那些又潮又酷的高鐵“頭型”怎樣煉成？

逾3200個(gè)動(dòng)車標(biāo)準(zhǔn)組震撼集結(jié)，奔馳在神州大地——2019年春運(yùn)，高鐵動(dòng)車占鐵路開行旅客列車的比例超過(guò)七成。在天南海北的站臺(tái)上、五湖四海的路網(wǎng)間，一個(gè)個(gè)如待發(fā)之箭、似子彈出膛的高鐵車頭引人矚目，讓歸鄉(xiāng)的人油然生發(fā)出“科技改變生活”的感慨。

那么，這些“驚艷了時(shí)光”、又潮又酷的高鐵車頭是怎樣誕生的？其背后都蘊(yùn)含著哪些科技含量？在中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，有關(guān)設(shè)計(jì)人員與制造者為記者講述了高鐵車頭里的創(chuàng)新事。

用技術(shù)與多種力“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?！弊鳛檐圀w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(guó)高鐵打造過(guò)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(lái)，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(lái)，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(lái)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?cè)?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(zhǎng)細(xì)比越大，阻力系數(shù)越小。

加大車頭的長(zhǎng)細(xì)比，還可減少列車會(huì)車時(shí)的交會(huì)壓力波和通過(guò)隧道時(shí)的隧道壓力波。

大家坐火車都有過(guò)這種體驗(yàn)：當(dāng)對(duì)面列車疾馳而過(guò)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?duì)運(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(guò)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(zhǎng)2米左右，車頭總長(zhǎng)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。”許鵬說(shuō)，復(fù)興號(hào)的車廂更高更寬。不過(guò)，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，低阻力流線車頭功不可沒。

再來(lái)說(shuō)說(shuō)升力這一宿敵。當(dāng)列車高速運(yùn)行時(shí)，氣流會(huì)帶來(lái)向上的抬升力，讓車頭發(fā)飄甚至脫軌，為與升力斗法，許鵬介紹，他們?cè)诟哞F車頭的兩側(cè)設(shè)置有導(dǎo)流槽，通過(guò)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(zhǎng)客產(chǎn)品為例，和諧號(hào)的圓潤(rùn)鼓溜，看起來(lái)靈動(dòng)可愛，俗稱“小海豹”；復(fù)興號(hào)CR400BF的輕盈細(xì)長(zhǎng)，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(shuō)，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(guò)千挑百選、千錘百煉。

“CR400BF的‘頭型’，就是從近百?gòu)埫拦ばЧ麍D中篩選出來(lái)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(cè)試結(jié)果，對(duì)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(shuō)。

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(zhǎng)長(zhǎng)的車頭上就幾乎看不出來(lái)。

“板材折彎半徑越小，折出的線越尖銳。開始我們使用冷沖壓工藝，但冷沖壓的最小折彎半徑是鋁板材的1.5倍厚，棱線整體效果在車頭上看起來(lái)像一小道圓弧，不尖銳。我們廣泛研究各行各業(yè)的新技術(shù)，經(jīng)過(guò)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(shuō)。

為“金鳳凰”安裝車燈，也難度重重。以前“小海豹”的車燈放在車鼻前端開閉結(jié)構(gòu)上，這個(gè)結(jié)構(gòu)為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，外形可塑性比較強(qiáng)，但“金鳳凰”細(xì)長(zhǎng)的“單鳳眼”卻需要安裝在車頭鋁結(jié)構(gòu)上，而鋁結(jié)構(gòu)是焊接成型的，焊接過(guò)程中鋁合金變形比較大。如何嚴(yán)絲合縫地把塑料車燈和鋁結(jié)構(gòu)裝配到一起去？面對(duì)這一挑戰(zhàn)，工作人員一方面通過(guò)合理設(shè)計(jì)燈倉(cāng)結(jié)構(gòu)，想辦法把焊接帶來(lái)的尺寸變形“吃掉”；一方面盡量?jī)?yōu)化燈倉(cāng)內(nèi)零件個(gè)數(shù)，以減少焊接量，避免過(guò)多焊縫帶來(lái)的收縮變形，終于完美解決問題。

“扒一扒”那些看不見的秘密

動(dòng)車一列標(biāo)準(zhǔn)組有兩個(gè)車頭，一個(gè)在前，一個(gè)在后，列車調(diào)頭時(shí)，車尾變車頭即可。春運(yùn)期間，很多人會(huì)發(fā)現(xiàn)，不少繁忙線路上的高鐵變成了4個(gè)車頭，中間兩個(gè)車頭的鼻尖緊緊相抵。這是鐵路為增加運(yùn)力，將兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組進(jìn)行了重聯(lián)，使8節(jié)編組的列車“升級(jí)”成了16節(jié)編組列車。

重聯(lián)的秘密，就在車鼻頭的蓋板下。這個(gè)蓋板平時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)，需要重聯(lián)時(shí)，蓋板就會(huì)自動(dòng)打開露出里面的車鉤系統(tǒng)，連掛和分解均無(wú)須人工操作。

其實(shí)，“金鳳凰”鼻頭蓋板下，還隱藏著中國(guó)標(biāo)動(dòng)的另一項(xiàng)自主創(chuàng)新——與和諧號(hào)不同，復(fù)興號(hào)的鼻頭蓋板下增加了一個(gè)吸能裝置和一個(gè)防爬裝置，前者可吸收撞車的能量，后者可防止爬車事故的出現(xiàn)，從而進(jìn)一步提升車輛的安全性。

“這可不是件簡(jiǎn)單的事。以前的并無(wú)安放新裝置的空間，因此，必須改變車頭整個(gè)結(jié)構(gòu)。光車頭外部的鋁車體結(jié)構(gòu)，我們就畫了近400張圖紙?！痹S鵬說(shuō)。

高鐵車頭制造過(guò)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(zhǎng)，但鋁合金的熱膨脹系數(shù)是碳鋼的兩倍，越長(zhǎng)的焊接，變形越大，車頭加長(zhǎng)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(shì)，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(zhǎng)大焊縫采用分段退焊的方法等。此外，我們還對(duì)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?！保ㄓ浾?彭冰）