crh6型城際動車組列車外形設(shè)計研究

crh6型城際動車組列車外形設(shè)計研究

目前，全球高速鐵路的發(fā)展是基于高速列車的粉末設(shè)計的一項重要技術(shù)。列車外形設(shè)計,整個設(shè)計過程復(fù)雜特殊,要反復(fù)試驗驗證。設(shè)計師要具備美學(xué)藝術(shù)造型的才能、空氣動力學(xué)知識、結(jié)構(gòu)設(shè)計知識以及人機工程學(xué)等知識。高速列車外形設(shè)計,不但對設(shè)計師的造型能力、創(chuàng)新能力要求相當(dāng)高;而且要滿足工程技術(shù)方面的要求,考慮的綜合因素十分復(fù)雜,外形結(jié)構(gòu)造型難度大,是列車車型結(jié)構(gòu)設(shè)計的一種關(guān)鍵技術(shù)。本文基于CRH6型城際動車組列車外形設(shè)計的整個過程,又分別從列車外形與空氣動力學(xué)性能的關(guān)系、車頭造型、車頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計與外形曲面結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)系、高速列車頭部外形結(jié)構(gòu)與安全性、人機工程等工程技術(shù)方面進行分析,對高速列車外形設(shè)計有很高的參考價值。1影響機組運行的空氣動力學(xué)現(xiàn)象列車運行速度越高,其受空氣阻力的影響就越大,將產(chǎn)生許多影響列車運行的空氣動力學(xué)現(xiàn)象。其中最為明顯的是氣動阻力加大和列車交會時壓力波加劇,而列車頭部外形對列車的氣動性能起決定作用。1.1系統(tǒng)力學(xué)方面的注意問題空氣—列車的流固關(guān)系是高速列車外形設(shè)計必須考慮的重要性能指標(biāo)之一。從空氣—列車流固耦合動力學(xué)方面講,外形設(shè)計應(yīng)遵循如下一般原則:①降低列車阻力、列車升力盡可能接近零,減小橫向力和降低氣動噪聲;②合理的壓力分布;③過隧道有較小的壓力波動,列車有較小的振動;④減小列車風(fēng),降低對線路附近人和物的影響,以及由列車風(fēng)引起的環(huán)境問題;⑤減小列車會車時的流固耦合沖擊波。1.2氣動性能的估算據(jù)研究表明,采用合理的流線化外型設(shè)計后的頭車,其會車壓力波、空氣阻力及氣動噪聲也都比常規(guī)頭車小,因而高速動車頭車采用合理的流線化外形設(shè)計能保證列車有良好的氣動性能。為了評估不同車頭部外形的氣動性能,定義了表示其形狀特征的“細(xì)長比λ”。目前通常采用長度法定義,即:λL=LS/π√(1)λL=LS/π(1)式中λL為用長度法定義的細(xì)長比;L為車頭流線化部分長度;S為車身橫截面積。大量的風(fēng)洞試驗證明,對于不同的車型,頭部細(xì)長比越大整車阻力越小,同時列車交會壓力波也越小。然而,從氣動性能來說,在車頭流線形長度相同的情況下,氣動阻力和列車交會壓力波對外形的要求是矛盾的,所以設(shè)計車頭具體的外形尺寸參數(shù)時必須兼顧兩者之間的關(guān)系。通常,車頭結(jié)構(gòu)的流線化特征主要由以下幾方面尺寸控制來描述:(1)發(fā)動機頭部的外觀輪廓設(shè)計車頭外形輪廓線設(shè)計參照文獻,本文不重復(fù)描述。(2)鼻錐的制作從空氣動力學(xué)角度考慮,當(dāng)整個頭部為扁梭形時,迎面氣流大部分流向列車頂部,而流向兩側(cè)的氣流較少,這樣可以減輕交會壓力波產(chǎn)生的不利影響。