基于CRH6型列車研制對高速列車外形設計的研究

王添旗

（中國南車集團 南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 動車設計部，江蘇南京210031）

目前世界各國高速鐵路的發(fā)展，高速列車外形設計是各車型設計的一種關鍵技術。列車外形設計，整個設計過程復雜特殊，要反復試驗驗證。設計師要具備美學藝術造型的才能、空氣動力學知識、結構設計知識以及人機工程學等知識。高速列車外形設計，不但對設計師的造型能力、創(chuàng)新能力要求相當高；而且要滿足工程技術方面的要求，考慮的綜合因素十分復雜，外形結構造型難度大，是列車車型結構設計的一種關鍵技術。

本文基于CRH6型城際動車組列車外形設計的整個過程，又分別從列車外形與空氣動力學性能的關系、車頭造型、車頭內部結構設計與外形曲面結構設計的關系、高速列車頭部外形結構與安全性、人機工程等工程技術方面進行分析，對高速列車外形設計有很高的參考價值。

1 高速列車頭部外形與空氣動力學性能的關系

列車運行速度越高，其受空氣阻力的影響就越大，將產生許多影響列車運行的空氣動力學現(xiàn)象。其中最為明顯的是氣動阻力加大和列車交會時壓力波加劇，而列車頭部外形對列車的氣動性能起決定作用。

1.1 空氣—列車的流固關系

空氣—列車的流固關系是高速列車外形設計必須考慮的重要性能指標之一［1］。從空氣—列車流固耦合動力學方面講，外形設計應遵循如下一般原則：①降低列車阻力、列車升力盡可能接近零，減小橫向力和降低氣動噪聲；②合理的壓力分布；③過隧道有較小的壓力波動，列車有較小的振動；④減小列車風，降低對線路附近人和物的影響，以及由列車風引起的環(huán)境問題；⑤減小列車會車時的流固耦合沖擊波。

1.2 頭部結構的主要控制尺寸與空氣動力學性能

據(jù)研究表明，采用合理的流線化外型設計后的頭車，其會車壓力波、空氣阻力及氣動噪聲也都比常規(guī)頭車小，因而高速動車頭車采用合理的流線化外形設計能保證列車有良好的氣動性能。為了評估不同車頭部外形的氣動性能，定義了表示其形狀特征的“細長比λ”［2］。目前通常采用長度法定義，即：

式中λL為用長度法定義的細長比；L為車頭流線化部分長度；S為車身橫截面積。

大量的風洞試驗證明，對于不同的車型，頭部細長比越大整車阻力越小，同時列車交會壓力波也越小。然而，從氣動性能來說，在車頭流線形長度相同的情況下，氣動阻力和列車交會壓力波對外形的要求是矛盾的，所以設計車頭具體的外形尺寸參數(shù)時必須兼顧兩者之間的關系。通常，車頭結構的流線化特征主要由以下幾方面尺寸控制來描述：

（1）動車頭部外形輪廓線設計

車頭外形輪廓線設計參照文獻［2］，本文不重復描述。

（2）鼻錐設計

從空氣動力學角度考慮，當整個頭部為扁梭形時，迎面氣流大部分流向列車頂部，而流向兩側的氣流較少，這樣可以減輕交會壓力波產生的不利影響。因此，設計鼻錐時應在水平面采用較大的曲率半徑，使其寬度較寬；在縱剖面內的型線應按縱向對稱面上的型線形狀沿水平方向緩慢變化，使其實現(xiàn)了扁梭形的外形。

（3）車頭頂部設計 車頭車頂圓弧應合理取值，要有利于結構實現(xiàn)流線化，同時車頂拐角的三維曲面，會給加工造成一定的困難，選取時要充分考慮。

1.3 列車頭部造型與空氣動力學性能

高速列車的空氣動力學性能很大程度是由車頭形狀決定的，適當?shù)卦O計車頭，能極大地改善列車的阻力、升力、橫向力、會車壓力波以及隧道通過性。

經研究發(fā)現(xiàn)基本氣動性能：列車尖鼻頭的車型在氣動性能方面比寬鼻頭的車型要優(yōu)越。單拱車型性能要略勝于雙拱車型的性能 。橫風氣動性能：流線型長度的增加可以改善列車在橫風下的氣動性能；尖鼻頭的車型要優(yōu)于寬鼻頭車型。會車氣動性能：寬扁型頭部列車會車時壓力波較小［1］。

