“高顏值”高鐵車頭里的艱難創(chuàng)新事

彭冰

用技術(shù)與多種外力“斗法”

“車頭不僅是高鐵的‘臉面’，更是高速動(dòng)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(duì)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(jì)師看來，一個(gè)出色的“頭型”，首先必須具備優(yōu)異的空氣動(dòng)力學(xué)性能。

原來，疾馳中的高鐵會(huì)同時(shí)受到周圍空氣多種力的作用，比如空氣阻力、氣流升力、會(huì)車時(shí)的交會(huì)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(yùn)行的“天敵”。

其中，空氣阻力可謂“頭號(hào)勁敵”。就像我們在5級(jí)大風(fēng)中逆風(fēng)而行會(huì)感覺寸步難行，高鐵速度越快，空氣阻力越大。根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理，車頭的長細(xì)比越大，阻力系數(shù)越小。加大車頭的長細(xì)比，還可減少列車會(huì)車時(shí)的交會(huì)壓力波和通過隧道時(shí)的隧道壓力波。

大家坐火車都有過這種體驗(yàn)：當(dāng)對面列車疾馳而過時(shí)，伴隨一聲呼嘯，車身會(huì)瞬間發(fā)生橫向晃動(dòng)，這就是因?yàn)橄鄬\(yùn)動(dòng)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(dòng)。列車過隧道時(shí)，也會(huì)引起隧道內(nèi)空氣壓力急劇波動(dòng)，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(yùn)動(dòng)等可怕后果。

“比如，我們研發(fā)的復(fù)興號(hào)CR400BF，其‘頭型’就比和諧號(hào)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?！痹S鵬說，復(fù)興號(hào)的車廂更高更寬。不過，雖然“身材”較和諧號(hào)高大，但其運(yùn)行阻力反而降低了12%。這背后，低阻力流線型車頭功不可沒。

再來說說升力這一宿敵。當(dāng)列車高速運(yùn)行時(shí)，氣流會(huì)帶來向上的抬升力，讓車發(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(qiáng)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(hào)的圓潤鼓溜，看起來靈動(dòng)可愛，俗稱“小海豹”；復(fù)興號(hào)CR400BF的輕盈細(xì)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(jì)制造極富挑戰(zhàn)性，一個(gè)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(gè)，再根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)進(jìn)行計(jì)算與評(píng)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(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，根據(jù)風(fēng)阻、風(fēng)動(dòng)噪聲等測試結(jié)果，對獲勝‘頭型’用三維模擬軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)?！痹S鵬說。

更艱巨的工作還在后面。美工可以“唯美”，藝術(shù)設(shè)計(jì)可以天馬行空，工藝卻要考慮能否實(shí)現(xiàn)，即如何把技術(shù)與藝術(shù)完美融合到車頭上。時(shí)速350公里的標(biāo)動(dòng)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(shí)難度其實(shí)非常大，因?yàn)楦哞F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。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(píng)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(gè)難題?！痹O(shè)計(jì)工藝師肖宇說。

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(hào)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(shí)，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(jìn)行了優(yōu)化，以減少焊接變形，消除焊接殘余應(yīng)力。”