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      那些又潮又酷的高铁“头型”怎样炼成?
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        1月5日,超长版时速350公里“复兴号”G9次动车组驶入?#26412;?#21335;站。新华社发(陈晓根 摄)

        逾3200个动车标准组震撼集结,奔驰在神州大地——2019年春运,高铁动车占铁?#25151;?#34892;旅客列车的比例超过七成。在天南海北的站台上、五湖四海的路网间,一个个如待发之箭、似子弹出膛的高铁车头引人瞩目,让归乡的人油然生发出“科技改变生活”的感慨。

        那么,这些“惊艳了时光”、又潮又酷的高铁车头是怎样诞生的?#31185;?#32972;后都蕴含着哪些科技含量?在中车长春轨道客车股份有限公司,有关设计人员与制造者为记者讲述了高铁车头里的创新事。

        用技术与多种力“斗法”

        “车头不仅是高铁的‘脸面’,更是高速动车组的关键核心技术之一。”作为车体研发部端部开发室主任,今年37岁的许鹏,已率?#28216;?#20013;国高铁打造过许多种靓丽“头型”。在这位身经百战的车头设计师看来,一个出色的“头型?#20445;?#39318;先必须具备优异的空气动力学性能。

        原来,疾驰中的高铁会同时受到周围空气多种力的作用,?#28909;?#31354;气阻力、气流升力、会车时的交会压力波、侧风带来的侧向力等等,都是阻碍列车安全平稳高速运行的“天敌”。

        其中,空气阻力可?#20581;?#22836;号劲敌”。就像我们在5级大风中逆风而行会感觉寸步难行,高铁速度越快,空气阻力越大。根据空气动力学原理,车头的长细比越大,阻力系数越小。

        加大车头的长细比,还可减少列车会车时的交会压力波和通过隧道时的隧道压力波。

        大家坐火车?#21152;?#36807;这种体验:当对面列?#23548;?#39536;而过?#20445;?#20276;随一声呼啸,车身会瞬间发生横向晃动,这就是因为相对运动的车头挤压空气,使车侧壁上的空气压力产生了很大波动。列车过隧道?#20445;?#20063;会引起隧道内空气压力?#26412;?#27874;动,形成一定冲击力。骤然的压力变化,可造成车体侧窗破碎、车辆蛇形运动等可怕后果。

        “?#28909;紓?#25105;们研发的复兴号CR400BF,其‘头型’就比和谐号长2米左右,车头总长度接近10米,整体形态更加流线,列车因此‘飞’得更快、更稳、更节能。”许鹏说,复兴号的车厢更高更宽。不过,虽然“身材”较和谐号高大,但其运行阻力反而降低了12%。这背后,低阻力流线车头功不可没。

        再来说说升力这一宿敌。当列车高速运行?#20445;?#27668;流会带来向上的抬升力,让车头发飘甚至脱轨,为与升力斗法,许鹏介绍,他们在高铁车头的?#35762;?#35774;置有导流槽,通过鼻锥到导流槽的引流形式,引导气流产生向下的压力,如同一双强有力的“手?#20445;卫?#25235;住轨道,保障列车贴地飞行。

        1月5日,G9次超长版“复兴号”动车组列车驶入南京南站。新华社发(苏阳 摄)

        获取“高颜值”路上的艰难跋涉

        每一种高铁车型,?#21152;?#33258;己的专属“头型?#20445;?#20197;中车长客产品为例,和谐号的圆润鼓溜,看起来灵动可爱,俗称“小海豹?#20445;?#22797;兴号CR400BF?#37027;?#30408;细长,车灯如凤眼,腰线?#21697;?#32701;,名为“金凤凰?#20445;?#32780;正抓紧生产的京张高铁“瑞雪迎春?#20445;?#20854;“头型”灵感则源于敏捷有力的“鸟中之王?#20445;?#21796;作“雏鹰”……

        内里高技术+外表高颜值,可以说,高铁车头的设计制造极富挑战性,一个能得高分的“头型?#20445;?#24517;定要经过千挑百选、千锤百炼。

        “CR400BF的‘头型’,就是从近百张美工效果图中筛选出来的。我们先?#21448;?#36873;出了几十个,再根据空气动力学进行计算与评审,展开第二?#32456;?#36873;,然后将胜出的做成若干1:8的3D模型进行风洞试验,根据风阻、风动噪声等测试结果,对获胜‘头型’用三维模拟软件进行优化设计。”许鹏说。

