[科普中國(guó)]-管全梅：又快又穩(wěn)又舒適，動(dòng)車組如何打造“金色名片”？

更強(qiáng)、更輕、更安全，工程師如何打造動(dòng)車組這張國(guó)家的“金色名片”？ 中車唐山機(jī)車車輛有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心高級(jí)工程師管全梅跟大家分享高速動(dòng)車組車體設(shè)計(jì)的故事。

管全梅演講視頻：

以下為管全梅 演講實(shí)錄：

我叫管全梅，來(lái)自中車唐山機(jī)車車輛有限公司，是一名動(dòng)車組車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師。

和大家一樣，我也是動(dòng)車組的乘客，感受過(guò)它帶來(lái)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(gè)小時(shí)；有了動(dòng)車組，即使加上中間轉(zhuǎn)車的時(shí)間，也只需要10個(gè)小時(shí)。

動(dòng)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(shuō)：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(gè)小時(shí)；但2017年12月6日，西安到成都的高鐵開(kāi)通以后，這個(gè)時(shí)間縮短到了3個(gè)小時(shí)。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(shí)很方便。

作為動(dòng)車組列車的設(shè)計(jì)師，我有一點(diǎn)小小的職業(yè)?。鹤鴦?dòng)車組的時(shí)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(guó)內(nèi)外同行制造的動(dòng)車組。

看什么？

就是看別人設(shè)計(jì)的車的結(jié)構(gòu)跟我們?cè)O(shè)計(jì)的有什么不一樣，或者說(shuō)有沒(méi)有什么可借鑒或取長(zhǎng)補(bǔ)短的地方。

動(dòng)車組在大家的眼里，和在我們?cè)O(shè)計(jì)師的眼里是不一樣的。

大家眼中的動(dòng)車組可能是這樣的——

這是一款由中國(guó)鐵路總公司牽頭組織研制的、時(shí)速在350公里的標(biāo)準(zhǔn)化動(dòng)車組。左邊是動(dòng)車組的外觀，右邊是它的內(nèi)飾。

或者這樣的——

這是我們公司2018年推出的“復(fù)興號(hào)”的家族新成員，因?yàn)樗写渚G色的涂裝，所以被大家稱為“綠巨人”。

大家看到的是動(dòng)車組的整體，外面都已經(jīng)涂裝好了漂亮的顏色，內(nèi)部也已經(jīng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師，我眼里的動(dòng)車組是這樣的——

常見(jiàn)的動(dòng)車組車體就這兩種形式：

上面兩張圖，是一種由長(zhǎng)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(nèi)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(jié)構(gòu)的車體。這類車體是磚紅色，其實(shí)不銹鋼和耐候鋼的本色也是發(fā)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(shè)計(jì)框架圖。這張圖畫(huà)的是鋁合金車體，其中每一種顏色代表一塊型材，所以側(cè)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(cè)墻、底架這樣的小部件以后，再把它們組焊為整個(gè)車體，最終形成一個(gè)鋁合金的筒形結(jié)構(gòu)（左圖）。

這是耐候鋼車體還沒(méi)有加墻板的框架圖，看著是不是很炫酷？其實(shí)它跟鋁合金車體很相似，也是從一根梁、一根柱開(kāi)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(diǎn)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(yùn)輸?shù)妮d體，又是安裝與連接列車上其他組成部件的基礎(chǔ)。

以時(shí)速350公里動(dòng)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(tǒng)部件后，大概能達(dá)到56噸；加上乘客（二等座車可以乘坐90個(gè)人，每個(gè)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(dāng)于用11噸的車體去承載將近32噸（除去轉(zhuǎn)向架的重量約20噸）的重量。

此外，動(dòng)車組在運(yùn)行過(guò)程中，還要承受啟動(dòng)、變速和上下坡時(shí)，車輛之間產(chǎn)生的牽引和壓縮沖擊力，以及風(fēng)壓力、離心力等等作用力。所以， 車體很關(guān)鍵，必須要保證它的安全性、可靠性和舒適性 ——因此，它既要結(jié)實(shí)，又要輕巧。

那么，一個(gè)好的車體，需要滿足什么條件？

從專業(yè)角度，一個(gè)好車體需要滿足 強(qiáng)度、剛度、模態(tài)、氣密性、輕量化 等基本要求。

以高速動(dòng)車組的頭車為例，先介紹一下車體的構(gòu)成：動(dòng)車組車體長(zhǎng)25.5米，寬3.36米，高3.1米；頭車再加一個(gè)司機(jī)室，要更長(zhǎng)一些。車體由底架、側(cè)墻、端墻、車頂和司機(jī)室構(gòu)成，它的斷面（圖右）是一個(gè)筒形承載的結(jié)構(gòu)——這種結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度特別好。

