(xué)所，2010.

[4]黃志祥.新一代高速動車組氣動力風(fēng)洞試驗(yàn)報告[R].綿陽：627所，2010.

[5]閻鋒.時速300公里二階段動車組T1車車體氣密強(qiáng)度試驗(yàn)報告[R].青島：青島四方車輛研究所，2010.

[6]閻鋒.時速300公里二階段動車組M3車車體氣密強(qiáng)度試驗(yàn)報告[R].青島：青島四方車輛研究所，2010.

[7]閻鋒.新一代高速動車組頭車（E12T1）車體氣密強(qiáng)度試驗(yàn)報告[R].青島：青島四方車輛研究所，2011.

[8]閻鋒.新一代高速動車組頭車（E12M4）車體氣密強(qiáng)度試驗(yàn)報告[R].青島：青島四方車輛研究所，2011.

[9]張立民.時速300公里二階段動車組T1車車體振動模態(tài)試驗(yàn)報告[R].成都：西南交通大學(xué)，2010.

[10]張立民.時速300公里二階段動車組M3車車體振動模態(tài)試驗(yàn)報告[R].成都：西南交通大學(xué)，2010.

[11]張立民.新一代高速動車組頭車（E12T1）車體模態(tài)試驗(yàn)報告[R].成都：西南交通大學(xué)，2011.

[12]張立民.新一代高速動車組中間車（E12M4）車體模態(tài)試驗(yàn)報告[R].成都：西南交通大學(xué)，2011.

[13]王文靜.新一代高速動車組M4車車體靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度與模態(tài)分析報告[R].北京：北京交通大學(xué)，2010.

[14]王文靜.新一代高速動車組T1車車體靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度與模態(tài)分析報告[R].北京：北京交通大學(xué)，2010.

[15]閻鋒.新一代高速動車組中間車（E12T1）車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)報告[R].青島：青島四方車輛研究所，2011.

[16]閻鋒.新一代高速動車組中間車（E12M5）車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)報告[R].青島：青島四方車輛研究所，2011.

Innovative design technology for the new generation of high-speed EMU

Liang Jianying，Ding Sansan，Tian Aiqin，Zhao Hongwei
(CSR Qingdao Sifang Locomotive and Rolling Stock Co.Ltd.R&D Center，Qingdao，Shandong 266111，China)

This article comprehensively summarize the optimization of process innovation of the new generation of high-speed electric multiple unit（EMU），minutely analysize its innovative design on aerodynamic optimization，air tightness，modal matching，reduction vibration and noise，lightweight and other aspects.The simulation and experiment result shows that the new generation of high-speed EMU is with enough strength，stiffness，structure stability，excellent features of vibration and fatigue，great performance aerodynamics and noise.

high-speed EMU；lightweight；strength；vibration mode；aerodynamics

U270.2

A

1009-1742（2015）04-0063-06

2015-01-07

梁建英，1972年出生，女，吉林延吉市人，博士，教授級高級工程師，長期從事高速動車組、地鐵列車的研發(fā)工作；E-mail：sf-liangjianying@cqsf.com