由上述分析可以得出車頭造型是改善列車氣動性能最主要的決定性因素。列車外形設計，考慮的綜合因素十分復雜，并且外形表面必須是高級曲面，保證列車表面的平順，所以車頭造型難度大，是比較復雜的設計。設計者要有極高的審美能力和造型能力，才能設計出符合要求美觀大方的列車頭型。

1.4 CRH 6型動車組列車外形與空氣動力學分析

根據(jù)上述高速列車外形與空氣動力學性能關系分析，根據(jù)列車運營要求，確定出列車頭型的細長比，CRH6型城際動車組車頭外形的細長比λL約為1.2 6L取4 000 mmS＝BH B取3 300 mmH取3 860 mm），圖1所示CRH6型動車組車頭外形尺寸圖。再在細長比的基礎上進行外形輪廓設計，使得CRH6型城際動車組整車為雙拱流線型外形，采用較大的細長比，使整車阻力小，同時列車交會壓力波也小。鼻錐在縱剖面內的型線按縱向對稱面上的型線形狀沿水平方向流線變化，使其整體為尖梭形的流線型外形，這樣迎面氣流大部分流向列車頂部，而流向兩側的氣流較少，可以減輕交會壓力波產生的不利影響。接下來通過CRH6型城際動車組空氣動力學試驗來進一步驗證說明。

圖1 CRH6型動車組車頭外形尺寸圖

2 CRH 6型動車組外形空氣動力學試驗驗證

從頂層設計目標出發(fā)，滿足城際列車大載客量要求，頭型減短，增加客室空間，氣動性能需要合理配置，滿足200 km／h的運營要求。CRH6型動車組列車外形，設計了3個方案，如圖2所示，并對3種備選方案，進行仿真分析、風洞試驗，研究各個設計方案的氣動性能。

圖2 CRH6型動車組列車外形3種方案空氣動力學性能分析

空氣動力學規(guī)范規(guī)定：列車空氣阻力一般用阻力系數(shù)C X衡量［3］。在無環(huán)境風影響條件下，不同運行速度列車的C X值應不超過表1規(guī)定值。

阻力比較：試驗結果如圖3所示，①CRH6型車最高速度為220 km／h，3個方案空氣阻力都沒有超過空氣動力學規(guī)范規(guī)定。②頭型流線型長度對空氣阻力影響顯著。方案1的頭型長度達到4 m，長細比較其他方案較大，氣動阻力最優(yōu)。

表1 各種運行速度列車空氣阻力系數(shù)CX允許最大值

圖3 CRH6型動車組列車外形3種方案空氣阻力試驗結果

尾車升力比較：試驗結果方案1尾車升力較優(yōu)，如圖4所示。200 km／h運行速度，尾擺效應對軸重的影響較小。

圖4 CRH 6型動車組列車外形3種方案尾車升力比較

側力比較：試驗結果，頭車側向力遠大于中間車、尾車，側力評價以頭車為主。

方案1頭車和尾車側力較小，如圖5所示。

圖5 CRH6型動車組列車外形3種方案側力比較

交會壓力波：試驗結果如圖6所示，方案1明線交會壓力波小于±4 k Pa。方案1，200 km／h 50 m2隧道通過，80 m2隧道交會，160 km／h 42 m2隧道通過，76 m2隧道交會，交會壓力波均小于±4 k Pa。

圖6 CRH6型動車組列車外形3種方案交會壓力波比較

氣動噪聲：試驗結果如圖7所示，各方案，氣動噪聲A計權聲壓級均小于75 d B。方案1在各個速度級的氣動噪聲級均較低。

圖7 CRH6型城際動車組列車外形3種方案氣動噪聲比較

最后方案選擇：通過空氣動力學仿真分析，方案1：頭型長度為4 m，增加客室空間，滿足大載客量要求；鼻錐造型選擇扁寬型設計滿足設備安裝空間要求；前窗和側窗滿足司機視野需求，滿足UIC 561標準要求；滿足200 km／h城際車運營要求；氣動性能最優(yōu)，所以采用方案1為CRH6型城際動車組外形方案。

