高速列车头部流线型外形及结构工艺设计 - 文章

高速列车头部流线型外形及结构工艺设计

作者：同济大学李文桥

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摘要：通过对高速列车流线型头部钢结构的设计过程进行分析，指出高速列车采用流线型结构的必要性，介绍了流线型外形钢结构设计的过程，以及如何利用国内现有设备进行钢结构的工艺设计。
关键词：高速列车，钢结构，流线型，计算机辅助设计，数控加工

1 前言

高速列车是我国铁路技术发展的方向。列车的运行速度越高，其受空气阻力的影响就越大，将产生许多影响列车运行的空气动力学现象。其中最为明显的是气动阻力加大和列车交会时压力波加剧。因此，高速列车采用流线型车头势在必行。设计时在保障具有良好气动性能前提下，要注意外形美观，同时也要考虑到结构设计、司机室内部空间及制造工艺等要求。现对流线型车头的设计过程、难点及解决方法分析如下。

2 高速列车流线型车头的外形设计

在设计高速列车时，头部流线型设计在考虑其外形具有较佳气动性能的基础上，应体现较强的动感和一定的速度感。设计时采用由前下端鼻锥依其切线方向顺势而上形成一单页大曲面延伸至车顶的设计基调。

为使头部外形具有较强的整体感，应尽可能地考虑外形表面光滑、平顺，头部的正、侧面采用大曲面设计。各大曲面间的过渡曲面采用大曲率半径的光滑曲面，各曲面衔接处采用无棱边的平滑过渡方式。

为保证车头整体的流线型，前窗玻璃采用与钢结构外形相协调的大曲面玻璃。而侧窗为司机望窗，需采用横向推拉式可打开的平面窗，为增加视野，侧窗前端加一三角形平面玻璃。为避免直边轮廓与流线型的外形反差过大，在设计时对侧窗窗角做圆角处理，使得整体外形与车窗协调。

2.1 前窗及顶面

前窗下沿高度的确定应从头部外形美观和司机室地板高度对司机视野影响的角度考虑。

前窗玻璃与水平面的倾角受到气动性能、外形以及司机视野的影响，在确定外形曲面时同时考虑倾角小则气动性能好，外形动感强，但倾角过小对司机视野有影响，在整个头部尺寸有限的情况下也会使司机室内部空间变小。

前窗玻璃垂直高度决定了前窗玻璃的大小，过小对司机视野及外形美观均有影响，过大则会给结构设计带来困难，影响钢结构的强度。

为了保证前窗玻璃与钢结构的密贴，采用高强度的粘胶将前窗玻璃与钢结构粘接。通过这种工艺，钢结构的前窗窗口内侧只要伸出一定宽度的大曲面钢板，即可承接粘胶和前窗玻璃，同时粘胶也可以补偿由于制造工艺而产生的钢结构误差。

顶面与客室顶端弧面纵向相切，横向则由车窗上端的平面随曲率半径逐渐减小与顶面和侧面间的过渡曲面平滑连接。

2.2 鼻锥及导流板

鼻锥的高度应根据我国现行机车车辆通用车钩高度以及车钩安装所需空间来确定。

当整个头部为扁梭形时，迎面气流大部分流向列车顶部，而流向两侧的气流较少，从而可以减轻交会压力波产生的不利影响。设计时鼻锥在水平面采用了较大的曲率半径，因此鼻锥的宽度较宽; 鼻锥在纵剖面内的型线也按纵向对称面上的型线形状沿水平方向缓慢变化，较好地实现了扁梭形的外形。鼻锥后部至前窗下沿部分的曲面按鼻锥宽度方向的曲率缓慢变化至车顶，形成一大曲率半径较为平缓的大曲面，以保证头部的扁平。

为了阻挡冲向车底部的气流，应设计导流板。本次设计的是凹槽形状的导流板，在保证导流板后端与前转向架前端间留有足够间隙的前提下，导流板后端距鼻尖为2 500 mm，较长的导流板既对气动性能有利，也增强了头部的整体感。此外，导流板后端采用了曲边轮廓设计，可使导流板前后形状以及与整个头部结构协调一致，并使其下部尽量接近轨面，以便将气流引向车头两侧。

2.3 侧面及侧窗

由于车辆客室部分侧墙为平直面，对头部侧面应采用如下处理: 中部稍微外凸、与过渡曲面连接的区域适当向内收缩，然后逐渐向后过渡至客室侧墙平直面。

由于侧面在侧窗位置处接近平面，故侧窗可采用平面推拉式结构。在侧窗前端加装一块三角形玻璃，可以增加司机视野，同时可增强车头的速度感。

3 高速列车流线型车头的结构设计

3.1 头部结构设计原则

(1) 以外形表面及底架平面为梁结构的设计基准，保证能实现外形设计所要求的流线型外形。
(2) 结构设计应能满足总体布置的要求。
(3) 在满足车体结构强度、刚度前提下，尽量减轻承载结构的自重。
(4) 充分考虑工厂的工艺条件，尽可能地降低结构的工艺难度。