        更艰巨的工作还在后面。美工可以“唯美?#20445;?#33402;术设计可以天马行空,工艺却要考虑能否实现,?#24904;?#20309;把技术与艺术完美融合到车头上。

        时速350公里的标动CR400BF有?#25945;?#27604;较尖锐的棱线贯穿?#23548;紓?#20351;车头凸现一种硬朗的棱角美,并更具科技感。但这一艺术之美的落?#30340;讯?#20854;实非常大,因为高铁铝板材的折?#20392;穸热?#26524;不够大,棱线在长长的车头上?#22270;?#20046;看不出来。

        “板材折弯半径越小,折出的线越尖锐。开始我们使用冷冲压工艺,但冷冲压的最小折弯半径是铝板材的1.5倍厚,棱线整体效果在车头上看起来像一小道?#19981;。?#19981;尖锐。我们广泛研究各行各业的?#24405;?#26415;,经过反复寻找、多次评审,最后采用了在航空航天领域广泛应用但在轨道交通装备业?#35270;?#24212;用的铝合金超塑成型工艺,才攻克这个难题。”设计工艺师肖宇说。

        为“金凤凰”安装车灯,也?#35759;?#37325;重。以前“小海豹”的车?#21697;?#22312;车鼻前端开闭结构上,这个结构为复合材料结构,外形可塑性比较强,但“金凤凰”细长的“单凤眼?#27604;?#38656;要安装在车头铝结构上,而铝结构是焊接成型的,焊接过程中铝合金变形比较大。如何严丝合缝地把塑料车灯和铝结构装配到一起去?面对这一挑战,工作人员?#29615;?#38754;通过合理设计灯仓结构,想办法把焊接带来的尺寸变形“吃掉?#20445;灰环?#38754;尽量优化灯仓内零件个数,以减少焊接量,避免过多焊缝带来的收缩变形,终于完美解决问题。

        “扒?#35805;恰?#37027;些看不见的秘密

        动车一列标准组有两个车头,一个在前,一个在后,列车调头?#20445;?#36710;尾变车头即可。春运期间,很多人会发现,不少繁忙线路上的高铁变成了4个车头,中间两个车头的鼻尖紧紧相抵。这是铁路为增加运力,将两个标准组进行了重联,使8节编组的列车“升级”成了16节编组列车。

        重联的秘密,就在车鼻头的?#21069;?#19979;。这个?#21069;?#24179;时处于关闭状态,需要重联?#20445;前?#23601;会自动打开露出里面的车钩?#20302;常?#36830;挂?#22836;?#35299;均无须人工操作。

        其实,“金凤凰?#21271;?#22836;?#21069;?#19979;,还隐藏着中国标动的另一项自主创新——与和谐号不同,复兴号的鼻头?#21069;?#19979;增加了一个吸能装置和一个防爬装置,前者可吸收撞车的能量,后者可防止爬车事故的出现,从而进一步提升车辆的安全性。

        “这可不是件简单的事。以前的并无安放新装置的空间,因此,必须改变车头整个结构。光车头外部的铝车体结构,我们就画了近400张图?#20581;!?#35768;鹏说。

        高铁车头制造过程中,还有很多大家看不见的秘密。?#28909;紓?#22797;兴号车头更长,但铝合金的热膨胀系数是?#20960;?#30340;两倍,越长的焊接,变形越大,车头加长后,焊?#21448;芯统?#29616;了各?#25351;?#26434;变形。

        怎么消灭这只拦路虎?肖宇告诉记者:“我们根据变形趋势,在工装上增加反变形量,让它往反方向变形,同?#20445;?#25913;变焊接方式,减少焊接的热输入量,?#28909;?#38271;大焊缝采用分段退焊的方法等。此外,我们还?#38498;?#32541;布局及焊接顺序进行了优化,以减少焊接变形,消除焊接残余应力。?#20445;?#35760;者 彭冰)

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