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又潮又酷的高鐵“頭型”怎樣煉成?設計者揭祕

1月5日,超長版時速350公里“復興號”G9次動車組駛入北京南站。新華社發(陳曉根 攝)

逾3200個動車標準組震撼集結,賓士在神州大地——2019年春運,高鐵動車佔鐵路開行旅客列車的比例超過七成。在天南海北的站臺上、五湖四海的路網間,一個個如待發之箭、似子彈出膛的高鐵車頭引人矚目,讓歸鄉的人油然生髮出“科技改變生活”的感慨。

那麼,這些“驚豔了時光”、又潮又酷的高鐵車頭是怎樣誕生的?其背後都蘊含著哪些科技含量?在中車長春軌道客車股份有限公司,有關設計人員與製造者為記者講述了高鐵車頭裡的創新事。

用技術與多種力“鬥法”

“車頭不僅是高鐵的‘臉面’,更是高速動車組的關鍵核心技術之一。”作為車體研發部端部開發室主任,今年37歲的許鵬,已率隊為中國高鐵打造過許多種靚麗“頭型”。在這位身經百戰的車頭設計師看來,一個出色的“頭型”,首先必須具備優異的空氣動力學效能。

原來,疾馳中的高鐵會同時受到周圍空氣多種力的作用,比如空氣阻力、氣流升力、會車時的交會壓力波、側風帶來的側向力等等,都是阻礙列車安全平穩高速執行的“天敵”。

其中,空氣阻力可謂“頭號勁敵”。就像我們在5級大風中逆風而行會感覺寸步難行,高鐵速度越快,空氣阻力越大。根據空氣動力學原理,車頭的長細比越大,阻力系數越小。

加大車頭的長細比,還可減少列車會車時的交會壓力波和通過隧道時的隧道壓力波。

大家坐火車都有過這種體驗:當對面列車疾馳而過時,伴隨一聲呼嘯,車身會瞬間發生橫向晃動,這就是因為相對運動的車頭擠壓空氣,使車側壁上的空氣壓力產生了很大波動。列車過隧道時,也會引起隧道內空氣壓力急劇波動,形成一定衝擊力。驟然的壓力變化,可造成車體側窗破碎、車輛蛇形運動等可怕後果。

“比如,我們研發的復興號CR400BF,其‘頭型’就比和諧號長2米左右,車頭總長度接近10米,整體形態更加流線,列車因此‘飛’得更快、更穩、更節能。”許鵬說,復興號的車廂更高更寬。不過,雖然“身材”較和諧號高大,但其執行阻力反而降低了12%。這背後,低阻力流線車頭功不可沒。

再來說說升力這一宿敵。當列車高速執行時,氣流會帶來向上的抬升力,讓車頭髮飄甚至脫軌,為與升力鬥法,許鵬介紹,他們在高鐵車頭的兩側設定有導流槽,通過鼻錐到導流槽的引流形式,引導氣流產生向下的壓力,如同一雙強有力的“手”,牢牢抓住軌道,保障列車貼地飛行。

1月5日,G9次超長版“復興號”動車組列車駛入南京南站。新華社發(蘇陽 攝)

獲取“高顏值”路上的艱難跋涉

每一種高鐵車型,都有自己的專屬“頭型”,以中車長客產品為例,和諧號的圓潤鼓溜,看起來靈動可愛,俗稱“小海豹”;復興號CR400BF的輕盈細長,車燈如鳳眼,腰線似鳳羽,名為“金鳳凰”;而正抓緊生產的京張高鐵“瑞雪迎春”,其“頭型”靈感則源於敏捷有力的“鳥中之王”,喚作“雛鷹”……

