基于CRH6型列车研制对高速列车外形设计的研究

王添旗

（中国南车集团 南京浦镇车辆有限公司 动车设计部，江苏南京210031）

目前世界各国高速铁路的发展，高速列车外形设计是各车型设计的一种关键技术。列车外形设计，整个设计过程复杂特殊，要反复试验验证。设计师要具备美学艺术造型的才能、空气动力学知识、结构设计知识以及人机工程学等知识。高速列车外形设计，不但对设计师的造型能力、创新能力要求相当高；而且要满足工程技术方面的要求，考虑的综合因素十分复杂，外形结构造型难度大，是列车车型结构设计的一种关键技术。

本文基于CRH6型城际动车组列车外形设计的整个过程，又分别从列车外形与空气动力学性能的关系、车头造型、车头内部结构设计与外形曲面结构设计的关系、高速列车头部外形结构与安全性、人机工程等工程技术方面进行分析，对高速列车外形设计有很高的参考价值。

1 高速列车头部外形与空气动力学性能的关系

列车运行速度越高，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，而列车头部外形对列车的气动性能起决定作用。

1.1 空气—列车的流固关系

空气—列车的流固关系是高速列车外形设计必须考虑的重要性能指标之一［1］。从空气—列车流固耦合动力学方面讲，外形设计应遵循如下一般原则：①降低列车阻力、列车升力尽可能接近零，减小横向力和降低气动噪声；②合理的压力分布；③过隧道有较小的压力波动，列车有较小的振动；④减小列车风，降低对线路附近人和物的影响，以及由列车风引起的环境问题；⑤减小列车会车时的流固耦合冲击波。

1.2 头部结构的主要控制尺寸与空气动力学性能

据研究表明，采用合理的流线化外型设计后的头车，其会车压力波、空气阻力及气动噪声也都比常规头车小，因而高速动车头车采用合理的流线化外形设计能保证列车有良好的气动性能。为了评估不同车头部外形的气动性能，定义了表示其形状特征的“细长比λ”［2］。目前通常采用长度法定义，即：

式中λL为用长度法定义的细长比；L为车头流线化部分长度；S为车身横截面积。

大量的风洞试验证明，对于不同的车型，头部细长比越大整车阻力越小，同时列车交会压力波也越小。然而，从气动性能来说，在车头流线形长度相同的情况下，气动阻力和列车交会压力波对外形的要求是矛盾的，所以设计车头具体的外形尺寸参数时必须兼顾两者之间的关系。通常，车头结构的流线化特征主要由以下几方面尺寸控制来描述：

（1）动车头部外形轮廓线设计

车头外形轮廓线设计参照文献［2］，本文不重复描述。

（2）鼻锥设计

从空气动力学角度考虑，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，这样可以减轻交会压力波产生的不利影响。因此，设计鼻锥时应在水平面采用较大的曲率半径，使其宽度较宽；在纵剖面内的型线应按纵向对称面上的型线形状沿水平方向缓慢变化，使其实现了扁梭形的外形。

（3）车头顶部设计 车头车顶圆弧应合理取值，要有利于结构实现流线化，同时车顶拐角的三维曲面，会给加工造成一定的困难，选取时要充分考虑。

1.3 列车头部造型与空气动力学性能

高速列车的空气动力学性能很大程度是由车头形状决定的，适当地设计车头，能极大地改善列车的阻力、升力、横向力、会车压力波以及隧道通过性。

经研究发现基本气动性能：列车尖鼻头的车型在气动性能方面比宽鼻头的车型要优越。单拱车型性能要略胜于双拱车型的性能 。横风气动性能：流线型长度的增加可以改善列车在横风下的气动性能；尖鼻头的车型要优于宽鼻头车型。会车气动性能：宽扁型头部列车会车时压力波较小［1］。

由上述分析可以得出车头造型是改善列车气动性能最主要的决定性因素。列车外形设计，考虑的综合因素十分复杂，并且外形表面必须是高级曲面，保证列车表面的平顺，所以车头造型难度大，是比较复杂的设计。设计者要有极高的审美能力和造型能力，才能设计出符合要求美观大方的列车头型。

1.4 CRH 6型动车组列车外形与空气动力学分析

根据上述高速列车外形与空气动力学性能关系分析，根据列车运营要求，确定出列车头型的细长比，CRH6型城际动车组车头外形的细长比λL约为1.2 6L取4 000 mmS＝BH B取3 300 mmH取3 860 mm），图1所示CRH6型动车组车头外形尺寸图。再在细长比的基础上进行外形轮廓设计，使得CRH6型城际动车组整车为双拱流线型外形，采用较大的细长比，使整车阻力小，同时列车交会压力波也小。鼻锥在纵剖面内的型线按纵向对称面上的型线形状沿水平方向流线变化，使其整体为尖梭形的流线型外形，这样迎面气流大部分流向列车顶部，而流向两侧的气流较少，可以减轻交会压力波产生的不利影响。接下来通过CRH6型城际动车组空气动力学试验来进一步验证说明。

