管全梅：又快又稳又舒适，动车组如何打造“金色名片”？

科普中国-我是科学家 2019-06-06

　　更强、更轻、更安全，工程师如何打造动车组这张国家的“金色名片”？中车唐山机车车辆有限公司产品研发中心高级工程师管全梅跟大家分享高速动车组车体设计的故事。

　　以下为管全梅演讲实录：

　　我叫管全梅，来自中车唐山机车车辆有限公司，是一名动车组车体结构设计师。

　　和大家一样，我也是动车组的乘客，感受过它带来的便利。我的老家在大西北的青海省，以前我回家坐普速客车，从北京到西宁要21个小时；有了动车组，即使加上中间转车的时间，也只需要10个小时。

　　动车组缩短了城市和城市之间的距离，也改变了我们的生活方式。西安到成都，地图上看很近，但俗话说：蜀道难，难于上青天。以前从西安到成都，坐火车大概需要16个小时；但2017年12月6日，西安到成都的高铁开通以后，这个时间缩短到了3个小时。大家可以想象，早上可以在西安吃一碗羊肉泡馍，中午就能到成都看大熊猫，晚上还可以去重庆吃火锅——这生活，确实很方便。

　　作为动车组列车的设计师，我有一点小小的职业病：坐动车组的时候，上了车就喜欢看看这、看看那，尤其是遇到新款车型或者由国内外同行制造的动车组。

　　看什么？

　　就是看别人设计的车的结构跟我们设计的有什么不一样，或者说有没有什么可借鉴或取长补短的地方。

　　动车组在大家的眼里，和在我们设计师的眼里是不一样的。

　　大家眼中的动车组可能是这样的——

　　这是一款由中国铁路总公司牵头组织研制的、时速在350公里的标准化动车组。左边是动车组的外观，右边是它的内饰。

　　或者这样的——

　　这是我们公司2018年推出的“复兴号”的家族新成员，因为它有翠绿色的涂装，所以被大家称为“绿巨人”。

　　大家看到的是动车组的整体，外面都已经涂装好了漂亮的颜色，内部也已经安装好了地板、墙板、顶板、座椅和行李架等。

　　而作为一名车体结构设计师，我眼里的动车组是这样的——

　　常见的动车组车体就这两种形式：

　　上面两张图，是一种由长大挤压铝合金型材拼焊而成的车体，它的材料是铝合金，所以我们看到的车体的外观还有内部，都是铝合金的本色——银白色。

　　下面两张图，是由耐候钢或不锈钢组焊而成的板梁结构的车体。这类车体是砖红色，其实不锈钢和耐候钢的本色也是发亮的那种；但是耐候钢在空气中容易被腐蚀，所以车体组焊、制造完成后，就要在它的外面涂一层砖红色的重防腐漆。

　　这是车体的设计框架图。这张图画的是铝合金车体，其中每一种颜色代表一块型材，所以侧墙（右上图）由5种型材组焊而成，底架（右下图）由4种7块铝型材组焊而成。完成侧墙、底架这样的小部件以后，再把它们组焊为整个车体，最终形成一个铝合金的筒形结构（左图）。

　　这是耐候钢车体还没有加墙板的框架图，看着是不是很炫酷？其实它跟铝合金车体很相似，也是从一根梁、一根柱开始慢慢组焊，焊到小模块，然后到大模块，接着到部件，最后再到整车——有点像小孩子搭积木。

　　车体就像房子的框架，又像人体的骨骼。它既是列车运输的载体，又是安装与连接列车上其他组成部件的基础。

　　以时速350公里动车组的二等座车为例，一辆车体的重量是11吨左右，安装这么多的系统部件后，大概能达到56吨；加上乘客（二等座车可以乘坐90个人，每个人按80公斤算，乘客的总重量就是7.2吨），总共有63吨左右——相当于用11吨的车体去承载将近32吨（除去转向架的重量约20吨）的重量。

　　此外，动车组在运行过程中，还要承受启动、变速和上下坡时，车辆之间产生的牵引和压缩冲击力，以及风压力、离心力等等作用力。所以，车体很关键，必须要保证它的安全性、可靠性和舒适性——因此，它既要结实，又要轻巧。

　　那么，一个好的车体，需要满足什么条件？

　　从专业角度，一个好车体需要满足强度、刚度、模态、气密性、轻量化等基本要求。

　　以高速动车组的头车为例，先介绍一下车体的构成：动车组车体长25.5米，宽3.36米，高3.1米；头车再加一个司机室，要更长一些。车体由底架、侧墙、端墙、车顶和司机室构成，它的断面（图右）是一个筒形承载的结构——这种结构的强度和刚度特别好。

　　强度跟安全有关，怎样做才能满足车体的强度？

　　首先，要选择高强度的材料——我们现在选择的是焊接性很好、强度也很高的挤压铝合金型材，每批型材都要通过很多的例行试验和型式试验的测试，保证材料的力学性能能够满足车体强度需求。

