王添旗

（中國南車集團(tuán) 南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 動車設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)是各車型設(shè)計(jì)的一種關(guān)鍵技術(shù)。列車外形設(shè)計(jì)，整個(gè)設(shè)計(jì)過程復(fù)雜特殊，要反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證。設(shè)計(jì)師要具備美學(xué)藝術(shù)造型的才能、空氣動力學(xué)知識、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識以及人機(jī)工程學(xué)等知識。高速列車外形設(shè)計(jì)，不但對設(shè)計(jì)師的造型能力、創(chuàng)新能力要求相當(dāng)高；而且要滿足工程技術(shù)方面的要求，考慮的綜合因素十分復(fù)雜，外形結(jié)構(gòu)造型難度大，是列車車型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一種關(guān)鍵技術(shù)。

本文基于CRH6型城際動車組列車外形設(shè)計(jì)的整個(gè)過程，又分別從列車外形與空氣動力學(xué)性能的關(guān)系、車頭造型、車頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與外形曲面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)系、高速列車頭部外形結(jié)構(gòu)與安全性、人機(jī)工程等工程技術(shù)方面進(jìn)行分析，對高速列車外形設(shè)計(jì)有很高的參考價(jià)值。

1 高速列車頭部外形與空氣動力學(xué)性能的關(guān)系

列車運(yùn)行速度越高，其受空氣阻力的影響就越大，將產(chǎn)生許多影響列車運(yùn)行的空氣動力學(xué)現(xiàn)象。其中最為明顯的是氣動阻力加大和列車交會時(shí)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(guān)系

空氣—列車的流固關(guān)系是高速列車外形設(shè)計(jì)必須考慮的重要性能指標(biāo)之一［1］。從空氣—列車流固耦合動力學(xué)方面講，外形設(shè)計(jì)應(yīng)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(fēng)，降低對線路附近人和物的影響，以及由列車風(fēng)引起的環(huán)境問題；⑤減小列車會車時(shí)的流固耦合沖擊波。

1.2 頭部結(jié)構(gòu)的主要控制尺寸與空氣動力學(xué)性能

據(jù)研究表明，采用合理的流線化外型設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(xì)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(xì)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(fēng)洞試驗(yàn)證明，對于不同的車型，頭部細(xì)長比越大整車阻力越小，同時(shí)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(shè)計(jì)車頭具體的外形尺寸參數(shù)時(shí)必須兼顧兩者之間的關(guān)系。通常，車頭結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)

車頭外形輪廓線設(shè)計(jì)參照文獻(xiàn)［2］，本文不重復(fù)描述。

（2）鼻錐設(shè)計(jì)

從空氣動力學(xué)角度考慮，當(dāng)整個(gè)頭部為扁梭形時(shí)，迎面氣流大部分流向列車頂部，而流向兩側(cè)的氣流較少，這樣可以減輕交會壓力波產(chǎn)生的不利影響。因此，設(shè)計(jì)鼻錐時(shí)應(yīng)在水平面采用較大的曲率半徑，使其寬度較寬；在縱剖面內(nèi)的型線應(yīng)按縱向?qū)ΨQ面上的型線形狀沿水平方向緩慢變化，使其實(shí)現(xiàn)了扁梭形的外形。

（3）車頭頂部設(shè)計(jì) 車頭車頂圓弧應(yīng)合理取值，要有利于結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)流線化，同時(shí)車頂拐角的三維曲面，會給加工造成一定的困難，選取時(shí)要充分考慮。

1.3 列車頭部造型與空氣動力學(xué)性能

高速列車的空氣動力學(xué)性能很大程度是由車頭形狀決定的，適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)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(jīng)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(fēng)氣動性能：流線型長度的增加可以改善列車在橫風(fēng)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(shí)壓力波較?。?］。

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(shè)計(jì)，考慮的綜合因素十分復(fù)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(fù)雜的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)者要有極高的審美能力和造型能力，才能設(shè)計(jì)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(xué)分析

