張碩韶，白彥超，杲曉峰，閻鋒

(1.中國北車集團(tuán) 唐山軌道客車有限責(zé)任公司，河北 唐山 063035;2.中國北車集團(tuán) 青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031)*

0 引言

高速綜合檢測車采取8輛編組，列車輪周牽引功率為16 400 kW，持續(xù)運(yùn)營速度為350 km/h，最高試驗速度＞400 km/h.為提高列車的運(yùn)行速度，需優(yōu)化整車的空氣動力學(xué)性能，包括前端流線型、車輛連接處加裝外風(fēng)擋、車頂受電弓的優(yōu)化及車下裙板和各種車頂導(dǎo)流罩的優(yōu)化，重點(diǎn)之一是頭形的優(yōu)化.

為減小空氣阻力，提高列車運(yùn)行速度，在CRH3-300型動車組頭形的基礎(chǔ)上進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化，設(shè)計了多個優(yōu)化方案，經(jīng)空氣動力學(xué)計算，確定了低阻力的最佳方案.按最佳方案和CRH3-300型動車組制作動車組模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗，以證明氣動外形最佳方案符合減阻要求.

根據(jù)選定的氣動外形，按自頂向下的設(shè)計原則，完成了司機(jī)室的工程化設(shè)計，司機(jī)室由三維彎曲鋁型材和三維彎曲板材焊接而成，與頭車的底架、側(cè)墻、車頂組焊在一起，參與整體承載.按照EN 12663-2000［1］《鐵路應(yīng)用——軌道車輛車體結(jié)構(gòu)要求》和《200 km/h及以上速度級鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計及試驗鑒定暫行規(guī)定》［2］進(jìn)行靜強(qiáng)度計算和試驗，司機(jī)室各處應(yīng)力均小于彈性極限，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求.司機(jī)室設(shè)計流程見圖1.

圖1 司機(jī)室設(shè)計流程

1 車頭氣動外形設(shè)計

1.1 車頭氣動外形選型

高速綜合檢測車車頭外形在CRH3-300型動車組基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，其設(shè)計理念來源于仿生學(xué)，參考獵豹奔跑的姿態(tài)，設(shè)計了3種不同流線的空氣動力學(xué)車頭，分別命名為“啟動”、“加速”和“極速”如圖2所示.

圖2 3種不同流線的車頭氣動外形

1.2 空氣動力學(xué)計算

當(dāng)高速列車以時速350 km運(yùn)行時，列車牽引動力中有80%以上被用來克服空氣的阻力［3］，而列車的氣動阻力主要取決于高速列車的外形設(shè)計，尤其是車頭車尾的幾何形狀、風(fēng)擋形狀、空調(diào)整流罩形狀等等.因此列車氣動阻力是進(jìn)行頭形評估時的重要參考指標(biāo).

計算采用商業(yè)軟件Starccm+進(jìn)行，控制方程為可壓縮N-S方程，流模型為標(biāo)準(zhǔn)K-ω模型+標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù).計算參數(shù)Ma∞ =0.28594(350 km/h)，遠(yuǎn)場壓力取為1 Pa，T∞ =288 k.參考面積為10.8 m2，邊界條件包括固定壁面邊界、速度入口邊界條件、出流邊界條件，T=288.15 k.同時計算中包含了對地面效應(yīng)的模擬，地面為靜止地面.計算區(qū)域為車頭前100m，上100m，左右各100m，采用多面體網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)約1.2億單元.

阻力系數(shù)計算結(jié)果顯示，“加速”和“極速”車頭頭車和尾車的總阻力比CRH3-300型小.速度為350 km/h時，CRH3-300型車頭頭車和尾車總阻力為0.235 13，“加速”車頭和“極速”車頭頭車和尾車總阻力分別為0.216 77和0.210 96，與CRH3-300型車頭比較，分別下降了7.81%和10.27%.

1.3 風(fēng)洞試驗

根據(jù)空氣動力學(xué)計算結(jié)果，確定“極速”車頭的頭形為高速檢測車的頭形，根據(jù)導(dǎo)流罩優(yōu)化方案、裙板優(yōu)化案和車底轉(zhuǎn)向架處優(yōu)化方案進(jìn)行整合，最終確定頭車的最優(yōu)方案，按照最優(yōu)方案制作了1∶8動車組模型(圖3).為了驗證減阻效果，又按照CRH3-300型動車組制作了1∶8動車組模型，稱為基準(zhǔn)方案，將兩組模型分別進(jìn)行風(fēng)洞試驗.