图1 CRH6型动车组车头外形尺寸图

2 CRH 6型动车组外形空气动力学试验验证

从顶层设计目标出发，满足城际列车大载客量要求，头型减短，增加客室空间，气动性能需要合理配置，满足200 km／h的运营要求。CRH6型动车组列车外形，设计了3个方案，如图2所示，并对3种备选方案，进行仿真分析、风洞试验，研究各个设计方案的气动性能。

图2 CRH6型动车组列车外形3种方案空气动力学性能分析

空气动力学规范规定：列车空气阻力一般用阻力系数C X衡量［3］。在无环境风影响条件下，不同运行速度列车的C X值应不超过表1规定值。

阻力比较：试验结果如图3所示，①CRH6型车最高速度为220 km／h，3个方案空气阻力都没有超过空气动力学规范规定。②头型流线型长度对空气阻力影响显著。方案1的头型长度达到4 m，长细比较其他方案较大，气动阻力最优。

表1 各种运行速度列车空气阻力系数CX允许最大值

图3 CRH6型动车组列车外形3种方案空气阻力试验结果

尾车升力比较：试验结果方案1尾车升力较优，如图4所示。200 km／h运行速度，尾摆效应对轴重的影响较小。

图4 CRH 6型动车组列车外形3种方案尾车升力比较

侧力比较：试验结果，头车侧向力远大于中间车、尾车，侧力评价以头车为主。

方案1头车和尾车侧力较小，如图5所示。

图5 CRH6型动车组列车外形3种方案侧力比较

交会压力波：试验结果如图6所示，方案1明线交会压力波小于±4 k Pa。方案1，200 km／h 50 m2隧道通过，80 m2隧道交会，160 km／h 42 m2隧道通过，76 m2隧道交会，交会压力波均小于±4 k Pa。

图6 CRH6型动车组列车外形3种方案交会压力波比较

气动噪声：试验结果如图7所示，各方案，气动噪声A计权声压级均小于75 d B。方案1在各个速度级的气动噪声级均较低。

图7 CRH6型城际动车组列车外形3种方案气动噪声比较

最后方案选择：通过空气动力学仿真分析，方案1：头型长度为4 m，增加客室空间，满足大载客量要求；鼻锥造型选择扁宽型设计满足设备安装空间要求；前窗和侧窗满足司机视野需求，满足UIC 561标准要求；满足200 km／h城际车运营要求；气动性能最优，所以采用方案1为CRH6型城际动车组外形方案。

3 CRH6型城际动车组列车外形设计与内部结构设计的关系

车头内部骨架的设计以车头外形造型为基础，按断面形状变化纵骨架形成环状，与横骨架叉焊组成，如图8所示。外形造型设计的时候要兼顾到内部骨架以及气动外形的分块组焊。列车头部前窗、侧窗、开闭机构、排障器、车门等位置和形状也直接影响车头内部结构的设计。

图8 以车头外形结构为基础的内部结构设计

4 CRH6型城际动车组头部外形结构与安全性

设计高速列车外形时，只有全面考虑列车头部所受到的各种载荷、认真分析可能出现的各种工况、对实际可能出现的情况准确的进行模拟才能保证其安全性［4］。同时，由于高速列车结构的轻量化要求，使车体结构强度的储备裕度比常规头车少，如何抵御冲击、碰撞等强动载作用，因此，需要对头部结构进行被动安全设计，以符合国际铁路联盟制定的UIC 651标准的要求［5］。

CRH6型城际动车组列车外形空气动力学流线型头部，有排障装置，如图9所示。这种空气动力学流线型头部，除了为列车正面部分定形和提供保护外，可保证列车驾驶员不受飞来之物的侵害（符合UIC651标准的要求），而且可为风挡玻璃、侧窗和车外灯等部件提供保护支持。排障器可承受铁道部技术规范中要求的137k N的静载冲击能力。排障器如图10所示。

图9 CRH6型城际动车组流线型头部

图10 CRH6型城际动车组排障器装置

5 高速动车外形与驾驶安全性

5.1 CRH 6型城际动车组驾驶空间与作业安全

CRH6型城际动车组车外形尺寸大小要充分考虑驾驶员的驾驶空间，以及人机工程学方面的验证。设计驾驶室的活动空间大小时，首先要满足司机有合适的驾驶空间，太大会使驾驶员操作很费力，太小则会妨碍其安全驾驶。

根据UIC 651标准的要求，CRH6型城际动车组内部操作空间大小如图11所示：驾驶室宽敞，在站立位置各点可以接近并且允许1 600 mm的净空高度。在站立位置可接近的任何一点处，净空高度不小1 850 mm。沿驾驶员就座时视线平面纵向测量，前窗内表面与处于驾驶员座椅后面的最近物体（墙、门、橱等）之间，驾驶室有2 645 mm左右，大于1 500 mm的最小深度。从驾驶员眼睛到驾驶员座椅前部前窗的距离约为1 025 mm左右，在500 mm和1 160 mm之间，符合要求。驾驶室内的空气量大于最小1×10 mm3符合要求。