內裡高技術+外表高顏值,可以說,高鐵車頭的設計製造極富挑戰性,一個能得高分的“頭型”,必定要經過千挑百選、千錘百煉。

“CR400BF的‘頭型’,就是從近百張美工效果圖中篩選出來的。我們先從中選出了幾十個,再根據空氣動力學進行計算與評審,展開第二輪甄選,然後將勝出的做成若干1:8的3D模型進行風洞試驗,根據風阻、風動噪聲等測試結果,對獲勝‘頭型’用三維模擬軟體進行優化設計。”許鵬說。

更艱鉅的工作還在後面。美工可以“唯美”,藝術設計可以天馬行空,工藝卻要考慮能否實現,即如何把技術與藝術完美融合到車頭上。

時速350公里的標動CR400BF有兩條比較尖銳的稜線貫穿車肩,使車頭凸現一種硬朗的稜角美,並更具科技感。但這一藝術之美的落實難度其實非常大,因為高鐵鋁板材的折角銳度如果不夠大,稜線在長長的車頭上就幾乎看不出來。

“板材折彎半徑越小,折出的線越尖銳。開始我們使用冷衝壓工藝,但冷衝壓的最小折彎半徑是鋁板材的1.5倍厚,稜線整體效果在車頭上看起來像一小道圓弧,不尖銳。我們廣泛研究各行各業的新技術,經過反覆尋找、多次評審,最後採用了在航空航天領域廣泛應用但在軌道交通裝備業鮮有應用的鋁合金超塑成型工藝,才攻克這個難題。”設計工藝師肖宇說。

為“金鳳凰”安裝車燈,也難度重重。以前“小海豹”的車燈放在車鼻前端開閉結構上,這個結構為複合材料結構,外形可塑性比較強,但“金鳳凰”細長的“單鳳眼”卻需要安裝在車頭鋁結構上,而鋁結構是焊接成型的,焊接過程中鋁合金變形比較大。如何嚴絲合縫地把塑料車燈和鋁結構裝配到一起去?面對這一挑戰,工作人員一方面通過合理設計燈倉結構,想辦法把焊接帶來的尺寸變形“吃掉”;一方面儘量優化燈倉內零件個數,以減少焊接量,避免過多焊縫帶來的收縮變形,終於完美解決問題。

“扒一扒”那些看不見的祕密

動車一列標準組有兩個車頭,一個在前,一個在後,列車調頭時,車尾變車頭即可。春運期間,很多人會發現,不少繁忙線路上的高鐵變成了4個車頭,中間兩個車頭的鼻尖緊緊相抵。這是鐵路為增加運力,將兩個標準組進行了重聯,使8節編組的列車“升級”成了16節編組列車。

重聯的祕密,就在車鼻頭的蓋板下。這個蓋板平時處於關閉狀態,需要重聯時,蓋板就會自動開啟露出裡面的車鉤系統,連掛和分解均無須人工操作。

其實,“金鳳凰”鼻頭蓋板下,還隱藏著中國標動的另一項自主創新——與和諧號不同,復興號的鼻頭蓋板下增加了一個吸能裝置和一個防爬裝置,前者可吸收撞車的能量,後者可防止爬車事故的出現,從而進一步提升車輛的安全性。

“這可不是件簡單的事。以前的並無安放新裝置的空間,因此,必須改變車頭整個結構。光車頭外部的鋁車體結構,我們就畫了近400張圖紙。”許鵬說。

高鐵車頭製造過程中,還有很多大家看不見的祕密。比如,復興號車頭更長,但鋁合金的熱膨脹係數是碳鋼的兩倍,越長的焊接,變形越大,車頭加長後,焊接中就出現了各種複雜變形。

怎麼消滅這隻攔路虎?肖宇告訴記者:“我們根據變形趨勢,在工裝上增加反變形量,讓它往反方向變形,同時,改變焊接方式,減少焊接的熱輸入量,比如長大焊縫採用分段退焊的方法等。此外,我們還對焊縫佈局及焊接順序進行了優化,以減少焊接變形,消除焊接殘餘應力。”(記者 彭冰)

Reference:大中國

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