淺析動(dòng)車車頭外形

摘要：社會(huì)發(fā)展不斷提升，促成對(duì)動(dòng)車的車頭外形要求升高，不僅要求克服前進(jìn)時(shí)的阻力問(wèn)題（即空氣阻力降低和能源節(jié)約），而且要美觀大方。基于此目的，各研究單位也積極展開(kāi)了研究。本文作者通過(guò)閱讀大量文獻(xiàn)資料總結(jié)各種觀點(diǎn)，結(jié)合自己的實(shí)際體會(huì)，給出了部分觀點(diǎn)，以期對(duì)從事該項(xiàng)研究工作者提供借鑒。

關(guān)鍵詞：空氣阻力；空氣動(dòng)力學(xué)性能；流線型

1引言

城市與城市之間的發(fā)展想要緊密連接在一起就少不了城市交通，而現(xiàn)有的交通運(yùn)輸方式無(wú)法滿足城市間大運(yùn)量的運(yùn)輸需求。城市想要發(fā)展的更好更快速，交通時(shí)間和交通速度就成了人注的重點(diǎn)。日本、法國(guó)、德國(guó)等國(guó)家已將動(dòng)車作為未來(lái)運(yùn)營(yíng)在各大城市的主要交通方式，中國(guó)也將動(dòng)車發(fā)展提上日程。當(dāng)今社會(huì)，因?yàn)閯?dòng)車的崛起，一次又一次突破創(chuàng)新的發(fā)展，使得越來(lái)越多人選擇更為快速、舒適的動(dòng)車出行方式。那動(dòng)車又是如何給人更舒適的感受呢。在這其中，動(dòng)車的外形設(shè)計(jì)不可忽視，而它的車頭更是整列車造型的重中之重。下面作者簡(jiǎn)單分析車頭外形在設(shè)計(jì)時(shí)的一些相關(guān)理念。

2車頭外形設(shè)計(jì)的相關(guān)理念

2.1國(guó)外對(duì)車頭外形設(shè)計(jì)的相關(guān)理念

對(duì)于外形設(shè)計(jì)方面，法國(guó)的TGV、日本的新干線以及德國(guó)的ICE等，他們的列車外形流線化程度都很高，而在降低空氣阻力、減小壓力波（會(huì)車壓力波以及隧道微氣壓波）、降低噪音等方面都有各自的優(yōu)點(diǎn)。

日本新干線列車的車頭為細(xì)長(zhǎng)型，它的橫截面大多都像圓形，就好比子彈頭。因此，這樣的車頭外形有效地減小了高速運(yùn)行時(shí)的空氣阻力。

德國(guó)的ICE列車在減小氣動(dòng)噪音方面做的比較好，它采用細(xì)長(zhǎng)而沒(méi)有棱角的輪廓線，車廂頂部有兩個(gè)受電弓，沒(méi)有天線、風(fēng)機(jī)、導(dǎo)線和開(kāi)關(guān)等設(shè)備。除此之外，他們的車窗、車門(mén)以及把手都有利于流線型外形設(shè)計(jì)和車體平滑的連接。而這種設(shè)計(jì)使高速列車在運(yùn)行時(shí)噪音達(dá)到最低。

在借鑒國(guó)外研究的基礎(chǔ)上，還需要結(jié)合我國(guó)自身設(shè)計(jì)理念和相關(guān)的工程技術(shù)，才能設(shè)計(jì)出理想的動(dòng)車車頭外型。在設(shè)計(jì)車頭外形時(shí)不僅要保留它原有的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還要在其技術(shù)方面有著屬于自己的自主創(chuàng)新。經(jīng)過(guò)對(duì)不同方富的氣動(dòng)特性及其對(duì)有限編組列車氣動(dòng)性能的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，車頭形狀以具有較長(zhǎng)長(zhǎng)細(xì)比，表面無(wú)拐角且曲率變化較小的二次元形狀的頭型氣動(dòng)性能最好。而“流線型”外形設(shè)計(jì)是現(xiàn)如今動(dòng)車車頭外形設(shè)計(jì)的主要趨勢(shì)。[1]相比較之下，西方人更注重的是動(dòng)車車頭造型時(shí)尚前衛(wèi)，凸顯個(gè)性，有著屬于他們國(guó)家崇尚自由的性格理念。而我國(guó)則是比例與尺寸的完美融合，在具有速度的同時(shí)，較多的采取曲線塑性，整體突顯“方與圓”，其車身更沒(méi)有多余的線條，這也比較符合我們東方人的審美觀念。

2.2我國(guó)高速運(yùn)行的動(dòng)車對(duì)于車頭外型設(shè)計(jì)