根據(jù)上述高速列車外形與空氣動力學(xué)性能關(guān)系分析，根據(jù)列車運(yùn)營要求，確定出列車頭型的細(xì)長比，CRH6型城際動車組車頭外形的細(xì)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(xì)長比的基礎(chǔ)上進(jìn)行外形輪廓設(shè)計(jì)，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(xì)長比，使整車阻力小，同時(shí)列車交會壓力波也小。鼻錐在縱剖面內(nèi)的型線按縱向?qū)ΨQ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(cè)的氣流較少，可以減輕交會壓力波產(chǎn)生的不利影響。接下來通過CRH6型城際動車組空氣動力學(xué)試驗(yàn)來進(jìn)一步驗(yàn)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(xué)試驗(yàn)驗(yàn)證

從頂層設(shè)計(jì)目標(biāo)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(yùn)營要求。CRH6型動車組列車外形，設(shè)計(jì)了3個(gè)方案，如圖2所示，并對3種備選方案，進(jìn)行仿真分析、風(fēng)洞試驗(yàn)，研究各個(gè)設(shè)計(jì)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(xué)性能分析

空氣動力學(xué)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(fēng)影響條件下，不同運(yùn)行速度列車的C X值應(yīng)不超過表1規(guī)定值。

阻力比較：試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，①CRH6型車最高速度為220 km／h，3個(gè)方案空氣阻力都沒有超過空氣動力學(xué)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(dá)到4 m，長細(xì)比較其他方案較大，氣動阻力最優(yōu)。

表1 各種運(yùn)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(yàn)結(jié)果

尾車升力比較：試驗(yàn)結(jié)果方案1尾車升力較優(yōu)，如圖4所示。200 km／h運(yùn)行速度，尾擺效應(yīng)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(cè)力比較：試驗(yàn)結(jié)果，頭車側(cè)向力遠(yuǎn)大于中間車、尾車，側(cè)力評價(jià)以頭車為主。

方案1頭車和尾車側(cè)力較小，如圖5所示。

圖5 CRH6型動車組列車外形3種方案側(cè)力比較

交會壓力波：試驗(yàn)結(jié)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(yàn)結(jié)果如圖7所示，各方案，氣動噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級均小于75 d B。方案1在各個(gè)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(xué)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(shè)計(jì)滿足設(shè)備安裝空間要求；前窗和側(cè)窗滿足司機(jī)視野需求，滿足UIC 561標(biāo)準(zhǔn)要求；滿足200 km／h城際車運(yùn)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(shè)計(jì)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)系

車頭內(nèi)部骨架的設(shè)計(jì)以車頭外形造型為基礎(chǔ)，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(shè)計(jì)的時(shí)候要兼顧到內(nèi)部骨架以及氣動外形的分塊組焊。列車頭部前窗、側(cè)窗、開閉機(jī)構(gòu)、排障器、車門等位置和形狀也直接影響車頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

圖8 以車頭外形結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4 CRH6型城際動車組頭部外形結(jié)構(gòu)與安全性

設(shè)計(jì)高速列車外形時(shí)，只有全面考慮列車頭部所受到的各種載荷、認(rèn)真分析可能出現(xiàn)的各種工況、對實(shí)際可能出現(xiàn)的情況準(zhǔn)確的進(jìn)行模擬才能保證其安全性［4］。同時(shí)，由于高速列車結(jié)構(gòu)的輕量化要求，使車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的儲備裕度比常規(guī)頭車少，如何抵御沖擊、碰撞等強(qiáng)動載作用，因此，需要對頭部結(jié)構(gòu)進(jìn)行被動安全設(shè)計(jì)，以符合國際鐵路聯(lián)盟制定的UIC 651標(biāo)準(zhǔn)的要求［5］。

CRH6型城際動車組列車外形空氣動力學(xué)流線型頭部，有排障裝置，如圖9所示。這種空氣動力學(xué)流線型頭部，除了為列車正面部分定形和提供保護(hù)外，可保證列車駕駛員不受飛來之物的侵害（符合UIC651標(biāo)準(zhǔn)的要求），而且可為風(fēng)擋玻璃、側(cè)窗和車外燈等部件提供保護(hù)支持。排障器可承受鐵道部技術(shù)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(jī)工程學(xué)方面的驗(yàn)證。設(shè)計(jì)駕駛室的活動空間大小時(shí)，首先要滿足司機(jī)有合適的駕駛空間，太大會使駕駛員操作很費(fèi)力，太小則會妨礙其安全駕駛。

