高速綜合檢測車鋁合金司機室的結構設計

張碩韶，白彥超，杲曉峰，閻鋒

(1.中國北車集團 唐山軌道客車有限責任公司，河北 唐山 063035;2.中國北車集團 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，持續運營速度為350 km/h，最高試驗速度＞400 km/h.為提高列車的運行速度，需優化整車的空氣動力學性能，包括前端流線型、車輛連接處加裝外風擋、車頂受電弓的優化及車下裙板和各種車頂導流罩的優化，重點之一是頭形的優化.

為減小空氣阻力，提高列車運行速度，在CRH3-300型動車組頭形的基礎上進行了進一步優化，設計了多個優化方案，經空氣動力學計算，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行風洞試驗，以證明氣動外形最佳方案符合減阻要求.

根據選定的氣動外形，按自頂向下的設計原則，完成了司機室的工程化設計，司機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、側墻、車頂組焊在一起，參與整體承載.按照EN 12663-2000［1］《鐵路應用——軌道車輛車體結構要求》和《200 km/h及以上速度級鐵道車輛強度設計及試驗鑒定暫行規定》［2］進行靜強度計算和試驗，司機室各處應力均小于彈性極限，滿足標準要求.司機室設計流程見圖1.

圖1 司機室設計流程

1 車頭氣動外形設計

1.1 車頭氣動外形選型

高速綜合檢測車車頭外形在CRH3-300型動車組基礎上進行了優化設計，其設計理念來源于仿生學，參考獵豹奔跑的姿態，設計了3種不同流線的空氣動力學車頭，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 空氣動力學計算

當高速列車以時速350 km運行時，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計，尤其是車頭車尾的幾何形狀、風擋形狀、空調整流罩形狀等等.因此列車氣動阻力是進行頭形評估時的重要參考指標.

計算采用商業軟件Starccm+進行，控制方程為可壓縮N-S方程，流模型為標準K-ω模型+標準壁面函數.計算參數Ma∞ =0.28594(350 km/h)，遠場壓力取為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的模擬，地面為靜止地面.計算區域為車頭前100m，上100m，左右各100m，采用多面體網格，總網格數約1.2億單元.

阻力系數計算結果顯示，“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 風洞試驗

根據空氣動力學計算結果，確定“極速”車頭的頭形為高速檢測車的頭形，根據導流罩優化方案、裙板優化案和車底轉向架處優化方案進行整合，最終確定頭車的最優方案，按照最優方案制作了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，稱為基準方案，將兩組模型分別進行風洞試驗.

圖3 頭車最優化方案模型

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

圖4 兩種方案在不同迎風角下空氣阻力系數對比

2 鋁合金司機室

根據空氣動力學分析結果，車頭外形采用經計算和試驗確定的最優方案——“極速車頭外形”，在此基礎上還需要結合司機室功能和強度要求進行具體結構設計.司機室在工程化設計時要考慮開閉機構、外部照明設備、司機室旋轉窗和前風擋玻璃的設置與安裝，這些設備的外形要與氣動外形相吻合，司機室結構形式要滿足這些設備的安裝.作為承載結構的一部分，司機室需要有一定的強度與剛度，強度應滿足EN12663-2000《鐵路應用——軌道車輛車體結構要求》的要求.

2.1 結構簡介

高速綜合檢測車的司機室與頭車的底架、側墻、車頂組焊在一起，形成一個焊接結構的頭車車體，參與車體整體承載.

該動車組的司機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，使得司機室的抗扭、抗彎能力強，結構堅固.

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

圖5 頭車司機室的結構分解圖

2.2 強度標準及材料選用

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

表1 司機室選用的材料及其性能

2.3 焊接結構特點

司機室由三維彎曲鋁型材和三維彎曲板材焊接而成，焊接標準執行 EN 15085［5］.在設計司機室焊接結構時有兩點是非常重要的，一是焊接接頭的連接強度，另一個是結構上的抗焊接變形能力.

司機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型坡口進行焊接，組焊成完整的骨架.

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

圖6 側墻立柱與縱向梁的連接型式

為了保證司機室側墻在焊后減少變形，將司機室的側墻板設計成帶加強筋的開口型材型式，司機室側墻立柱、縱向梁與側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度，又能使側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，司機室車頂板也是設計成帶加強筋的開口型材型式，它與車頂彎梁采用角接型式焊接，與側墻板相似，車頂板焊后變形也較小.

2.4 靜強度計算和試驗

2.4.1 靜強度計算

依據“EN12663-2000《鐵路應用—鐵路車輛車體結構要求》”和“《200 km/h及以上速度級鐵道車輛強度設計及試驗鑒定暫行規定》”，對高速檢測列車頭車車體靜強度進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，對于較為復雜的不規則模型采用三維實體單元solid45進行離散.

在垂向載荷、縱向拉壓、車端壓縮、扭轉載荷、抬車及氣密載荷等各載荷工況下，分別對車體結構進行了有限元計算，圖7為第十一種工況下的司機室應力云圖，所有個工況的計算結果表明，該車體結構均滿足靜強度要求，司機室母材和焊縫的應力均小于許用應力.

圖7 司機室應力云圖

2.4.2 靜強度試驗

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

表2 計算載荷工況

圖8 頭車車體靜強度試驗

3 結論

經空氣動力學計算和試驗，證明“極速”車頭氣動外形具有較低的空氣阻力系數，滿足高速綜合檢測車低阻力的要求，板梁焊接結構的高強度司機室，與頭車的底架、側墻、車頂組焊在一起后，能夠參與車體的整體承載，經計算和試驗，其強度滿足EN12663-2000《鐵路應用——軌道車輛車體結構要求》和《200 km/h及以上速度級鐵道車輛強度設計及試驗鑒定暫行規定》的要求.

［1］BSI.BS EN 12663-2000鐵路應用—軌道車輛車體結構要求［S］.英國:英國標準學會，2000.

［2］鐵道部科學研究院機車車輛研究所.200 km/h及以上速度級鐵道車輛強度設計及試驗鑒定暫行規定［S］.北京:鐵道部出版社，2001.

［3］田紅旗.列車空氣動力學［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.鐵路應用—鐵道車輛及其部件的焊接［S］.德國:［s.1.］，2007.