因此,設(shè)計鼻錐時應(yīng)在水平面采用較大的曲率半徑,使其寬度較寬;在縱剖面內(nèi)的型線應(yīng)按縱向?qū)ΨQ面上的型線形狀沿水平方向緩慢變化,使其實現(xiàn)了扁梭形的外形。(3)車輛前端設(shè)計1.3氣動性能分析高速列車的空氣動力學(xué)性能很大程度是由車頭形狀決定的,適當(dāng)?shù)卦O(shè)計車頭,能極大地改善列車的阻力、升力、橫向力、會車壓力波以及隧道通過性。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)基本氣動性能:列車尖鼻頭的車型在氣動性能方面比寬鼻頭的車型要優(yōu)越。單拱車型性能要略勝于雙拱車型的性能。橫風(fēng)氣動性能:流線型長度的增加可以改善列車在橫風(fēng)下的氣動性能;尖鼻頭的車型要優(yōu)于寬鼻頭車型。會車氣動性能:寬扁型頭部列車會車時壓力波較小。由上述分析可以得出車頭造型是改善列車氣動性能最主要的決定性因素。列車外形設(shè)計,考慮的綜合因素十分復(fù)雜,并且外形表面必須是高級曲面,保證列車表面的平順,所以車頭造型難度大,是比較復(fù)雜的設(shè)計。設(shè)計者要有極高的審美能力和造型能力,才能設(shè)計出符合要求美觀大方的列車頭型。1.4crh6型城際動車組的外輪廓設(shè)計根據(jù)上述高速列車外形與空氣動力學(xué)性能關(guān)系分析,根據(jù)列車運營要求,確定出列車頭型的細(xì)長比,CRH6型城際動車組車頭外形的細(xì)長比λL約為1.26(L取4000mm,S=BH,B取3300mm,H取3860mm),圖1所示CRH6型動車組車頭外形尺寸圖。再在細(xì)長比的基礎(chǔ)上進行外形輪廓設(shè)計,使得CRH6型城際動車組整車為雙拱流線型外形,采用較大的細(xì)長比,使整車阻力小,同時列車交會壓力波也小。鼻錐在縱剖面內(nèi)的型線按縱向?qū)ΨQ面上的型線形狀沿水平方向流線變化,使其整體為尖梭形的流線型外形,這樣迎面氣流大部分流向列車頂部,而流向兩側(cè)的氣流較少,可以減輕交會壓力波產(chǎn)生的不利影響。接下來通過CRH6型城際動車組空氣動力學(xué)試驗來進一步驗證說明。2試驗結(jié)果從頂層設(shè)計目標(biāo)出發(fā),滿足城際列車大載客量要求,頭型減短,增加客室空間,氣動性能需要合理配置,滿足200km/h的運營要求。CRH6型動車組列車外形,設(shè)計了3個方案,如圖2所示,并對3種備選方案,進行仿真分析、風(fēng)洞試驗,研究各個設(shè)計方案的氣動性能?？諝鈩恿W(xué)規(guī)范規(guī)定:列車空氣阻力一般用阻力系數(shù)CX衡量。在無環(huán)境風(fēng)影響條件下,不同運行速度列車的CX值應(yīng)不超過表1規(guī)定值。阻力比較:試驗結(jié)果如圖3所示,①CRH6型車最高速度為220km/h,3個方案空氣阻力都沒有超過空氣動力學(xué)規(guī)范規(guī)定。②頭型流線型長度對空氣阻力影響顯著。方案1的頭型長度達到4m,長細(xì)比較其他方案較大,氣動阻力最優(yōu)。尾車升力比較:試驗結(jié)果方案1尾車升力較優(yōu),如圖4所示。200km/h運行速度,尾擺效應(yīng)對軸重的影響較小。側(cè)力比較:試驗結(jié)果,頭車側(cè)向力遠(yuǎn)大于中間車、尾車,側(cè)力評價以頭車為主。方案1頭車和尾車側(cè)力較小,如圖5所示。交會壓力波:試驗結(jié)果如圖6所示,方案1明線交會壓力波小于±4kPa。