又潮又酷的高鐵車頭 背后蘊含著哪些科技含量?
2019-02-25 來源：工人日報
逾3200個動車標(biāo)準(zhǔn)組震撼集結(jié)，奔馳在神州大地——2019年春運，高鐵動車占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(wǎng)間，一個個如待發(fā)之箭、似子彈出膛的高鐵車頭引人矚目，讓歸鄉(xiāng)的人油然生發(fā)出“科技改變生活”的感慨。
那么，這些“驚艷了時光”、又潮又酷的高鐵車頭是怎樣誕生的？其背后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(guān)設(shè)計人員與制造者為記者講述了高鐵車頭里的創(chuàng)新事。
用技術(shù)與多種力“斗法”
“車頭不僅是高鐵的‘臉面’，更是高速動車組的關(guān)鍵核心技術(shù)之一。”作為車體研發(fā)部端部開發(fā)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(jīng)百戰(zhàn)的車頭設(shè)計師看來，一個出色的“頭型”，首先必須具備優(yōu)異的空氣動力學(xué)性能。
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(cè)風(fēng)帶來的側(cè)向力等等，都是阻礙列車安全平穩(wěn)高速運行的“天敵”。
其中，空氣阻力可謂“頭號勁敵”。就像我們在5級大風(fēng)中逆風(fēng)而行會感覺寸步難行，高鐵速度越快，空氣阻力越大。根據(jù)空氣動力學(xué)原理，車頭的長細比越大，阻力系數(shù)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(dāng)對面列車疾馳而過時，伴隨一聲呼嘯，車身會瞬間發(fā)生橫向晃動，這就是因為相對運動的車頭擠壓空氣，使車側(cè)壁上的空氣壓力產(chǎn)生了很大波動。列車過隧道時，也會引起隧道內(nèi)空氣壓力急劇波動，形成一定沖擊力。驟然的壓力變化，可造成車體側(cè)窗破碎、車輛蛇形運動等可怕后果。
“比如，我們研發(fā)的復(fù)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(tài)更加流線，列車因此‘飛’得更快、更穩(wěn)、更節(jié)能。”許鵬說，復(fù)興號的車廂更高更寬。不過，雖然“身材”較和諧號高大，但其運行阻力反而降低了12%。這背后，低阻力流線車頭功不可沒。
再來說說升力這一宿敵。當(dāng)列車高速運行時，氣流會帶來向上的抬升力，讓車頭發(fā)飄甚至脫軌，為與升力斗法，許鵬介紹，他們在高鐵車頭的兩側(cè)設(shè)置有導(dǎo)流槽，通過鼻錐到導(dǎo)流槽的引流形式，引導(dǎo)氣流產(chǎn)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。
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(chǎn)品為例，和諧號的圓潤鼓溜，看起來靈動可愛，俗稱“小海豹”；復(fù)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(chǎn)的京張高鐵“瑞雪迎春”，其“頭型”靈感則源于敏捷有力的“鳥中之王”，喚作“雛鷹”……
內(nèi)里高技術(shù)+外表高顏值，可以說，高鐵車頭的設(shè)計制造極富挑戰(zhàn)性，一個能得高分的“頭型”，必定要經(jīng)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(jù)空氣動力學(xué)進行計算與評審，展開第二輪甄選，然后將勝出的做成若干1:8的3D模型進行風(fēng)洞試驗，根據(jù)風(fēng)阻、風(fēng)動噪聲等測試結(jié)果，對獲勝‘頭型’用三維模擬軟件進行優(yōu)化設(shè)計。”許鵬說。
更艱巨的工作還在后面。美工可以“唯美”，藝術(shù)設(shè)計可以天馬行空，工藝卻要考慮能否實現(xiàn)，即如何把技術(shù)與藝術(shù)完美融合到車頭上。
時速350公里的標(biāo)動CR400BF有兩條比較尖銳的棱線貫穿車肩，使車頭凸現(xiàn)一種硬朗的棱角美，并更具科技感。但這一藝術(shù)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，棱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。開始我們使用冷沖壓工藝，但冷沖壓的最小折彎半徑是鋁板材的1.5倍厚，棱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(yè)的新技術(shù)，經(jīng)過反復(fù)尋找、多次評審，最后采用了在航空航天領(lǐng)域廣泛應(yīng)用但在軌道交通裝備業(yè)鮮有應(yīng)用的鋁合金超塑成型工藝，才攻克這個難題。”設(shè)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(jié)構(gòu)上，這個結(jié)構(gòu)為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)上，而鋁結(jié)構(gòu)是焊接成型的，焊接過程中鋁合金變形比較大。如何嚴(yán)絲合縫地把塑料車燈和鋁結(jié)構(gòu)裝配到一起去？面對這一挑戰(zhàn)，工作人員一方面通過合理設(shè)計燈倉結(jié)構(gòu)，想辦法把焊接帶來的尺寸變形“吃掉”；一方面盡量優(yōu)化燈倉內(nèi)零件個數(shù)，以減少焊接量，避免過多焊縫帶來的收縮變形，終于完美解決問題。
“扒一扒”那些看不見的秘密
動車一列標(biāo)準(zhǔn)組有兩個車頭，一個在前，一個在后，列車調(diào)頭時，車尾變車頭即可。春運期間，很多人會發(fā)現(xiàn)，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(biāo)準(zhǔn)組進行了重聯(lián)，使8節(jié)編組的列車“升級”成了16節(jié)編組列車。
重聯(lián)的秘密，就在車鼻頭的蓋板下。這個蓋板平時處于關(guān)閉狀態(tài)，需要重聯(lián)時，蓋板就會自動打開露出里面的車鉤系統(tǒng)，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(biāo)動的另一項自主創(chuàng)新——與和諧號不同，復(fù)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，后者可防止爬車事故的出現(xiàn)，從而進一步提升車輛的安全性。
“這可不是件簡單的事。以前的并無安放新裝置的空間，因此，必須改變車頭整個結(jié)構(gòu)。光車頭外部的鋁車體結(jié)構(gòu)，我們就畫了近400張圖紙。”許鵬說。
高鐵車頭制造過程中，還有很多大家看不見的秘密。比如，復(fù)興號車頭更長，但鋁合金的熱膨脹系數(shù)是碳鋼的兩倍，越長的焊接，變形越大，車頭加長后，焊接中就出現(xiàn)了各種復(fù)雜變形。
怎么消滅這只攔路虎？肖宇告訴記者：“我們根據(jù)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，比如長大焊縫采用分段退焊的方法等。此外，我們還對焊縫布局及焊接順序進行了優(yōu)化，以減少焊接變形，消除焊接殘余應(yīng)力。”
