德國、日本磁懸浮列車造型設計分析

張瑞佛　李芳宇

摘要：文章簡要分析了日本和德國磁懸浮列車的設計發(fā)展概況；并基于德國TR系列磁懸浮列車和日本磁懸JRN公司系列磁懸浮列車分析了造型變化。通過對比分析兩國磁懸浮列車歷史造型設計，探究了影響列車造型變化的因素：速度因素、環(huán)境因素和美學因素。最后基于這些因素為我國磁懸浮列車系統(tǒng)設計提供有益參考。

關鍵詞：德國 日本 磁懸浮列車 造型設計分析

中圖分類號：TB47 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2018）01-0134-02

引言

中國自引進高速列車技術以來，通過不斷的學習和自我發(fā)展，實現(xiàn)了高速列車知識產權完全的國產化。不僅如此，高速軌道交通系統(tǒng)的工業(yè)設計體系也因此得到了完善。隨著高速運輸技術的進一步發(fā)展，我國正在推動科技體制改革創(chuàng)新，新一批的先進軌道交通重點項目也包含“磁懸浮交通系統(tǒng)關鍵技術”。磁懸浮運輸系統(tǒng)作為一種更快速、先進的運輸工具，對中國現(xiàn)有軌道交通系統(tǒng)有重要的補充價值。造型設計作為磁懸浮運輸系統(tǒng)設計的一部分，是實現(xiàn)磁懸浮交通系統(tǒng)技術整體飛躍必不可缺的條件。因此，分析已有磁懸浮列車造型設計，可為未來磁懸浮列車造型設計提供參考；另一方面則是探索磁懸浮列車造型設計理論，豐富軌道運輸車輛造型理論體系。

一、磁懸浮列車的發(fā)展分析

現(xiàn)有的磁懸浮列車從懸浮技術上主要可以分為電磁懸浮（EMS）和電動懸?。‥DS）兩種方式。電磁懸浮的主要原理（如圖1）是在兩側轉向架安裝電磁線圈，使之與位于電磁線圈上方的軌道相互吸引，從而使電磁吸力與機車重力相平衡，讓車體與軌道間產生間隙。該間隙被穩(wěn)定在某個數(shù)值上，這個數(shù)值通常為8-12mm。電動懸浮的主要原理（如圖2）則是在車底部安裝超導電磁線圈。線圈通電后，車輛通過裝在軌道上的無源線圈或非磁性金屬板時，將使產生感應電流，該電流的磁場與超導電磁鐵的磁場相互作用產生排斥力，從而浮起車體，產生100-150mm的離地間隙。

電磁懸浮試驗比電動懸浮試驗早誕生30余年，但是兩種懸浮方式各有優(yōu)劣。電磁懸浮式列車車身內外磁場更弱，而且不需要輔助推進系統(tǒng)和導輪；但是列車和軌道之間相對狀態(tài)不穩(wěn)定，難于控制；電動懸浮式列車具有更高的負載能力，理論速度更高，但是需要更高的價格成本和維護成本，技術難度也更大。兩種方式都能達到很高的運行速度，按照速度等級分類，超過300KM/H的即為高速磁懸浮列車。因此，兩種方式都滿足發(fā)展高速磁懸浮交通運輸?shù)男枰Ｄ壳?，德國的電磁懸浮技術較為先進，代表車型為Transrapid（TR）；日本則有較豐富的電動懸浮技術累積，代表車型為JNR公司的磁懸浮各型列車。德國電磁懸浮列車技術和日本的電動懸浮列車技術具有較豐富的技術累積和設計實踐，被認為最具有實用價值和發(fā)展前途。兩種列車的實驗和設計實踐也證明，兩型磁懸浮列車具備城市間高速運輸?shù)哪芰?；因此，文章選擇這兩型車為分析對象。

二、德國磁懸浮列車的造型發(fā)展分析

整個TR系列磁懸浮列車使用電磁懸浮技術，由于受到技術形式限制，該系列車體采用“跨坐式”車體設計。從該系列車車型從TR01到TR05的早期試驗型號都在追求更高的技術層次，因此對造型設計沒有過多投入。早期的試驗車為了驗證技術，采用普通的技術將工作部分進行密封盒包裹。同時，由于速度的限制，早期試驗車車身較為粗糙，采用了楔型的頭部設計。此外，列車色彩和涂裝只是滿足了簡單的使用要求。整體而言，TR07型車之前的型號沒有統(tǒng)一的視覺符號，設計整體性不強。

整體造型而言，TR系列磁懸浮列車從07型車開始一直采用扁寬型車頭設計，車頭和前臉的造型設計成為了該型車固定的視覺特征。不僅如此，車身線條隨著速度的提升和技術的進步變得越來越流暢。列車的細節(jié)部分也更加豐富，車身形面的過渡更加自然和圓滑，車身氣密性也更強，具有更好的整體性。涂裝也使用了彩色方案，不再單調（如表1）。2002年正式投入使用的上海磁懸浮專線由于引進德國技術，使用車身為德國制造，因此其造型基本沿襲了TR系列的典型造型特征。

三、日本磁懸浮列車的造型發(fā)展分析

日本從上個世紀60年代開始了磁懸浮列車的研究，并于1970年開始針對本國國情重點研制電動懸浮式列車。日本磁懸浮列車主要由JNR公司研發(fā)，型號也在不斷發(fā)展。上個世紀70年代日本宮崎首條超導磁懸浮試驗線全線竣工。到2015年4月21日，日本東海鐵路公司宣布L0系高速磁懸浮列車在山梨磁懸浮實驗鐵路載人行駛時創(chuàng)下時603公里的時速紀錄。由于技術的進步和提升，JNR各型磁懸浮列車在造型設計上也經歷了一系列的變化和發(fā)展（如表2）。

