高速動(dòng)車組流線型頭型設(shè)計(jì)技術(shù)研究

劉鳳華 邢海英

摘 要：按照高速動(dòng)車組設(shè)計(jì)指標(biāo)及技術(shù)要求，從頭型優(yōu)化設(shè)計(jì)的頂層技術(shù)參數(shù)、方法到設(shè)計(jì)過(guò)程方面介紹高速動(dòng)車組流線型頭型氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)技術(shù)。結(jié)合以往動(dòng)車組流線型頭型設(shè)計(jì)、仿真分析及試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，將理論與實(shí)踐結(jié)合給出動(dòng)車組頭型設(shè)計(jì)的合理長(zhǎng)度區(qū)間。設(shè)計(jì)與分析過(guò)程體現(xiàn)出高速動(dòng)車組頭型新的設(shè)計(jì)理念，對(duì)高速動(dòng)車組頭型的自主研發(fā)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)作用。

關(guān)鍵詞：高速動(dòng)車組;流線型頭型;設(shè)計(jì)技術(shù);仿真分析;試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：U271.91

隨著高速列車速度的不斷提高，列車的空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題越顯突出。優(yōu)化設(shè)計(jì)列車車頭的外形，減小列車阻力，并使之具有良好的空氣動(dòng)力學(xué)性能是高速動(dòng)車組研發(fā)的重要任務(wù)。高速動(dòng)車組頭型的設(shè)計(jì)技術(shù)在不斷提升，其設(shè)計(jì)過(guò)程是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要工業(yè)造型設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、人機(jī)工程分析、空氣動(dòng)力學(xué)仿真分析及試驗(yàn)等多學(xué)科相互交叉耦合，因此涉及大量的設(shè)計(jì)、分析及試驗(yàn)任務(wù)。本文主要對(duì)3輛車編組高速動(dòng)車組的設(shè)計(jì)指標(biāo)與技術(shù)分析，以及頭型設(shè)計(jì)全過(guò)程進(jìn)行介紹。

1 高速動(dòng)車組設(shè)計(jì)指標(biāo)與技術(shù)分析

根據(jù)高速動(dòng)車組用戶的相關(guān)技術(shù)文件要求，不同速度等級(jí)動(dòng)車組的頭型氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)主要指標(biāo)包括空氣阻力、氣動(dòng)升力及交匯壓力波。其中，空氣阻力系數(shù)的要求如表1所示;氣動(dòng)升力的要求是在無(wú)環(huán)境風(fēng)時(shí)，頭尾車的氣動(dòng)升力應(yīng)接近于零;交匯壓力波的要求是速度為350 km/h的動(dòng)車組小于6 kPa，速度為250 km/h及以下的動(dòng)車組小于4 kPa。

高速動(dòng)車組的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)安全、舒適、節(jié)能、環(huán)保等方面的總體原則進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，基于上述技術(shù)指標(biāo)要求，在切實(shí)保障安全性的前提下，全力提升乘坐舒適度指標(biāo)，同時(shí)兼顧節(jié)能和環(huán)保的要求，實(shí)現(xiàn)以人為本的根本目標(biāo)。安全方面涉及的空氣動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)有氣動(dòng)升力、交匯壓力波、橫向氣動(dòng)性能、表面壓力及列車風(fēng)等。舒適方面涉及的空氣動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)有交匯壓力波、氣動(dòng)噪聲及列車風(fēng)等。節(jié)能方面涉及的空氣動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)是空氣阻力。環(huán)保方面涉及的空氣動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)有氣動(dòng)噪聲、列車風(fēng)、微氣壓波等。所有涉及的空氣動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)均與設(shè)計(jì)變量有關(guān)，包括長(zhǎng)細(xì)比、斷面形狀、斷面面積、斷面面積變化率、縱斷面形狀、水平斷面形狀、鼻錐引流角、駕駛艙傾角、車身表面平順度等。然而，這些設(shè)計(jì)變量又受到列車頭部造型、司機(jī)視野、司機(jī)室布置、室內(nèi)空間、工藝方法及產(chǎn)品制造成本等的限制，因此需要綜合考慮各種制約因素，尋求氣動(dòng)性能最佳，且造型美觀、產(chǎn)品易于實(shí)現(xiàn)、制造成本可接受、符合市場(chǎng)需求的高速動(dòng)車組流線型頭型。

2 流線型頭型設(shè)計(jì)的指標(biāo)要求和流程

2.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)要求

高速動(dòng)車組流線型頭型的研發(fā)必須滿足列車運(yùn)行所需的空氣動(dòng)力性能要求，同時(shí)必須考慮車體結(jié)構(gòu)、內(nèi)部空間、人機(jī)工程等要求，以及制造工藝的便捷和造型的美觀，而美觀的造型對(duì)企業(yè)品牌塑造具有重要作用。