根據(jù)UIC 651標(biāo)準(zhǔn)的要求，CRH6型城際動車組內(nèi)部操作空間大小如圖11所示：駕駛室寬敞，在站立位置各點(diǎn)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(diǎn)處，凈空高度不小1 850 mm。沿駕駛員就座時(shí)視線平面縱向測量，前窗內(nèi)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(nèi)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(yīng)使駕駛員有良好的嘹望視野。因此，要進(jìn)行人機(jī)工程分析需要用合理的方法來確定動車乘務(wù)員的嘹望視野，根據(jù)視野范圍有效的設(shè)計(jì)前窗、刮雨器等。

首先，根據(jù)UIC 651標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)駕駛員以坐姿或站姿駕車時(shí)，他眼睛的位置以一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)，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(shí)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(yīng)的姿勢建立坐標(biāo)系，繪出相應(yīng)的眼橢圓樣板［6］（一般取95百分位眼橢圓）。關(guān)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(biāo)準(zhǔn)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(guān)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(shí)觀察15 000 mm處矮柱信號機(jī)的視野；B表示駕駛員站姿時(shí)觀察10 000 mm處高柱信號機(jī)的視野。

同時(shí)，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(jìn)行動車司機(jī)室設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對前方瞭望視野及前窗立柱盲區(qū)進(jìn)行校核［7］。

圖11 CRH6型城際動車組內(nèi)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(shí)際上，只有車輛行駛時(shí)才有可能發(fā)生事故。因此，應(yīng)對動態(tài)視野［6］作進(jìn)一步的探討。為了擴(kuò)大前方視野，前窗下緣應(yīng)盡量低。但是前窗下緣如果過低，就會導(dǎo)致當(dāng)列車以高速駕駛時(shí)使駕駛員產(chǎn)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(diǎn)高度；x為視線與地面的交點(diǎn)至視點(diǎn)中心的水平距離；v為車速。

從公式（2）可知，視點(diǎn)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(jīng)過試驗(yàn)認(rèn)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(gè)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(jié)束語

高速列車外形設(shè)計(jì)對設(shè)計(jì)師的知識和能力要求極高，不僅要懂美學(xué)、造型美觀、簡約、凝練、時(shí)尚等人文方面的知識；而且要懂列車外形與空氣動力學(xué)性能關(guān)系，列車頭型內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外形結(jié)構(gòu)的關(guān)系，列車被動安全防護(hù)結(jié)構(gòu)道路排障要求，列車駕駛員駕駛空間的要求，以及人機(jī)工程等工程技術(shù)方面的要求。在做高速列車外形設(shè)計(jì)時(shí)，第1步要根據(jù)線路運(yùn)營要求，確定出列車頭型的細(xì)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?cái)嗝孑喞土骶€型車頭長度確定的前提下，進(jìn)行有效頭部外形輪廓設(shè)計(jì)來改善空氣動力學(xué)性能；第3步進(jìn)行鼻錐和車頭頂部設(shè)計(jì)，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(xué)性能的頭型。第4步進(jìn)行整個(gè)頭部造型的塑造，在這階段要確定出側(cè)窗、前窗、車燈、排障器、開閉機(jī)構(gòu)等位置及形狀，使列車外形在滿足各項(xiàng)要求的前提下盡可能的美觀。第5步進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證挑選方案，要進(jìn)行仿真分析、風(fēng)洞試驗(yàn)，進(jìn)行研究各個(gè)設(shè)計(jì)方案的氣動性能，挑選最符合要求的方案。如果各方案都達(dá)不到要求，根據(jù)分析情況，在設(shè)計(jì)的前4步驟中改進(jìn)，使得最后達(dá)到要求。

［1］田紅旗.列車空氣動力學(xué)［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(shè)計(jì)探討［D］.北京：北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，2006.

［3］鐵運(yùn)ρ［2008］28號.關(guān)于印發(fā)《高速動車組整車試驗(yàn)規(guī)范》通知——高速列車空氣動力學(xué)性能計(jì)算和試驗(yàn)鑒定暫行規(guī)定［S］.

［4］劉建新，高速動力車頭部結(jié)構(gòu)的安全性探討［J］.機(jī)車電傳動，2000，（3）：7－9.

［5］UIC 651－1994.機(jī)車、動車、動車組和駕駛拖車的列車設(shè)計(jì)［S］.

［6］溫吾凡.汽車人體工程學(xué)［M］.長春：吉林科學(xué)技術(shù)出版社，1991.

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