強(qiáng)度跟安全有關(guān)，怎樣做才能滿足車體的強(qiáng)度？

首先，要選擇高強(qiáng)度的材料——我們現(xiàn)在選擇的是焊接性很好、強(qiáng)度也很高的擠壓鋁合金型材，每批型材都要通過(guò)很多的例行試驗(yàn)和型式試驗(yàn)的測(cè)試，保證材料的力學(xué)性能能夠滿足車體強(qiáng)度需求。

此外，在進(jìn)行車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候，不僅要根據(jù)部件的受力路徑來(lái)考慮平臺(tái)的設(shè)計(jì)，還要考慮結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過(guò)程中，也會(huì)通過(guò)模擬仿真的手段，來(lái)驗(yàn)證強(qiáng)度是否能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

最終制造完成以后，實(shí)體整車要上試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)合格才能證明車體的強(qiáng)度沒(méi)有問(wèn)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(gè)詞： 焊接 。

焊接是什么呢？它是車體制造過(guò)程中的一項(xiàng)關(guān)鍵特殊技術(shù)，指被焊工件（同種材質(zhì)或不同材質(zhì)）通過(guò)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(dá)到原子間結(jié)合而形成永久性連接的工藝過(guò)程。簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是把兩個(gè)部件融合在一起，形成一個(gè)整體。

對(duì)于車體的焊接，我們單位有一套完整的體系來(lái)管理，保證每條焊縫從焊接接頭、焊接形式、焊接等級(jí)設(shè)計(jì)——焊接試件——焊后PT檢測(cè)都有完整的標(biāo)準(zhǔn)文件來(lái)指導(dǎo)，從而確保質(zhì)量達(dá)標(biāo)。

下面來(lái)說(shuō)剛度和模態(tài)，模態(tài)是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有振動(dòng)特性，每一個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。為什么車體要考慮剛度和模態(tài)？或者說(shuō)，如果車體不考慮剛度和模態(tài)會(huì)怎么樣？

舉個(gè)例子，如果車體和乘客座椅的模態(tài)相近，列車運(yùn)行的時(shí)候，就容易發(fā)生共振，帶來(lái)一個(gè)大的變形或者應(yīng)變力，這時(shí)乘客坐在座椅上就會(huì)感覺(jué)特別不舒服，時(shí)間長(zhǎng)了，還可能會(huì)對(duì)車體或者座椅的主題結(jié)構(gòu)造成破壞。所以我們要把“車體模態(tài)”納入考慮，避免它跟車上安裝的其他系統(tǒng)包括車下的轉(zhuǎn)向架之間發(fā)生共振。

模態(tài)是結(jié)構(gòu)的一種特性，但是車體的結(jié)構(gòu)是可設(shè)計(jì)的——我們可以通過(guò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)來(lái)調(diào)整它的模態(tài)，去避開(kāi)這個(gè)頻段。

大家以前坐老式普速客車，在兩車交匯或進(jìn)出隧道的時(shí)候，有沒(méi)有感受過(guò)耳朵不舒服？這其實(shí)就跟“氣密性”有關(guān)。

為什么？

因?yàn)閮绍嚱粎R或進(jìn)出隧道的時(shí)候，車周圍會(huì)形成一個(gè)很大的壓力波氣場(chǎng)，如果密封性沒(méi)有做好，外面氣壓就會(huì)進(jìn)到車內(nèi)，給人的耳朵造成一個(gè)壓力，讓人感到不舒服。現(xiàn)在動(dòng)車組基本上就沒(méi)有這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)闅饷苄宰龅煤芎谩?/p>

車體的氣密性這塊有哪些措施來(lái)保證？車體一般采用滿焊結(jié)構(gòu)，每條焊縫做完了以后，都要進(jìn)行PT或真空檢測(cè)，保證焊縫沒(méi)有氣隙——也就沒(méi)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(lái)消除車體產(chǎn)生的縫隙。

“輕量化”是軌道交通一個(gè)永恒的話題 ——可能不光是軌道交通，還包括整個(gè)工業(yè)領(lǐng)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(yùn)輸?shù)某丝投?，但是它也?huì)更大，裝載的設(shè)備會(huì)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(chǔ)設(shè)施的損耗。車輕了以后，它對(duì)我們現(xiàn)有的路軌、橋梁還有隧道等基礎(chǔ)設(shè)施的磨損就會(huì)小，維修成本就會(huì)降低，壽命就會(huì)延長(zhǎng)——總的來(lái)說(shuō)，就是省錢。