流線型頭型設(shè)計(jì)必須滿足以下要求：

（1）列車運(yùn)行所需的空氣動(dòng)力性能指標(biāo)要求，如表面壓力、空氣阻力、氣動(dòng)升力、交匯壓力波、氣動(dòng)噪聲及橫向氣動(dòng)性能;

（2）列車結(jié)構(gòu)及工藝技術(shù)要求，如車體結(jié)構(gòu)、內(nèi)部空間、人機(jī)工程、司機(jī)視野及工藝實(shí)現(xiàn)方法等;

（3）列車氣動(dòng)外形基本要求，如流線型頭型、鼓型斷面、排障器倒流、封閉轉(zhuǎn)向架及表面無(wú)渦流區(qū)等。

2.2 設(shè)計(jì)流程

流線型頭型設(shè)計(jì)的流程為：頂層設(shè)計(jì)參數(shù)確定→工業(yè)造型設(shè)計(jì)→人機(jī)工程分析→結(jié)構(gòu)及工藝分析→仿真分析及試驗(yàn)→施工設(shè)計(jì)→樣車制造及再優(yōu)化?，F(xiàn)以實(shí)際案例分析設(shè)計(jì)流程中的每一個(gè)關(guān)鍵步驟，具體如下。

2.2.1 頂層設(shè)計(jì)參數(shù)確定

車頭的長(zhǎng)度直接影響列車的氣動(dòng)阻力、氣動(dòng)升力、交會(huì)壓力波、氣動(dòng)噪聲及曲線通過(guò)能力。通過(guò)考慮長(zhǎng)細(xì)比因素和對(duì)歐系、日系高速動(dòng)車組頭型的研究分析，并根據(jù)以往高速動(dòng)車組的設(shè)計(jì)、分析及試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，本文建議不同速度等級(jí)動(dòng)車組的車頭設(shè)計(jì)長(zhǎng)度及3輛車編組的氣動(dòng)系數(shù)如表2所示。

車體的斷面形狀主要影響列車的交會(huì)壓力波及橫向氣動(dòng)性能，理想的斷面為鼓形斷面。鼓壁車身斷面與直壁相比可減小列車的交會(huì)壓力波。在如圖1所示的車體斷面示意圖中，R2在一定范圍內(nèi)變化，對(duì)橫向氣動(dòng)性能的影響不大;R1增大，則橫向力、升力和傾覆力矩均隨之顯著減小;H變化對(duì)橫向力的影響也不大，但H增加，負(fù)升力幅值迅速降低，而傾覆力矩迅速增加，因此H不宜過(guò)高;R3及R4對(duì)橫向力的影響也不大;α、β對(duì)橫向力、升力和傾覆力矩都有一定的影響。

車頭長(zhǎng)度和斷面形狀確定后，需要確定縱斷面及水平斷面控制線，從而形成頭部造型。目前常見(jiàn)的列車頭型有扁寬型和橢球型2種。扁寬型的頭型有助于減小空氣壓力波，但空氣阻力較大，需用加長(zhǎng)車頭長(zhǎng)度等方式降低阻力。橢球型的頭型空氣阻力最小，但空氣壓力波相對(duì)較大，需要滿足車體的強(qiáng)度要求和側(cè)窗玻璃的抗瞬態(tài)沖擊能力。

2.2.2 工業(yè)造型設(shè)計(jì)

工業(yè)造型根據(jù)設(shè)計(jì)的基本原則及理念、仿生學(xué)理論、頂層技術(shù)指標(biāo)及設(shè)計(jì)參數(shù)、司機(jī)視野及人機(jī)工程、企業(yè)文化等進(jìn)行造型設(shè)計(jì)。目前歐洲ICE、AGV等動(dòng)車組頭型造型整體渾圓，注重細(xì)節(jié)減阻;日本500系、700系等動(dòng)車組頭型造型線條豐富，造型多樣，注重降噪，且長(zhǎng)細(xì)比大;我國(guó)CRH系列動(dòng)車組和標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組等頭型整體造型方圓結(jié)合，形體過(guò)渡流暢。圖2為某高速動(dòng)車組造型仿生設(shè)計(jì)方案。

2.2.3 人機(jī)工程分析

人機(jī)工程分析是在UIC 651：2002 《機(jī)車 動(dòng)車 動(dòng)車組和駕駛拖車的司機(jī)室設(shè)計(jì)》、GB 10000-1988《中國(guó)成年人人體尺寸》、 EN 45545：2013 《機(jī)車材料的防火保護(hù)》、TB/T

3091-2008《鐵路機(jī)車司機(jī)職業(yè)健康檢查規(guī)范》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，采用人因仿真分析軟件Jack對(duì)司機(jī)室進(jìn)行人機(jī)分析，包括司機(jī)室設(shè)備布置符合單司機(jī)操作要求分析、司機(jī)座椅舒適性及擱腳板高度分析、司機(jī)作業(yè)姿勢(shì)分析、司機(jī)室瞭望視野分析、檢修空間分析、司機(jī)室通往客室方向的門或走廊的快速通過(guò)能力分析、逃生窗的逃生功能分析等內(nèi)容。圖3為某高速動(dòng)車組人機(jī)分析部分過(guò)程示意圖。

