管全梅：又快又穩又舒適，動車組如何打造“金

日期：2019-06-26 欄目：養生之道作者：瀏覽：次

更強、更輕、更安全，工程師如何打造動車組這張國家的“金色名片”？中車唐山機車車輛有限公司產品研發中心高級工程師管全梅跟大家分享高速動車組車體設計的故事。

管全梅演講視頻：

以下為管全梅演講實錄：

我叫管全梅，來自中車唐山機車車輛有限公司，是一名動車組車體結構設計師。

和大家一樣，我也是動車組的乘客，感受過它帶來的便利。我的老家在大西北的青海省，以前我回家坐普速客車，從北京到西寧要21個小時；有了動車組，即使加上中間轉車的時間，也只需要10個小時。

動車組縮短了城市和城市之間的距離，也改變了我們的生活方式。西安到成都，地圖上看很近，但俗話說：蜀道難，難于上青天。以前從西安到成都，坐火車大概需要16個小時；但2017年12月6日，西安到成都的高鐵開通以后，這個時間縮短到了3個小時。大家可以想象，早上可以在西安吃一碗羊肉泡饃，中午就能到成都看大熊貓，晚上還可以去重慶吃火鍋——這生活，確實很方便。

作為動車組列車的設計師，我有一點小小的職業病：坐動車組的時候，上了車就喜歡看看這、看看那，尤其是遇到新款車型或者由國內外同行制造的動車組。

看什么？

就是看別人設計的車的結構跟我們設計的有什么不一樣，或者說有沒有什么可借鑒或取長補短的地方。

動車組在大家的眼里，和在我們設計師的眼里是不一樣的。

大家眼中的動車組可能是這樣的——

這是一款由中國鐵路總公司牽頭組織研制的、時速在350公里的標準化動車組。左邊是動車組的外觀，右邊是它的內飾。

或者這樣的——

這是我們公司2018年推出的“復興號”的家族新成員，因為它有翠綠色的涂裝，所以被大家稱為“綠巨人”。

大家看到的是動車組的整體，外面都已經涂裝好了漂亮的顏色，內部也已經安裝好了地板、墻板、頂板、座椅和行李架等。

而作為一名車體結構設計師，我眼里的動車組是這樣的——

常見的動車組車體就這兩種形式：

上面兩張圖，是一種由長大擠壓鋁合金型材拼焊而成的車體，它的材料是鋁合金，所以我們看到的車體的外觀還有內部，都是鋁合金的本色——銀白色。

下面兩張圖，是由耐候鋼或不銹鋼組焊而成的板梁結構的車體。這類車體是磚紅色，其實不銹鋼和耐候鋼的本色也是發亮的那種；但是耐候鋼在空氣中容易被腐蝕，所以車體組焊、制造完成后，就要在它的外面涂一層磚紅色的重防腐漆。

這是車體的設計框架圖。這張圖畫的是鋁合金車體，其中每一種顏色代表一塊型材，所以側墻（右上圖）由5種型材組焊而成，底架（右下圖）由4種7塊鋁型材組焊而成。完成側墻、底架這樣的小部件以后，再把它們組焊為整個車體，最終形成一個鋁合金的筒形結構（左圖）。

這是耐候鋼車體還沒有加墻板的框架圖，看著是不是很炫酷？其實它跟鋁合金車體很相似，也是從一根梁、一根柱開始慢慢組焊，焊到小模塊，然后到大模塊，接著到部件，最后再到整車——有點像小孩子搭積木。

車體就像房子的框架，又像人體的骨骼。它既是列車運輸的載體，又是安裝與連接列車上其他組成部件的基礎。

以時速350公里動車組的二等座車為例，一輛車體的重量是11噸左右，安裝這么多的系統部件后，大概能達到56噸；加上乘客（二等座車可以乘坐90個人，每個人按80公斤算，乘客的總重量就是7.2噸），總共有63噸左右——相當于用11噸的車體去承載將近32噸（除去轉向架的重量約20噸）的重量。

此外，動車組在運行過程中，還要承受啟動、變速和上下坡時，車輛之間產生的牽引和壓縮沖擊力，以及風壓力、離心力等等作用力。所以，車體很關鍵，必須要保證它的安全性、可靠性和舒適性——因此，它既要結實，又要輕巧。

那么，一個好的車體，需要滿足什么條件？

從專業角度，一個好車體需要滿足強度、剛度、模態、氣密性、輕量化等基本要求。

以高速動車組的頭車為例，先介紹一下車體的構成：動車組車體長25.5米，寬3.36米，高3.1米；頭車再加一個司機室，要更長一些。車體由底架、側墻、端墻、車頂和司機室構成，它的斷面（圖右）是一個筒形承載的結構——這種結構的強度和剛度特別好。

強度跟安全有關，怎樣做才能滿足車體的強度？

首先，要選擇高強度的材料——我們現在選擇的是焊接性很好、強度也很高的擠壓鋁合金型材，每批型材都要通過很多的例行試驗和型式試驗的測試，保證材料的力學性能能夠滿足車體強度需求。