　　此外，在进行车体结构设计的时候，不仅要根据部件的受力路径来考虑平台的设计，还要考虑结构的设计。设计过程中，也会通过模拟仿真的手段，来验证强度是否能满足标准要求。

　　最终制造完成以后，实体整车要上试验台进行静态和动态的强度实验，试验合格才能证明车体的强度没有问题。

　　除了这些，大家可能注意到了，我在前面的介绍中多次提到一个词：焊接。

　　焊接是什么呢？它是车体制造过程中的一项关键特殊技术，指被焊工件（同种材质或不同材质）通过加热或加压的方法（或两者并用），采用或不采用填充金属，使被焊工件达到原子间结合而形成永久性连接的工艺过程。简单地说，就是把两个部件融合在一起，形成一个整体。

　　对于车体的焊接，我们单位有一套完整的体系来管理，保证每条焊缝从焊接接头、焊接形式、焊接等级设计——焊接试件——焊后PT检测都有完整的标准文件来指导，从而确保质量达标。

　　下面来说刚度和模态，模态是结构系统的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。为什么车体要考虑刚度和模态？或者说，如果车体不考虑刚度和模态会怎么样？

　　举个例子，如果车体和乘客座椅的模态相近，列车运行的时候，就容易发生共振，带来一个大的变形或者应变力，这时乘客坐在座椅上就会感觉特别不舒服，时间长了，还可能会对车体或者座椅的主题结构造成破坏。所以我们要把“车体模态”纳入考虑，避免它跟车上安装的其他系统包括车下的转向架之间发生共振。

　　模态是结构的一种特性，但是车体的结构是可设计的——我们可以通过结构的设计来调整它的模态，去避开这个频段。

　　大家以前坐老式普速客车，在两车交汇或进出隧道的时候，有没有感受过耳朵不舒服？这其实就跟“气密性”有关。

　　为什么？

　　因为两车交汇或进出隧道的时候，车周围会形成一个很大的压力波气场，如果密封性没有做好，外面气压就会进到车内，给人的耳朵造成一个压力，让人感到不舒服。现在动车组基本上就没有这个问题，因为气密性做得很好。

　　车体的气密性这块有哪些措施来保证？车体一般采用满焊结构，每条焊缝做完了以后，都要进行PT或真空检测，保证焊缝没有气隙——也就没有泄露面积。另外，局部不能焊接的地方，也采取了打胶密封的方式，来消除车体产生的缝隙。

　　“轻量化”是轨道交通一个永恒的话题——可能不光是轨道交通，还包括整个工业领域。

　　车轻了，肯定有很多好处——

　　首先，载客量更大。双层客车肯定比单层客车运输的乘客多，但是它也会更大，装载的设备会更多。所以在轴重不变的情况下，要想多载客人，车辆本身要轻。

　　第二，减少路轨等基础设施的损耗。车轻了以后，它对我们现有的路轨、桥梁还有隧道等基础设施的磨损就会小，维修成本就会降低，寿命就会延长——总的来说，就是省钱。

　　第三，节能环保。动车组牵引的能量来源于电能，当动车组运行到300公里的时候，每牵引1吨大概耗电16-17千瓦。现在中国线路上运行了这么多动车组，如果列车轻一点，一年下来就会节省很多电能。此外，二氧化碳的排放也会减少很多，这样我们生活的环境就会更好。

　　动车组轻量化了之后有这么多的好处，那就车体而言，可以通过哪些方法来实现呢？

　　可以从材料轻量化、结构轻量化还有功能轻量化等方面考虑。

　　说到材料，我讲一下车体用材料的变迁。

　　其实最早的火车车体是木头做的，然后慢慢演变成耐候钢、不锈钢，到今天的铝合金。现在轨道交通正在研究应用一种轻型复合材料——比金属材料强度更高，还耐疲劳、耐腐蚀；最重要的是，在同等速度等级下，要比铝合金车体轻将近30%。这种材料有可能是下一代高速动车组最理想的材料，但目前也有很多关键核心技术需要去攻克。

　　最先推动这种复合材料的批量成熟应用的，可能就是我们国家。为什么？因为我们的大地上跑着这么多高速动车组，积累了很多数据，我们也相信自己能把这个工作做好。

　　前面说的都是车体，但车体其实是车辆的一部分，所以我再说一下车辆。我们现在生产的多种轨距型号的列车都已经走出国门，远销世界20多个国家。

　　就连习总书记都曾经为中国的高铁点过赞，他说高铁是中国的一张亮丽名片。还有李克强总理，他每次出访的时候都不遗余力地为我们高铁做推销。

　　在这样伟大的事业当中工作，我很骄傲。我还记得第一次在自己设计的图纸上签字的时候，当时觉得有点神圣，但也有点害怕。

　　签字有什么害怕的？因为上大学第一堂制图课的时候，老师就对我们说，你们将来都有可能会成为工程师，到时就会在设计的图纸上签字，签字不是随便签的，要负责任——就是说将来你设计的图纸万一有什么问题，那么就算退休了，也得承担责任。我把这个事情告诉我的妈妈，她就说，你以后责任挺重大的，这么危险，还要担心会不会被抓走。我对她说，你就放心好了，既然是做这个工作，我肯定会努力认真地做好。