首先，車頭是我們辨認(rèn)不同動(dòng)車車型的重要標(biāo)志。其中，每一列動(dòng)車都有著屬于它自己的獨(dú)特車頭造型，例如，有的像“子彈頭”、“火箭”（CRH380A）“飛龍”（復(fù)興號(hào)動(dòng)車組CR400AF）。而在動(dòng)車頭這里，不僅美觀大方，同時(shí)還需要更高的實(shí)用科技含量。有關(guān)它的影響因素，對(duì)于高鐵車頭造型設(shè)計(jì)的科技含量來(lái)說(shuō)，主要集中于動(dòng)車要面臨的問(wèn)題（空氣動(dòng)力學(xué)性能）。由于動(dòng)車速度快，除了空氣阻力的作用，還存在升力、橫向力、側(cè)向力、側(cè)滾力矩、偏轉(zhuǎn)力矩與俯仰力矩。而這些外力因素對(duì)動(dòng)車運(yùn)行平穩(wěn)性有著較大的影響。動(dòng)車的速度越快，它的氣動(dòng)阻力就越大，而隨著速度的提升，氣動(dòng)阻力則是成平方增長(zhǎng)。動(dòng)車以100km/h的速度運(yùn)行時(shí)，空氣阻力大約占總阻力的一半，而動(dòng)車以250km/h的速度運(yùn)行時(shí)，空氣阻力占了總阻力的百分之八十。速度越快，它所要承受的空氣阻力就越多大?？梢?jiàn)，在高速度的狀態(tài)下，動(dòng)車的牽引動(dòng)力幾乎都用來(lái)抵抗空氣阻力。上面的分析來(lái)看，動(dòng)車高速運(yùn)行時(shí)最大的“對(duì)手”不是它自身，而是“空氣阻力”，而它的另一個(gè)重要“對(duì)手”則是升力。因此，頭型設(shè)計(jì)在降低氣動(dòng)阻力的同時(shí)還需要降低氣動(dòng)升力，令升力趨近于零。為了保障列車運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性，筆者認(rèn)為還需要克服匯車時(shí)所產(chǎn)生的壓力波、動(dòng)車通過(guò)隧道時(shí)引起隧道內(nèi)空氣壓力急劇波動(dòng)所產(chǎn)生的沖擊力等。

對(duì)于好的車頭外型而言，必須具有良好的空氣動(dòng)力學(xué)性能。即車頭頭型要具有克服或者有效地減少空氣阻力、升力、會(huì)車壓力波等等帶來(lái)影響的性能，最終達(dá)到降低能耗，提高動(dòng)車高速運(yùn)行的平穩(wěn)性和乘坐舒適性的目的。除了要達(dá)到空氣動(dòng)力學(xué)性能的要求，動(dòng)車還在它流線型的外形設(shè)計(jì)上增加了一些獨(dú)特的民族設(shè)計(jì)。由于對(duì)阻力系數(shù)和長(zhǎng)寬比的考慮，我們與其他國(guó)家的動(dòng)車車頭外形設(shè)計(jì)有著一些共同特征——車頭都呈修長(zhǎng)的流線型。（長(zhǎng)寬比是指車頭前端鼻形部位長(zhǎng)度與車頭后部車身斷面半徑之比，車頭前端鼻形部位越長(zhǎng)，它的后部車身斷面半徑就越小。因此它的長(zhǎng)寬比就越大，同時(shí)它的阻力系數(shù)又與長(zhǎng)寬比有關(guān)，長(zhǎng)寬比越大，它的阻力系數(shù)就越?。2]

綜上所述，車頭前端越長(zhǎng)，它的長(zhǎng)細(xì)比就越大，而動(dòng)車所受到的空氣阻力就越小，這也是動(dòng)車采用流線型車頭的主要原因。在動(dòng)車車頭的前端鼻形部位，通常是橢圓形狀，這樣設(shè)計(jì)減小了它的空氣阻力，在它的車頭兩側(cè)還設(shè)置有導(dǎo)流槽，通過(guò)鼻錐到導(dǎo)流槽的引流形式，使氣流向下，達(dá)到氣動(dòng)升力降低的目的。

在現(xiàn)實(shí)的頭型設(shè)計(jì)中，動(dòng)車車頭造型都各有不同，而一些細(xì)微的不同，都可能有著不同的技術(shù)性能。除了技術(shù)之外，還要保證美觀大方，得到人們的認(rèn)可的同時(shí)還要具有自己獨(dú)特的文化特色?？偟膩?lái)說(shuō)，動(dòng)車車頭造型設(shè)計(jì)非常具有挑戰(zhàn)性。設(shè)計(jì)出一個(gè)理想車頭頭型，還是需要經(jīng)過(guò)多次的創(chuàng)新、磨練和加工。

3 結(jié)語(yǔ)

上述表明，動(dòng)車的車頭外型是影響空氣動(dòng)力學(xué)性能的重要因素。而要降低動(dòng)車高速運(yùn)行時(shí)所受到的“空氣阻力”，它的車頭就要呈流線型的頭型設(shè)計(jì)。這不僅說(shuō)明了它的重要性，同時(shí)也預(yù)示著未來(lái)動(dòng)車頭型發(fā)展的方向。而這種樣式的動(dòng)車，不僅美觀大方，實(shí)用技術(shù)含量更高?；贑RH系列動(dòng)車組的外型設(shè)計(jì)，再到CRH380A的車頭外型設(shè)計(jì)，明顯可以看出它的頭型更加細(xì)長(zhǎng)，而線條也更加流暢。所以在減小空氣阻力等方面，它更占優(yōu)勢(shì)。如果未來(lái)沒(méi)有更好的方法解決空氣阻力等這些問(wèn)題，現(xiàn)階段可能大多數(shù)都會(huì)采用這種流線型車頭外型設(shè)計(jì)，而在這基礎(chǔ)上車頭外型會(huì)更加細(xì)長(zhǎng)，同時(shí)它的性能也會(huì)更好。各類動(dòng)車之間都有著技術(shù)差異，但總體的外型設(shè)計(jì)考慮方向不會(huì)有太大的改變。

參考文獻(xiàn)

[1]張健 高速列車動(dòng)車頭形風(fēng)洞試驗(yàn)研究 .[J].期刊名，哪年，（哪期）：哪頁(yè)-哪頁(yè).

[2]極客風(fēng).高鐵車頭是怎樣設(shè)計(jì)出來(lái)的，背后都蘊(yùn)含著那些科技[W].www.http//…..，

作者簡(jiǎn)介：付曉君，1998年生，女，陜西岐山人，主修方向?yàn)閯?dòng)車組檢修。

（作者單位：西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院）