3 CRH6型城際動車組列車外形設計與內部結構設計的關系

車頭內部骨架的設計以車頭外形造型為基礎，按斷面形狀變化縱骨架形成環(huán)狀，與橫骨架叉焊組成，如圖8所示。外形造型設計的時候要兼顧到內部骨架以及氣動外形的分塊組焊。列車頭部前窗、側窗、開閉機構、排障器、車門等位置和形狀也直接影響車頭內部結構的設計。

圖8 以車頭外形結構為基礎的內部結構設計

4 CRH6型城際動車組頭部外形結構與安全性

設計高速列車外形時，只有全面考慮列車頭部所受到的各種載荷、認真分析可能出現(xiàn)的各種工況、對實際可能出現(xiàn)的情況準確的進行模擬才能保證其安全性［4］。同時，由于高速列車結構的輕量化要求，使車體結構強度的儲備裕度比常規(guī)頭車少，如何抵御沖擊、碰撞等強動載作用，因此，需要對頭部結構進行被動安全設計，以符合國際鐵路聯(lián)盟制定的UIC 651標準的要求［5］。

CRH6型城際動車組列車外形空氣動力學流線型頭部，有排障裝置，如圖9所示。這種空氣動力學流線型頭部，除了為列車正面部分定形和提供保護外，可保證列車駕駛員不受飛來之物的侵害（符合UIC651標準的要求），而且可為風擋玻璃、側窗和車外燈等部件提供保護支持。排障器可承受鐵道部技術規(guī)范中要求的137k N的靜載沖擊能力。排障器如圖10所示。

圖9 CRH6型城際動車組流線型頭部

圖10 CRH6型城際動車組排障器裝置

5 高速動車外形與駕駛安全性

5.1 CRH 6型城際動車組駕駛空間與作業(yè)安全

CRH6型城際動車組車外形尺寸大小要充分考慮駕駛員的駕駛空間，以及人機工程學方面的驗證。設計駕駛室的活動空間大小時，首先要滿足司機有合適的駕駛空間，太大會使駕駛員操作很費力，太小則會妨礙其安全駕駛。

根據(jù)UIC 651標準的要求，CRH6型城際動車組內部操作空間大小如圖11所示：駕駛室寬敞，在站立位置各點可以接近并且允許1 600 mm的凈空高度。在站立位置可接近的任何一點處，凈空高度不小1 850 mm。沿駕駛員就座時視線平面縱向測量，前窗內表面與處于駕駛員座椅后面的最近物體（墻、門、櫥等）之間，駕駛室有2 645 mm左右，大于1 500 mm的最小深度。從駕駛員眼睛到駕駛員座椅前部前窗的距離約為1 025 mm左右，在500 mm和1 160 mm之間，符合要求。駕駛室內的空氣量大于最小1×10 mm3符合要求。

5.2 CRH 6型城際動車組瞭望視野與作業(yè)安全

為了保證行車安全，應使駕駛員有良好的嘹望視野。因此，要進行人機工程分析需要用合理的方法來確定動車乘務員的嘹望視野，根據(jù)視野范圍有效的設計前窗、刮雨器等。

首先，根據(jù)UIC 651標準，當駕駛員以坐姿或站姿駕車時，他眼睛的位置以一個參照表面來描述，參照表面的中心位于駕駛臺縱向軸上。根據(jù)UIC 651標準，定義的駕駛姿勢，其參照表面的上限和下限是由所考慮的最矮和最高駕駛員實際的眼睛位置決定的。對于其他姿勢，其參照表面的極限值必須按UIC 651中給定的人體測量數(shù)據(jù)來確定。然后，根據(jù)相應的姿勢建立坐標系，繪出相應的眼橢圓樣板［6］（一般取95百分位眼橢圓）。關于眼橢圓的定位、眼橢圓中心的求法以及眼橢圓樣板，按照國際標準ISO4513－1978（C）規(guī)定執(zhí)行。