圖3 頭車最優(yōu)化方案模型

圖4給出了最優(yōu)方案與基準(zhǔn)方案氣動系數(shù)的對比情況.高速綜合檢測車經(jīng)過優(yōu)化后，與基準(zhǔn)方案相比阻力減小，在迎風(fēng)角為-12°時，空氣阻力減小29.2%，在迎風(fēng)角為0°時，空氣阻力減小21.61%;無側(cè)風(fēng)時升力減小，有側(cè)風(fēng)時升力增加;在迎風(fēng)角為-3°時，優(yōu)化后升力系數(shù)為0.291 3，增加30.77%.隨著角度的增大，增加的比例減小.優(yōu)化后的俯仰力矩較基準(zhǔn)方案而言，在各個側(cè)偏角下均呈現(xiàn)增加的趨勢，但是力矩系數(shù)很小，在列車安全性允許范圍之內(nèi).

圖4 兩種方案在不同迎風(fēng)角下空氣阻力系數(shù)對比

2 鋁合金司機(jī)室

根據(jù)空氣動力學(xué)分析結(jié)果，車頭外形采用經(jīng)計算和試驗確定的最優(yōu)方案——“極速車頭外形”，在此基礎(chǔ)上還需要結(jié)合司機(jī)室功能和強(qiáng)度要求進(jìn)行具體結(jié)構(gòu)設(shè)計.司機(jī)室在工程化設(shè)計時要考慮開閉機(jī)構(gòu)、外部照明設(shè)備、司機(jī)室旋轉(zhuǎn)窗和前風(fēng)擋玻璃的設(shè)置與安裝，這些設(shè)備的外形要與氣動外形相吻合，司機(jī)室結(jié)構(gòu)形式要滿足這些設(shè)備的安裝.作為承載結(jié)構(gòu)的一部分，司機(jī)室需要有一定的強(qiáng)度與剛度，強(qiáng)度應(yīng)滿足EN12663-2000《鐵路應(yīng)用——軌道車輛車體結(jié)構(gòu)要求》的要求.

2.1 結(jié)構(gòu)簡介

高速綜合檢測車的司機(jī)室與頭車的底架、側(cè)墻、車頂組焊在一起，形成一個焊接結(jié)構(gòu)的頭車車體，參與車體整體承載.

該動車組的司機(jī)室采用較大截面的有壓筋的墻頂板與梁柱組焊而成，梁柱多為開口型材，組焊后司機(jī)室的變形小，曲面過渡光滑，外表美觀.因梁柱多在同一截面，使得司機(jī)室的抗扭、抗彎能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)堅固.

司機(jī)室由6部分組成，即司機(jī)室前端、司機(jī)室后框、司機(jī)室左側(cè)墻、司機(jī)室右側(cè)墻、司機(jī)室車頂和司機(jī)室前窗玻璃安裝框(圖5).

圖5 頭車司機(jī)室的結(jié)構(gòu)分解圖

2.2 強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)及材料選用

司機(jī)室與其它大部件組焊成頭車車體，車體強(qiáng)度應(yīng)滿足EN12663:2000《鐵路應(yīng)用——軌道車輛車體結(jié)構(gòu)要求》的要求，母材和焊縫的性能應(yīng)滿足DIN 5513:2007［4］《軌道車輛材料—鋁和鋁合金》的要求.司機(jī)室所選用的材料見表1.

表1 司機(jī)室選用的材料及其性能

2.3 焊接結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

司機(jī)室由三維彎曲鋁型材和三維彎曲板材焊接而成，焊接標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行 EN 15085［5］.在設(shè)計司機(jī)室焊接結(jié)構(gòu)時有兩點(diǎn)是非常重要的，一是焊接接頭的連接強(qiáng)度，另一個是結(jié)構(gòu)上的抗焊接變形能力.

司機(jī)室的骨架除窗間立柱外，基本采用的是槽型和乙型的開口型材.各梁柱之間通過開V型或Y型坡口進(jìn)行焊接，組焊成完整的骨架.