此外，在進行車體結構設計的時候，不僅要根據部件的受力路徑來考慮平臺的設計，還要考慮結構的設計。設計過程中，也會通過模擬仿真的手段，來驗證強度是否能滿足標準要求。

最終制造完成以后，實體整車要上試驗臺進行靜態和動態的強度實驗，試驗合格才能證明車體的強度沒有問題。

除了這些，大家可能注意到了，我在前面的介紹中多次提到一個詞：焊接。

焊接是什么呢？它是車體制造過程中的一項關鍵特殊技術，指被焊工件（同種材質或不同材質）通過加熱或加壓的方法（或兩者并用），采用或不采用填充金屬，使被焊工件達到原子間結合而形成永久性連接的工藝過程。簡單地說，就是把兩個部件融合在一起，形成一個整體。

對于車體的焊接，我們單位有一套完整的體系來管理，保證每條焊縫從焊接接頭、焊接形式、焊接等級設計——焊接試件——焊后PT檢測都有完整的標準文件來指導，從而確保質量達標。

下面來說剛度和模態，模態是結構系統的固有振動特性，每一個模態具有特定的固有頻率、阻尼比和模態振型。為什么車體要考慮剛度和模態？或者說，如果車體不考慮剛度和模態會怎么樣？

舉個例子，如果車體和乘客座椅的模態相近，列車運行的時候，就容易發生共振，帶來一個大的變形或者應變力，這時乘客坐在座椅上就會感覺特別不舒服，時間長了，還可能會對車體或者座椅的主題結構造成破壞。所以我們要把“車體模態”納入考慮，避免它跟車上安裝的其他系統包括車下的轉向架之間發生共振。

模態是結構的一種特性，但是車體的結構是可設計的——我們可以通過結構的設計來調整它的模態，去避開這個頻段。

大家以前坐老式普速客車，在兩車交匯或進出隧道的時候，有沒有感受過耳朵不舒服？這其實就跟“氣密性”有關。

為什么？

因為兩車交匯或進出隧道的時候，車周圍會形成一個很大的壓力波氣場，如果密封性沒有做好，外面氣壓就會進到車內，給人的耳朵造成一個壓力，讓人感到不舒服。現在動車組基本上就沒有這個問題，因為氣密性做得很好。

車體的氣密性這塊有哪些措施來保證？車體一般采用滿焊結構，每條焊縫做完了以后，都要進行PT或真空檢測，保證焊縫沒有氣隙——也就沒有泄露面積。另外，局部不能焊接的地方，也采取了打膠密封的方式，來消除車體產生的縫隙。

“輕量化”是軌道交通一個永恒的話題——可能不光是軌道交通，還包括整個工業領域。

車輕了，肯定有很多好處——

首先，載客量更大。雙層客車肯定比單層客車運輸的乘客多，但是它也會更大，裝載的設備會更多。所以在軸重不變的情況下，要想多載客人，車輛本身要輕。

第二，減少路軌等基礎設施的損耗。車輕了以后，它對我們現有的路軌、橋梁還有隧道等基礎設施的磨損就會小，維修成本就會降低，壽命就會延長——總的來說，就是省錢。

第三，節能環保。動車組牽引的能量來源于電能，當動車組運行到300公里的時候，每牽引1噸大概耗電16-17千瓦。現在中國線路上運行了這么多動車組，如果列車輕一點，一年下來就會節省很多電能。此外，二氧化碳的排放也會減少很多，這樣我們生活的環境就會更好。

動車組輕量化了之后有這么多的好處，那就車體而言，可以通過哪些方法來實現呢？

可以從材料輕量化、結構輕量化還有功能輕量化等方面考慮。

說到材料，我講一下車體用材料的變遷。

其實最早的火車車體是木頭做的，然后慢慢演變成耐候鋼、不銹鋼，到今天的鋁合金。現在軌道交通正在研究應用一種輕型復合材料——比金屬材料強度更高，還耐疲勞、耐腐蝕；最重要的是，在同等速度等級下，要比鋁合金車體輕將近30%。這種材料有可能是下一代高速動車組最理想的材料，但目前也有很多關鍵核心技術需要去攻克。

最先推動這種復合材料的批量成熟應用的，可能就是我們國家。為什么？因為我們的大地上跑著這么多高速動車組，積累了很多數據，我們也相信自己能把這個工作做好。

前面說的都是車體，但車體其實是車輛的一部分，所以我再說一下車輛。我們現在生產的多種軌距型號的列車都已經走出國門，遠銷世界20多個國家。

就連習總書記都曾經為中國的高鐵點過贊，他說高鐵是中國的一張亮麗名片。還有李克強總理，他每次出訪的時候都不遺余力地為我們高鐵做推銷。

在這樣偉大的事業當中工作，我很驕傲。我還記得第一次在自己設計的圖紙上簽字的時候，當時覺得有點神圣，但也有點害怕。

簽字有什么害怕的？因為上大學第一堂制圖課的時候，老師就對我們說，你們將來都有可能會成為工程師，到時就會在設計的圖紙上簽字，簽字不是隨便簽的，要負責任——就是說將來你設計的圖紙萬一有什么問題，那么就算退休了，也得承擔責任。我把這個事情告訴我的媽媽，她就說，你以后責任挺重大的，這么危險，還要擔心會不會被抓走。我對她說，你就放心好了，既然是做這個工作，我肯定會努力認真地做好。