方案1,200km/h50m2隧道通過,80m2隧道交會,160km/h42m2隧道通過,76m2隧道交會,交會壓力波均小于±4kPa。氣動噪聲:試驗結(jié)果如圖7所示,各方案,氣動噪聲A計權(quán)聲壓級均小于75dB。方案1在各個速度級的氣動噪聲級均較低。最后方案選擇:通過空氣動力學(xué)仿真分析,方案1:頭型長度為4m,增加客室空間,滿足大載客量要求;鼻錐造型選擇扁寬型設(shè)計滿足設(shè)備安裝空間要求;前窗和側(cè)窗滿足司機視野需求,滿足UIC561標(biāo)準(zhǔn)要求;滿足200km/h城際車運營要求;氣動性能最優(yōu),所以采用方案1為CRH6型城際動車組外形方案。3骨架外造型設(shè)計車頭內(nèi)部骨架的設(shè)計以車頭外形造型為基礎(chǔ),按斷面形狀變化縱骨架形成環(huán)狀,與橫骨架叉焊組成,如圖8所示。外形造型設(shè)計的時候要兼顧到內(nèi)部骨架以及氣動外形的分塊組焊。列車頭部前窗、側(cè)窗、開閉機構(gòu)、排障器、車門等位置和形狀也直接影響車頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計。4列車頂部結(jié)構(gòu)的被動安全設(shè)計設(shè)計高速列車外形時,只有全面考慮列車頭部所受到的各種載荷、認(rèn)真分析可能出現(xiàn)的各種工況、對實際可能出現(xiàn)的情況準(zhǔn)確的進行模擬才能保證其安全性。同時,由于高速列車結(jié)構(gòu)的輕量化要求,使車體結(jié)構(gòu)強度的儲備裕度比常規(guī)頭車少,如何抵御沖擊、碰撞等強動載作用,因此,需要對頭部結(jié)構(gòu)進行被動安全設(shè)計,以符合國際鐵路聯(lián)盟制定的UIC651標(biāo)準(zhǔn)的要求。CRH6型城際動車組列車外形空氣動力學(xué)流線型頭部,有排障裝置,如圖9所示。這種空氣動力學(xué)流線型頭部,除了為列車正面部分定形和提供保護外,可保證列車駕駛員不受飛來之物的侵害(符合UIC651標(biāo)準(zhǔn)的要求),而且可為風(fēng)擋玻璃、側(cè)窗和車外燈等部件提供保護支持。排障器可承受鐵道部技術(shù)規(guī)范中要求的137kN的靜載沖擊能力。排障器如圖10所示。5高速車輛的外觀和駕駛員的安全5.1內(nèi)操作空間大小CRH6型城際動車組車外形尺寸大小要充分考慮駕駛員的駕駛空間,以及人機工程學(xué)方面的驗證。設(shè)計駕駛室的活動空間大小時,首先要滿足司機有合適的駕駛空間,太大會使駕駛員操作很費力,太小則會妨礙其安全駕駛。根據(jù)UIC651標(biāo)準(zhǔn)的要求,CRH6型城際動車組內(nèi)部操作空間大小如圖11所示:駕駛室寬敞,在站立位置各點可以接近并且允許1600mm的凈空高度。在站立位置可接近的任何一點處,凈空高度不小1850mm。沿駕駛員就座時視線平面縱向測量,前窗內(nèi)表面與處于駕駛員座椅后面的最近物體(墻、門、櫥等)之間,駕駛室有2645mm左右,大于1500mm的最小深度。從駕駛員眼睛到駕駛員座椅前部前窗的距離約為1025mm左右,在500mm和1160mm之間,符合要求。駕駛室內(nèi)的空氣量大于最小1×10mm3符合要求。5.2駕駛姿態(tài)的測量過程為了保證行車安全,應(yīng)使駕駛員有良好的嘹望視野。因此,要進行人機工程分析需要用合理的方法來確定動車乘務(wù)員的嘹望視野,根據(jù)視野范圍有效的設(shè)計前窗、刮雨器等。