3.2 结构组成

头部钢结构为梁结构加蒙皮。

头部梁结构若采用槽形、角形、乙形等截面型式的压形件，由于蒙皮为三维自由曲面，要使梁与蒙皮内表面形状吻合，采用上述压形件将导致压形件翼板翘曲或腹板扭曲，从而使梁件加工及组装的工艺难度加大。采用矩形截面的板梁，因其无翼板，不存在翼板翘曲或腹板扭曲的问题，可以将其设计为平面曲梁。这样便于梁的制造与结构组装。

对于头部结构受力较大的部位，如侧窗、灯框、前后端梁、窗上梁、窗下梁及主要的纵向梁等重要梁件，采用较大的截面。

而为了减轻头部结构的质量，其他梁件在便于焊接蒙皮的前提下，适当采用较小的截面。

头部钢骨架如图1 所示。

图1 流线型车头钢结构骨架
1 —鼻锥安装位置; 2 —前灯; 3 —前窗; 4 —车顶; 5 —侧
窗; 6 —与底架相连位置; 7 —导流板。

4 高速列车流线型车头的加工工艺设计

4.1 平面梁件的加工

头部钢结构采用的是平面曲梁，梁的厚度和横截面面积均相等。但各梁所处的位置不同，所以梁的边缘曲线除对称位置外均不相同。头部外形确立后，根据头部外形经计算机自动生成梁件的三维立体模型。每一梁件的边缘曲线都不是规则的圆弧或直线，而是由有限多点经AutoCAD 软件中的Spline 命令生成，传统的制图方法很难表达梁件上这么多点的位置，故传统的出蓝图再加工的方式难以达到目的。图2 所示为头部钢结构中的一段曲梁。

为了加工这些平面曲梁，首先在AutoCAD 中对图形数据进行处理，然后利用AutoCAD 与一般的数控加工软件接口，直接输入到数控机床的切割软件，生成可直接在数控机床操纵软件中进行处理的图形数据，使用激光切割机等大型数控加工设备，进行平面切割。

图2 头部钢结构中的一段曲梁图3 梁件的交叉

4.2 平面梁件的组装

平面梁件的组装是将数控机床线切割加工后的梁件进行组装焊接。

(1) 梁件的定位

由图1 可以看出，钢结构骨架的每根梁都与坐标平面XY 或YZ 、ZX 平行，各梁件在3 个坐标轴X 、Y、Z 方向的间距相等，因此，只要先固定好最边缘的几根梁，再按坐标排列其它的梁就可以了。但要分清每根梁的位置，在图形处理时需给每根梁标号，加工过程中在每根梁上做出标记，以免出错。

(2) 梁件的交叉固定

钢结构骨架中的每根梁件都是与相关的梁交叉的，如图3 所示。因此，在梁加工时，要在交叉的位置根据交叉处的坐标预先开好交叉口，图形的处理在AutoCAD 中进行。应该注意每个交叉口应根据梁件交叉位置和角度的不同而不同。

4.3 蒙皮的焊接

蒙皮一般采用115～2mm 厚的钢板。目前国内并无专用的设备将蒙皮弯曲成需要的形状，因此需要将蒙皮根据钢骨架的外形分成较小的几块，手工敲出需要的形状，蒙在对应的位置，然后在蒙皮内侧与钢骨架接触处焊接到钢骨架上。

4.4 前窗玻璃、前灯玻璃和侧窗的安装

前窗、前灯玻璃要由专门生产玻璃的厂家生产，其外形应与车头刚结构的外形相符。安装时采用胶接的方式，使用高强度的粘胶，直接粘接到钢结构相应位置的骨架上。侧窗安装方法与普通车窗安装方法相同。

4.5 鼻锥的制作与安装

鼻锥是车头比较重要的部分，材料为玻璃钢，由专业厂家开模制作。开模时参照鼻锥外形的网格图。在制作时鼻锥内部加入相应的钢制挂钩、铁板等，以便于与钢结构联挂。

至此，流线型车头的钢结构制作工艺基本完成了。其它诸如刮腻子、油漆、内部装修等与普通的工艺差别不大。

5 结论

本文从高速列车流线型车头的外形设计、结构设计和加工工艺设计等方面进行了讨论。高速列车车头的流线型外形设计应综合考虑其气动性能和外形美观等方面，而结构设计方面主要考虑的是结构强度及如何降低工艺难度，加工工艺设计主要考虑其定位基准和拟采用的加工方法。设计过程涉及空气动力学、计算机辅助设计、计算机辅助制造等方面。

参考文献
1 S. R. Ahmed， R. G. Gawthorpe， P. A. Mackroodt. Aerodynamics of road and rail vehicles， Vehicle System Dynamics， 14(1985)
2 梁习峰1200 km/ h 电动旅客列车组—控制车外形设计研究报告119981
3 长沙铁道学院，南京浦镇车辆厂1200 km/ h 电动车组气动外形及结构设计研究报告119991
4 长沙铁道学院，南京浦镇车辆厂1200 km/ h 电动车组动力车结构强度分析报告119991(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (8/3/2007)


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