（1）前方靜態(tài)嘹望視野

前方嘹望視野必須滿足UIC 651的相關要求，保證駕駛員能看見前方10 000 mm及10 000 mm以外的高柱信號以及15 000 mm處的矮柱信號。圖12所示為CRH6型城際動車組駕駛室前方瞭望視野。A表示駕駛員坐姿時觀察15 000 mm處矮柱信號機的視野；B表示駕駛員站姿時觀察10 000 mm處高柱信號機的視野。

同時，動車駕駛員前方瞭望視野的大小以及前窗立柱形成的盲區(qū)，直接影響對行車信號的觀察和行車安全。為此，在進行動車司機室設計時應對前方瞭望視野及前窗立柱盲區(qū)進行校核［7］。

圖11 CRH6型城際動車組內部操作空間

圖12 CRH6型城際動車組列車前方瞭望視野

（2）動態(tài)前方視野

前面所述的前方視野是靜態(tài)條件下的視野。但實際上，只有車輛行駛時才有可能發(fā)生事故。因此，應對動態(tài)視野［6］作進一步的探討。為了擴大前方視野，前窗下緣應盡量低。但是前窗下緣如果過低，就會導致當列車以高速駕駛時使駕駛員產生恐慌和發(fā)暈的感覺，這是由于視角速度過大的緣故。視角速度公式如下：

式中ω為視角速度；h為視點高度；x為視線與地面的交點至視點中心的水平距離；v為車速。

從公式（2）可知，視點高度不變，車速越高則視角速度越大。同樣的行駛車速，前窗下緣過低造成x減小，因而視角速度大。經過試驗認為ω≤2 rad／s為舒適的駕駛視野范圍；2 rad／s＜ω＜4 rad／s為不舒適的駕駛視野范圍；ω≥4 rad／s為具有恐怖感的駕駛視野范圍［2］。

以高個駕駛員坐姿為例，CRH6型城際動車組的前方動態(tài)嘹望最大視角速度ωmax約為0.001 8 rad／s（x取19 000 mm，h取3 460 mm，v取200 km／h），ωmax≤2 rad／s，所以為舒適的駕駛視野范圍。

6 結束語

高速列車外形設計對設計師的知識和能力要求極高，不僅要懂美學、造型美觀、簡約、凝練、時尚等人文方面的知識；而且要懂列車外形與空氣動力學性能關系，列車頭型內部結構與外形結構的關系，列車被動安全防護結構道路排障要求，列車駕駛員駕駛空間的要求，以及人機工程等工程技術方面的要求。在做高速列車外形設計時，第1步要根據(jù)線路運營要求，確定出列車頭型的細長比，既流線型車頭長度和列車橫截面積；第2步根據(jù)列車的橫截斷面輪廓和流線型車頭長度確定的前提下，進行有效頭部外形輪廓設計來改善空氣動力學性能；第3步進行鼻錐和車頭頂部設計，確定頭型是扁梭形還是其他形狀，確定出有利于空氣動力學性能的頭型。第4步進行整個頭部造型的塑造，在這階段要確定出側窗、前窗、車燈、排障器、開閉機構等位置及形狀，使列車外形在滿足各項要求的前提下盡可能的美觀。第5步進行試驗驗證挑選方案，要進行仿真分析、風洞試驗，進行研究各個設計方案的氣動性能，挑選最符合要求的方案。如果各方案都達不到要求，根據(jù)分析情況，在設計的前4步驟中改進，使得最后達到要求。

［1］田紅旗.列車空氣動力學［M］.北京：中國鐵道出版，2007.

［2］閆 穎，方衛(wèi)寧，高速列車頭部外形設計探討［D］.北京：北京交通大學機械與電子控制工程學院，2006.

［3］鐵運ρ［2008］28號.關于印發(fā)《高速動車組整車試驗規(guī)范》通知——高速列車空氣動力學性能計算和試驗鑒定暫行規(guī)定［S］.

［4］劉建新，高速動力車頭部結構的安全性探討［J］.機車電傳動，2000，（3）：7－9.

［5］UIC 651－1994.機車、動車、動車組和駕駛拖車的列車設計［S］.

［6］溫吾凡.汽車人體工程學［M］.長春：吉林科學技術出版社，1991.

［7］方衛(wèi)寧，郭北苑，戴明森.機車乘務員坐姿視野判定方法的研究［J］.鐵道學報，2000，22（5）：28－32.