首先,根據(jù)UIC651標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)駕駛員以坐姿或站姿駕車時,他眼睛的位置以一個參照表面來描述,參照表面的中心位于駕駛臺縱向軸上。根據(jù)UIC651標(biāo)準(zhǔn),定義的駕駛姿勢,其參照表面的上限和下限是由所考慮的最矮和最高駕駛員實際的眼睛位置決定的。對于其他姿勢,其參照表面的極限值必須按UIC651中給定的人體測量數(shù)據(jù)來確定。然后,根據(jù)相應(yīng)的姿勢建立坐標(biāo)系,繪出相應(yīng)的眼橢圓樣板(一般取95百分位眼橢圓)。關(guān)于眼橢圓的定位、眼橢圓中心的求法以及眼橢圓樣板,按照國際標(biāo)準(zhǔn)ISO4513-1978(C)規(guī)定執(zhí)行。(1)駕駛采用crh6型城際動車組的視角前方嘹望視野必須滿足UIC651的相關(guān)要求,保證駕駛員能看見前方10000mm及10000mm以外的高柱信號以及15000mm處的矮柱信號。圖12所示為CRH6型城際動車組駕駛室前方瞭望視野。A表示駕駛員坐姿時觀察15000mm處矮柱信號機的視野;B表示駕駛員站姿時觀察10000mm處高柱信號機的視野。同時,動車駕駛員前方瞭望視野的大小以及前窗立柱形成的盲區(qū),直接影響對行車信號的觀察和行車安全。為此,在進行動車司機室設(shè)計時應(yīng)對前方瞭望視野及前窗立柱盲區(qū)進行校核。(2)因視角速度過大而產(chǎn)生的可駕駛性前面所述的前方視野是靜態(tài)條件下的視野。但實際上,只有車輛行駛時才有可能發(fā)生事故。因此,應(yīng)對動態(tài)視野作進一步的探討。為了擴大前方視野,前窗下緣應(yīng)盡量低。但是前窗下緣如果過低,就會導(dǎo)致當(dāng)列車以高速駕駛時使駕駛員產(chǎn)生恐慌和發(fā)暈的感覺,這是由于視角速度過大的緣故。視角速度公式如下:ω=hx2+h2v(2)ω=hx2+h2v(2)式中ω為視角速度;h為視點高度;x為視線與地面的交點至視點中心的水平距離;v為車速。從公式(2)可知,視點高度不變,車速越高則視角速度越大。同樣的行駛車速,前窗下緣過低造成x減小,因而視角速度大。經(jīng)過試驗認(rèn)為ω≤2rad/s為舒適的駕駛視野范圍;2rad/s<ω<4rad/s為不舒適的駕駛視野范圍;ω≥4rad/s為具有恐怖感的駕駛視野范圍。以高個駕駛員坐姿為例,CRH6型城際動車組的前方動態(tài)嘹望最大視角速度ωmax約為0.0018rad/s(x取19000mm,h取3460mm,v取200km/h),ωmax≤2rad/s,所以為舒適的駕駛視野范圍。6列車外包的技術(shù)要求高速列車外形設(shè)計對設(shè)計師的知識和能力要求極高,不僅要懂美學(xué)、造型美觀、簡約、凝練、時尚等人文方面的知識;而且要懂列車外形與空氣動力學(xué)性能關(guān)系,列車頭型內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外形結(jié)構(gòu)的關(guān)系,列車被動安全防護結(jié)構(gòu)道路排障要求,列車駕駛員駕駛空間的要求,以及人機工程等工程技術(shù)方面的要求。在做高速列車外形設(shè)計時,第1步要根據(jù)線路運營要求,確定出列車頭型的細(xì)長比,既流線型車頭長度和列車橫截面積;第2步根據(jù)列車的橫截斷面輪廓和流線型車頭長度確定的前提下,進行有效頭部外形輪廓設(shè)計來改善空氣動力學(xué)性能;第3步進行鼻錐和車頭頂部設(shè)計,確定