早期的ML-001試驗車速度較慢，因此車身更高，車頭呈橢球型。隨著速度的不斷提高，其整體設計逐漸變得更扁更長，但是沒有固定的設計樣式，也沒有固定的視覺特征。從MLX-001開始的車頭造型為了適應更高的運行速度，采用了更為細長的頭型設計來提升空氣動力學性能和安全性。為了保證安全性和突破更高速度，MLX-002到LO型車車身也變得更狹長和低矮；列車車身減少了一些突出部分，提高了整體性設計，一方面具有更好的觀賞效果，一方面滿足更高速度下的安全需求。隨著速度的提高，涂裝設計為了突出列車飛快的運行速度，使用了延伸至整個車身的狹長線條形涂裝，而早期的車型并沒有這樣的設計。

四、德國、日本磁懸浮列車造型設計的影響因素

作為服務于人的交通工具，軌道列車的發(fā)展不僅印證著人類技術的進步，也逐漸顯現(xiàn)出對人的審美和乘坐舒適度的重視。軌道列車造型設計不僅要考慮相關標準、車體結構及尺寸、氣動外形等技術要素，還要考慮美學、文化、人因等要素。因此，磁懸浮列車造型設計不僅要從技術角度量化，還要分析其設計中的美學元素、人文關懷，甚至區(qū)域特色等影響因素。通過對德國、日本磁懸浮列車設計發(fā)展的分析，文章概括出列車造型主要的三種影響因素：速度因素、環(huán)境因素和美學因素。

（一）速度因素

田紅旗等人的研究表明，高速列車造型設計受到空氣動力學的影響。由于不同速度對車身的空氣動力學性能有著不同要求，列車造型設計也反映著速度的快慢。目前，高速列車的頭部造型主要有扁寬形、橢球形、梭形和鈍體頭形4種；車身長度與橫截面比例越大，承受的空氣阻力越小。頭部長度一定的情況下，扁寬形車頭空氣阻力較小，橢球形車頭阻力較大，這也是日本磁懸浮列車采用扁寬型車頭的原因。劉國偉等提出了四種適合地面車輛運行的頭型（如圖3），其中形狀4的阻力系數(shù)最小。TR06車型采用了形狀2的設計，TR07型為了適應更高速度采用了形狀4的設計，并在之后的系列車型中一直延用。日本磁懸浮列車在MLX型之前采用橢球型設計隨著速度提高逐漸改用扁寬型的設計主要是因為扁寬型頭型具有更小的空阻，運行更安全可靠。

（二）環(huán)境因素

在高速列車的研究中，田紅旗曾提出影響列車空氣動力性能的車身截面參數(shù)（如圖4）。其中，車頂截面倒角半徑為R1和R2，R3為車身圓弧半徑，R4為車底倒角半徑；α、β分別為車身圓弧切面與豎直面夾角；車身高為H、車寬為W。其中參數(shù)W直接和列車運行的穩(wěn)定性相關，當橫截面積一定時，W值越大的車身運行穩(wěn)定性越高。在無法改變W值的情況下，可以通過其他方式提高運行穩(wěn)定性。由于日本磁懸浮列車運行段側風多，路面建設范圍有限，為了提升車輛運行的穩(wěn)定性，日本磁懸浮列車減小H值，增大W值以提高其空氣性能。此外，由于MLX系列磁懸浮車在U型槽中運行，涂裝位置較高以防止車身涂裝線被遮擋，而TR系列屬于“跨坐式”安裝在軌道上，車身涂裝設計容易觀察，限制更小。

（三）美學因素

在徐伯初的研究中，高速列車的美學特征被概括為三個方面：形式美、技術美和象征意義。為了營造形式美，列車造型設計尤其要注意形式的均衡和穩(wěn)定，為乘客營造穩(wěn)定和安全的心理暗示，讓乘客產生安全信賴感。德國TR系列車體設計將視覺重心下降，給人穩(wěn)定、規(guī)則堅固和高速感。同樣的設計也表現(xiàn)在日本磁懸浮列車設計中，MLX系列之后的磁懸浮列車設計也降低視覺中心，在高速運行的同時給人穩(wěn)定感。此外，車身涂裝線條和特征線也為狹長的流線狀，前細后寬的變化營造出向前運動的動勢。由于磁懸浮列車的速度快，梁習峰認為高速列車的設計最好采用流線型，同時避免表面突出，完善氣密性。光滑的車身反射出現(xiàn)代制造技術的提升，具有后現(xiàn)代之美，也透露出現(xiàn)代技術的特有美感。同時，車身涂裝和造型也具有象征意義，將文化元素融合其中，充分考慮了本國的文化因素。TR08系列磁懸浮列車的涂裝設計采用的是紅黑涂裝，顏色參考德國國旗，具有德國國家的象征，能提升國民科學技術自豪感。

結語

近年來，中國磁懸浮運輸技術研究取得了飛躍式的進步和顯著的成果。這為未來建設立體化、多樣化的交通出行方式打下了堅實的基礎，同時也對磁懸浮列車的設計提出了更高要求。德國磁懸浮和日本磁懸浮列車的造型設計有著較為豐富的經驗，對我國磁懸浮列車造型設計有一定的參考價值，文章通過分析、參考這些造型設計，得到了影響設計的要素。注重這些要素對設計實踐的影響，或將影響中國未來磁懸浮列車造型設計積極發(fā)展。