司機(jī)室側(cè)墻縱向梁與側(cè)墻立柱加永久焊接墊板開V型坡口焊接，可以讓側(cè)墻縱向梁與側(cè)墻立柱焊透，這種連接型式能保證足夠的焊接強(qiáng)度，連接及焊接型式見圖6.

圖6 側(cè)墻立柱與縱向梁的連接型式

為了保證司機(jī)室側(cè)墻在焊后減少變形，將司機(jī)室的側(cè)墻板設(shè)計成帶加強(qiáng)筋的開口型材型式，司機(jī)室側(cè)墻立柱、縱向梁與側(cè)墻板采用角接型式焊接，這種連接型式既能保證足夠的連接強(qiáng)度，又能使側(cè)墻板外表面焊后變形很小，沒有明顯的突起和凹坑，目測表面非常光滑，司機(jī)室車頂板也是設(shè)計成帶加強(qiáng)筋的開口型材型式，它與車頂彎梁采用角接型式焊接，與側(cè)墻板相似，車頂板焊后變形也較小.

2.4 靜強(qiáng)度計算和試驗

2.4.1 靜強(qiáng)度計算

依據(jù)“EN12663-2000《鐵路應(yīng)用—鐵路車輛車體結(jié)構(gòu)要求》”和“《200 km/h及以上速度級鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計及試驗鑒定暫行規(guī)定》”，對高速檢測列車頭車車體靜強(qiáng)度進(jìn)行了有限元分析計算，計算的載荷工況見表2.車體有限元模型基本采用殼單元shell63來建立，對于較為復(fù)雜的不規(guī)則模型采用三維實體單元solid45進(jìn)行離散.

在垂向載荷、縱向拉壓、車端壓縮、扭轉(zhuǎn)載荷、抬車及氣密載荷等各載荷工況下，分別對車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元計算，圖7為第十一種工況下的司機(jī)室應(yīng)力云圖，所有個工況的計算結(jié)果表明，該車體結(jié)構(gòu)均滿足靜強(qiáng)度要求，司機(jī)室母材和焊縫的應(yīng)力均小于許用應(yīng)力.

圖7 司機(jī)室應(yīng)力云圖

2.4.2 靜強(qiáng)度試驗

按照表2所列的載荷工況，對樣車進(jìn)行了靜強(qiáng)度試驗(圖8).靜強(qiáng)度試驗在專用的靜強(qiáng)度試驗臺上進(jìn)行，能模擬各個工況載荷的施加.試驗結(jié)果表明，頭車車體的強(qiáng)度滿足EN12663-2000《鐵路應(yīng)用—軌道車輛車體結(jié)構(gòu)要求》和《200 km/h及以上速度級鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計及試驗鑒定暫行規(guī)定》的要求.

表2 計算載荷工況

圖8 頭車車體靜強(qiáng)度試驗

3 結(jié)論

經(jīng)空氣動力學(xué)計算和試驗，證明“極速”車頭氣動外形具有較低的空氣阻力系數(shù)，滿足高速綜合檢測車低阻力的要求，板梁焊接結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度司機(jī)室，與頭車的底架、側(cè)墻、車頂組焊在一起后，能夠參與車體的整體承載，經(jīng)計算和試驗，其強(qiáng)度滿足EN12663-2000《鐵路應(yīng)用——軌道車輛車體結(jié)構(gòu)要求》和《200 km/h及以上速度級鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計及試驗鑒定暫行規(guī)定》的要求.

［1］BSI.BS EN 12663-2000鐵路應(yīng)用—軌道車輛車體結(jié)構(gòu)要求［S］.英國:英國標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會，2000.

［2］鐵道部科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所.200 km/h及以上速度級鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計及試驗鑒定暫行規(guī)定［S］.北京:鐵道部出版社，2001.

［3］田紅旗.列車空氣動力學(xué)［M］.北京:中國鐵道出版社，2007.

［4］DIN 5513-2007.有軌車輛材料—鋁和鋁合金［S］.德國:［s.1.］，2007.

［5］EN 15085-2007.鐵路應(yīng)用—鐵道車輛及其部件的焊接［S］.德國:［s.1.］，2007.