“高顏值”高鐵車頭里的艱難創新事

彭冰

用技術與多種外力“斗法”

“車頭不僅是高鐵的‘臉面’，更是高速動車組的關鍵核心技術之一。”作為車體研發部端部開發室主任，今年37歲的許鵬，已率隊為中國高鐵打造過許多種靚麗“頭型”。在這位身經百戰的車頭設計師看來，一個出色的“頭型”，首先必須具備優異的空氣動力學性能。

原來，疾馳中的高鐵會同時受到周圍空氣多種力的作用，比如空氣阻力、氣流升力、會車時的交會壓力波、側風帶來的側向力等等，都是阻礙列車安全平穩高速運行的“天敵”。

其中，空氣阻力可謂“頭號勁敵”。就像我們在5級大風中逆風而行會感覺寸步難行，高鐵速度越快，空氣阻力越大。根據空氣動力學原理，車頭的長細比越大，阻力系數越小。加大車頭的長細比，還可減少列車會車時的交會壓力波和通過隧道時的隧道壓力波。

大家坐火車都有過這種體驗：當對面列車疾馳而過時，伴隨一聲呼嘯，車身會瞬間發生橫向晃動，這就是因為相對運動的車頭擠壓空氣，使車側壁上的空氣壓力產生了很大波動。列車過隧道時，也會引起隧道內空氣壓力急劇波動，形成一定沖擊力。驟然的壓力變化，可造成車體側窗破碎、車輛蛇形運動等可怕后果。

“比如，我們研發的復興號CR400BF，其‘頭型’就比和諧號長2米左右，車頭總長度接近10米，整體形態更加流線，列車因此‘飛’得更快、更穩、更節能。”許鵬說，復興號的車廂更高更寬。不過，雖然“身材”較和諧號高大，但其運行阻力反而降低了12%。這背后，低阻力流線型車頭功不可沒。

再來說說升力這一宿敵。當列車高速運行時，氣流會帶來向上的抬升力，讓車發飄甚至脫軌，為與升力斗法，許鵬介紹，他們在高鐵車頭的兩側設置有導流槽，通過鼻錐到導流槽的引流形式，引導氣流產生向下的壓力，如同一雙強有力的“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”，以中車長客產品為例，和諧號的圓潤鼓溜，看起來靈動可愛，俗稱“小海豹”；復興號CR400BF的輕盈細長，車燈如鳳眼，腰線似鳳羽，名為“金鳳凰”；而正抓緊生產的京張高鐵“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”……

內里高技術+外表高顏值，可以說，高鐵車頭的設計制造極富挑戰性，一個能得高分的“頭型”，必定要經過千挑百選、千錘百煉。

“CR400BF的‘頭型’，就是從近百張美工效果圖中篩選出來的。我們先從中選出了幾十個，再根據空氣動力學進行計算與評審，展開第二輪甄選，然后將勝出的做成若干1：8的3D模型進行風洞試驗，根據風阻、風動噪聲等測試結果，對獲勝‘頭型’用三維模擬軟件進行優化設計。”許鵬說。

更艱巨的工作還在后面。美工可以“唯美”，藝術設計可以天馬行空，工藝卻要考慮能否實現，即如何把技術與藝術完美融合到車頭上。時速350公里的標動CR400BF有兩條比較尖銳的棱線貫穿車肩，使車頭凸現一種硬朗的棱角美，并更具科技感。但這一藝術之美的落實難度其實非常大，因為高鐵鋁板材的折角銳度如果不夠大，棱線在長長的車頭上就幾乎看不出來。我們廣泛研究各行各業的新技術，經過反復尋找、多次評審，最后采用了在航空航天領域廣泛應用但在軌道交通裝備業鮮有應用的鋁合金超塑成型工藝，才攻克這個難題。”設計工藝師肖宇說。

高鐵車頭制造過程中，還有很多大家看不見的秘密。比如，復興號車頭更長，但鋁合金的熱膨脹系數是碳鋼的兩倍，越長的焊接，變形越大，車頭加長后，焊接中就出現了各種復雜變形。

怎么消滅這只攔路虎？肖宇告訴記者：“我們根據變形趨勢，在工裝上增加反變形量，讓它往反方向變形，同時，改變焊接方式，減少焊接的熱輸入量，比如長大焊縫采用分段退焊的方法等。此外，我們還對焊縫布局及焊接順序進行了優化，以減少焊接變形，消除焊接殘余應力。”