又潮又酷的高铁车头 背后蕴含着哪些科技含量?
2019-02-25 来源：工人日报
逾3200个动车标准组震撼集结，奔驰在神州大地——2019年春运，高铁动车占铁路开行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？其背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，已率队为中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”，首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，比如空气阻力、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，空气阻力可谓“头号劲敌”。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。
大家坐火车都有过这种体验：当对面列车疾驰而过时，伴随一声呼啸，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。列车过隧道时，也会引起隧道内空气压力急剧波动，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。
“比如，我们研发的复兴号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。当列车高速运行时，气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，他们在高铁车头的两侧设置有导流槽，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”，牢牢抓住轨道，保障列车贴地飞行。
获取“高颜值”路上的艰难跋涉
每一种高铁车型，都有自己的专属“头型”，以中车长客产品为例，和谐号的圆润鼓溜，看起来灵动可爱，俗称“小海豹”；复兴号CR400BF的轻盈细长，车灯如凤眼，腰线似凤羽，名为“金凤凰”；而正抓紧生产的京张高铁“瑞雪迎春”，其“头型”灵感则源于敏捷有力的“鸟中之王”，唤作“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”，必定要经过千挑百选、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。我们先从中选出了几十个，再根据空气动力学进行计算与评审，展开第二轮甄选，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”，艺术设计可以天马行空，工艺却要考虑能否实现，即如何把技术与艺术完美融合到车头上。
时速350公里的标动CR400BF有两条比较尖锐的棱线贯穿车肩，使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实难度其实非常大，因为高铁铝板材的折角锐度如果不够大，棱线在长长的车头上就几乎看不出来。
“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圆弧，不尖锐。我们广泛研究各行各业的新技术，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鲜有应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，也难度重重。以前“小海豹”的车灯放在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”却需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，工作人员一方面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”；一方面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。
“扒一扒”那些看不见的秘密
动车一列标准组有两个车头，一个在前，一个在后，列车调头时，车尾变车头即可。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，就在车鼻头的盖板下。这个盖板平时处于关闭状态，需要重联时，盖板就会自动打开露出里面的车钩系统，连挂和分解均无须人工操作。
其实，“金凤凰”鼻头盖板下，还隐藏着中国标动的另一项自主创新——与和谐号不同，复兴号的鼻头盖板下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张图纸。”许鹏说。
高铁车头制造过程中，还有很多大家看不见的秘密。比如，复兴号车头更长，但铝合金的热膨胀系数是碳钢的两倍，越长的焊接，变形越大，车头加长后，焊接中就出现了各种复杂变形。
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，同时，改变焊接方式，减少焊接的热输入量，比如长大焊缝采用分段退焊的方法等。此外，我们还对焊缝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。”