5.2 CRH 6型城际动车组瞭望视野与作业安全

为了保证行车安全，应使驾驶员有良好的嘹望视野。因此，要进行人机工程分析需要用合理的方法来确定动车乘务员的嘹望视野，根据视野范围有效的设计前窗、刮雨器等。

首先，根据UIC 651标准，当驾驶员以坐姿或站姿驾车时，他眼睛的位置以一个参照表面来描述，参照表面的中心位于驾驶台纵向轴上。根据UIC 651标准，定义的驾驶姿势，其参照表面的上限和下限是由所考虑的最矮和最高驾驶员实际的眼睛位置决定的。对于其他姿势，其参照表面的极限值必须按UIC 651中给定的人体测量数据来确定。然后，根据相应的姿势建立坐标系，绘出相应的眼椭圆样板［6］（一般取95百分位眼椭圆）。关于眼椭圆的定位、眼椭圆中心的求法以及眼椭圆样板，按照国际标准ISO4513－1978（C）规定执行。

（1）前方静态嘹望视野

前方嘹望视野必须满足UIC 651的相关要求，保证驾驶员能看见前方10 000 mm及10 000 mm以外的高柱信号以及15 000 mm处的矮柱信号。图12所示为CRH6型城际动车组驾驶室前方瞭望视野。A表示驾驶员坐姿时观察15 000 mm处矮柱信号机的视野；B表示驾驶员站姿时观察10 000 mm处高柱信号机的视野。

同时，动车驾驶员前方瞭望视野的大小以及前窗立柱形成的盲区，直接影响对行车信号的观察和行车安全。为此，在进行动车司机室设计时应对前方瞭望视野及前窗立柱盲区进行校核［7］。

图11 CRH6型城际动车组内部操作空间

图12 CRH6型城际动车组列车前方瞭望视野

（2）动态前方视野

前面所述的前方视野是静态条件下的视野。但实际上，只有车辆行驶时才有可能发生事故。因此，应对动态视野［6］作进一步的探讨。为了扩大前方视野，前窗下缘应尽量低。但是前窗下缘如果过低，就会导致当列车以高速驾驶时使驾驶员产生恐慌和发晕的感觉，这是由于视角速度过大的缘故。视角速度公式如下：

式中ω为视角速度；h为视点高度；x为视线与地面的交点至视点中心的水平距离；v为车速。

从公式（2）可知，视点高度不变，车速越高则视角速度越大。同样的行驶车速，前窗下缘过低造成x减小，因而视角速度大。经过试验认为ω≤2 rad／s为舒适的驾驶视野范围；2 rad／s＜ω＜4 rad／s为不舒适的驾驶视野范围；ω≥4 rad／s为具有恐怖感的驾驶视野范围［2］。

以高个驾驶员坐姿为例，CRH6型城际动车组的前方动态嘹望最大视角速度ωmax约为0.001 8 rad／s（x取19 000 mm，h取3 460 mm，v取200 km／h），ωmax≤2 rad／s，所以为舒适的驾驶视野范围。

6 结束语

高速列车外形设计对设计师的知识和能力要求极高，不仅要懂美学、造型美观、简约、凝练、时尚等人文方面的知识；而且要懂列车外形与空气动力学性能关系，列车头型内部结构与外形结构的关系，列车被动安全防护结构道路排障要求，列车驾驶员驾驶空间的要求，以及人机工程等工程技术方面的要求。在做高速列车外形设计时，第1步要根据线路运营要求，确定出列车头型的细长比，既流线型车头长度和列车横截面积；第2步根据列车的横截断面轮廓和流线型车头长度确定的前提下，进行有效头部外形轮廓设计来改善空气动力学性能；第3步进行鼻锥和车头顶部设计，确定头型是扁梭形还是其他形状，确定出有利于空气动力学性能的头型。第4步进行整个头部造型的塑造，在这阶段要确定出侧窗、前窗、车灯、排障器、开闭机构等位置及形状，使列车外形在满足各项要求的前提下尽可能的美观。第5步进行试验验证挑选方案，要进行仿真分析、风洞试验，进行研究各个设计方案的气动性能，挑选最符合要求的方案。如果各方案都达不到要求，根据分析情况，在设计的前4步骤中改进，使得最后达到要求。

［1］田红旗.列车空气动力学［M］.北京：中国铁道出版，2007.

［2］闫 颖，方卫宁，高速列车头部外形设计探讨［D］.北京：北京交通大学机械与电子控制工程学院，2006.

［3］铁运ρ［2008］28号.关于印发《高速动车组整车试验规范》通知——高速列车空气动力学性能计算和试验鉴定暂行规定［S］.

［4］刘建新，高速动力车头部结构的安全性探讨［J］.机车电传动，2000，（3）：7－9.

［5］UIC 651－1994.机车、动车、动车组和驾驶拖车的列车设计［S］.

［6］温吾凡.汽车人体工程学［M］.长春：吉林科学技术出版社，1991.

［7］方卫宁，郭北苑，戴明森.机车乘务员坐姿视野判定方法的研究［J］.铁道学报，2000，22（5）：28－32.