第三，節(jié)能環(huán)保。動(dòng)車組牽引的能量來(lái)源于電能，當(dāng)動(dòng)車組運(yùn)行到300公里的時(shí)候，每牽引1噸大概耗電16-17千瓦?，F(xiàn)在中國(guó)線路上運(yùn)行了這么多動(dòng)車組，如果列車輕一點(diǎn)，一年下來(lái)就會(huì)節(jié)省很多電能。此外，二氧化碳的排放也會(huì)減少很多，這樣我們生活的環(huán)境就會(huì)更好。

動(dòng)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(guò)哪些方法來(lái)實(shí)現(xiàn)呢？

可以從材料輕量化、結(jié)構(gòu)輕量化還有功能輕量化等方面考慮。

說(shuō)到材料，我講一下車體用材料的變遷。

其實(shí)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(xiàn)在軌道交通正在研究應(yīng)用一種輕型復(fù)合材料——比金屬材料強(qiáng)度更高，還耐疲勞、耐腐蝕；最重要的是，在同等速度等級(jí)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(dòng)車組最理想的材料，但目前也有很多關(guān)鍵核心技術(shù)需要去攻克。

最先推動(dòng)這種復(fù)合材料的批量成熟應(yīng)用的，可能就是我們國(guó)家。為什么？因?yàn)槲覀兊拇蟮厣吓苤@么多高速動(dòng)車組，積累了很多數(shù)據(jù)，我們也相信自己能把這個(gè)工作做好。

前面說(shuō)的都是車體，但車體其實(shí)是車輛的一部分，所以我再說(shuō)一下車輛。我們現(xiàn)在生產(chǎn)的多種軌距型號(hào)的列車都已經(jīng)走出國(guó)門，遠(yuǎn)銷世界20多個(gè)國(guó)家。

就連習(xí)總書(shū)記都曾經(jīng)為中國(guó)的高鐵點(diǎn)過(guò)贊，他說(shuō)高鐵是中國(guó)的一張亮麗名片。還有李克強(qiáng)總理，他每次出訪的時(shí)候都不遺余力地為我們高鐵做推銷。

在這樣偉大的事業(yè)當(dāng)中工作，我很驕傲。我還記得第一次在自己設(shè)計(jì)的圖紙上簽字的時(shí)候，當(dāng)時(shí)覺(jué)得有點(diǎn)神圣，但也有點(diǎn)害怕。

簽字有什么害怕的？因?yàn)樯洗髮W(xué)第一堂制圖課的時(shí)候，老師就對(duì)我們說(shuō)，你們將來(lái)都有可能會(huì)成為工程師，到時(shí)就會(huì)在設(shè)計(jì)的圖紙上簽字，簽字不是隨便簽的，要負(fù)責(zé)任——就是說(shuō)將來(lái)你設(shè)計(jì)的圖紙萬(wàn)一有什么問(wèn)題，那么就算退休了，也得承擔(dān)責(zé)任。我把這個(gè)事情告訴我的媽媽，她就說(shuō)，你以后責(zé)任挺重大的，這么危險(xiǎn)，還要擔(dān)心會(huì)不會(huì)被抓走。我對(duì)她說(shuō)，你就放心好了，既然是做這個(gè)工作，我肯定會(huì)努力認(rèn)真地做好。

大家還記得咱們中國(guó)第一輛高速動(dòng)車組是什么時(shí)候上線運(yùn)營(yíng)的嗎？是2008年的8月1號(hào)，奧運(yùn)會(huì)那年首發(fā)，從北京到天津，只需要半個(gè)小時(shí)。

但在這之前，這輛動(dòng)車組先承擔(dān)了一項(xiàng)特殊的任務(wù)。

這輛動(dòng)車組是我們公司制造的。當(dāng)年的春天，動(dòng)車組在廠里的調(diào)試車間完成所有調(diào)試試驗(yàn)后，我們就把這輛車作為婚車，為公司的4對(duì)新人舉辦了一場(chǎng)婚禮——他們都因?yàn)閯?dòng)車組的生產(chǎn)一再延遲婚期。

我們當(dāng)時(shí)都說(shuō)，這可能是世界上最豪華的婚車了。

我是第一代高鐵工人管全梅，謝謝大家。

(演講嘉賓管全梅：《動(dòng)車組：打造一張國(guó)家“金色名片”，拉近人與人的距離》)

作者：管全梅

編輯：麥芽楊、凝音