2.2.4 結(jié)構(gòu)及工藝分析

結(jié)構(gòu)及工藝分析包括司機(jī)室外殼、車鉤、擋風(fēng)玻璃、側(cè)窗、開閉機(jī)構(gòu)、車燈、雨刷、內(nèi)裝結(jié)構(gòu)布置、工藝實(shí)現(xiàn)方法、安全可靠性、制造成本及維護(hù)成本等，還需要分析車頭限界及曲線通過(guò)能力等。從國(guó)內(nèi)外高速動(dòng)車組的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，司機(jī)室外殼材質(zhì)主要分為鋁合金和復(fù)合材料2種。不同的材質(zhì)會(huì)影響工業(yè)造型模塊分割、工藝實(shí)現(xiàn)方法及制造成本等。復(fù)合材料外殼設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮模具開發(fā)、與鋁車體的連接方式、抗沖擊能力、分縫對(duì)車頭造型的影響等，造型越復(fù)雜，分縫位置越不好確定，模型成本越高，與車體的連接方式也會(huì)影響其抗沖擊能力。擋風(fēng)玻璃需考慮是單曲面還是雙曲面，加熱方式是電阻絲加熱還是鍍膜加熱，這都涉及生產(chǎn)成本和可靠性，因此需按照UIC 651：2002或者TB/T 1451-2017《機(jī)車、動(dòng)車組前窗玻璃》的要求進(jìn)行射彈試驗(yàn)。圖4為某高速動(dòng)車組頭型復(fù)合材料外殼示意圖，圖5為單曲面夾層電阻絲加熱玻璃示意圖。

2.2.5 仿真分析及試驗(yàn)

高速動(dòng)車組頭型設(shè)計(jì)方案確認(rèn)需要經(jīng)過(guò)以下階段：①頭型工業(yè)設(shè)計(jì)階段，根據(jù)技術(shù)要求設(shè)計(jì)出多種造型方案;②分析及試驗(yàn)階段，頭型工業(yè)設(shè)計(jì)方案需要經(jīng)過(guò)多次反復(fù)的空氣動(dòng)力學(xué)性能分析及試驗(yàn)優(yōu)化;③結(jié)合模型及實(shí)車試制定型。圖6為某高速動(dòng)車組仿真分析及試驗(yàn)過(guò)程圖。仿真分析具有計(jì)算周期短、研發(fā)費(fèi)用低等優(yōu)勢(shì)，是高速列車造型概念設(shè)計(jì)方案初步評(píng)估的主要方法。風(fēng)洞模型試驗(yàn)及動(dòng)模型試驗(yàn)是對(duì)列車造型及空氣流動(dòng)進(jìn)行測(cè)試必不可少的手段，所得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可為改善列車氣動(dòng)性能提供重要依據(jù)。在線實(shí)車試驗(yàn)可反映列車周圍的真實(shí)空氣流動(dòng)情況，雖耗時(shí)耗力，存在一定的技術(shù)難點(diǎn)，但它是列車試運(yùn)營(yíng)前校正模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)、獲取實(shí)際數(shù)據(jù)的重要過(guò)程。

2.2.6 施工設(shè)計(jì)、樣車制造及再優(yōu)化

在列車頭型方案確定后進(jìn)行施工設(shè)計(jì)。列車頭型施工設(shè)計(jì)涉及車頭結(jié)構(gòu)、整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、材料性能、制造與加工工藝、質(zhì)量要求及成本控制等多個(gè)方面，這不僅要實(shí)現(xiàn)流線化的造型，滿足氣動(dòng)性能的要求，做到便于車體結(jié)構(gòu)承載傳力，還要考慮與其他部件的協(xié)調(diào)及減小自身質(zhì)量等。整個(gè)施工過(guò)程是包括結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)、工藝方案設(shè)計(jì)、模型車制造、樣車制造及再優(yōu)化設(shè)計(jì)的復(fù)雜系統(tǒng)工程。

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)以往高速動(dòng)車組的設(shè)計(jì)、分析及試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，本文給出了不同速度等級(jí)下高速動(dòng)車組車頭的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度區(qū)間及3輛車編組的氣動(dòng)系數(shù)，并從工業(yè)造型設(shè)計(jì)、空氣動(dòng)力學(xué)仿真分析、模型試驗(yàn)等方面闡述了動(dòng)車組車頭的設(shè)計(jì)方法及過(guò)程，真正體現(xiàn)了高速動(dòng)車組頭型設(shè)計(jì)的選型技術(shù)。開發(fā)不同速度等級(jí)的系列化頭型，使其具有良好的空氣動(dòng)力學(xué)性能，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)的模塊化及再優(yōu)化設(shè)計(jì)是高速動(dòng)車組研發(fā)的重中之重。

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收稿日期 2020-01-15

責(zé)任編輯 黨選麗