張瑞佛　李芳宇

摘要：文章簡要分析了日本和德國磁懸浮列車的設(shè)計(jì)發(fā)展概況；并基于德國TR系列磁懸浮列車和日本磁懸JRN公司系列磁懸浮列車分析了造型變化。通過對比分析兩國磁懸浮列車歷史造型設(shè)計(jì)，探究了影響列車造型變化的因素：速度因素、環(huán)境因素和美學(xué)因素。最后基于這些因素為我國磁懸浮列車系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供有益參考。

關(guān)鍵詞：德國 日本 磁懸浮列車 造型設(shè)計(jì)分析

中圖分類號：TB47 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-0069（2018）01-0134-02

引言

中國自引進(jìn)高速列車技術(shù)以來，通過不斷的學(xué)習(xí)和自我發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了高速列車知識產(chǎn)權(quán)完全的國產(chǎn)化。不僅如此，高速軌道交通系統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計(jì)體系也因此得到了完善。隨著高速運(yùn)輸技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，我國正在推動科技體制改革創(chuàng)新，新一批的先進(jìn)軌道交通重點(diǎn)項(xiàng)目也包含“磁懸浮交通系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)”。磁懸浮運(yùn)輸系統(tǒng)作為一種更快速、先進(jìn)的運(yùn)輸工具，對中國現(xiàn)有軌道交通系統(tǒng)有重要的補(bǔ)充價(jià)值。造型設(shè)計(jì)作為磁懸浮運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一部分，是實(shí)現(xiàn)磁懸浮交通系統(tǒng)技術(shù)整體飛躍必不可缺的條件。因此，分析已有磁懸浮列車造型設(shè)計(jì)，可為未來磁懸浮列車造型設(shè)計(jì)提供參考；另一方面則是探索磁懸浮列車造型設(shè)計(jì)理論，豐富軌道運(yùn)輸車輛造型理論體系。

一、磁懸浮列車的發(fā)展分析

現(xiàn)有的磁懸浮列車從懸浮技術(shù)上主要可以分為電磁懸?。‥MS）和電動懸浮（EDS）兩種方式。電磁懸浮的主要原理（如圖1）是在兩側(cè)轉(zhuǎn)向架安裝電磁線圈，使之與位于電磁線圈上方的軌道相互吸引，從而使電磁吸力與機(jī)車重力相平衡，讓車體與軌道間產(chǎn)生間隙。該間隙被穩(wěn)定在某個(gè)數(shù)值上，這個(gè)數(shù)值通常為8-12mm。電動懸浮的主要原理（如圖2）則是在車底部安裝超導(dǎo)電磁線圈。線圈通電后，車輛通過裝在軌道上的無源線圈或非磁性金屬板時(shí)，將使產(chǎn)生感應(yīng)電流，該電流的磁場與超導(dǎo)電磁鐵的磁場相互作用產(chǎn)生排斥力，從而浮起車體，產(chǎn)生100-150mm的離地間隙。

電磁懸浮試驗(yàn)比電動懸浮試驗(yàn)早誕生30余年，但是兩種懸浮方式各有優(yōu)劣。電磁懸浮式列車車身內(nèi)外磁場更弱，而且不需要輔助推進(jìn)系統(tǒng)和導(dǎo)輪；但是列車和軌道之間相對狀態(tài)不穩(wěn)定，難于控制；電動懸浮式列車具有更高的負(fù)載能力，理論速度更高，但是需要更高的價(jià)格成本和維護(hù)成本，技術(shù)難度也更大。兩種方式都能達(dá)到很高的運(yùn)行速度，按照速度等級分類，超過300KM/H的即為高速磁懸浮列車。因此，兩種方式都滿足發(fā)展高速磁懸浮交通運(yùn)輸?shù)男枰?。目前，德國的電磁懸浮技術(shù)較為先進(jìn)，代表車型為Transrapid（TR）；日本則有較豐富的電動懸浮技術(shù)累積，代表車型為JNR公司的磁懸浮各型列車。德國電磁懸浮列車技術(shù)和日本的電動懸浮列車技術(shù)具有較豐富的技術(shù)累積和設(shè)計(jì)實(shí)踐，被認(rèn)為最具有實(shí)用價(jià)值和發(fā)展前途。兩種列車的實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)實(shí)踐也證明，兩型磁懸浮列車具備城市間高速運(yùn)輸?shù)哪芰?；因此，文章選擇這兩型車為分析對象。

二、德國磁懸浮列車的造型發(fā)展分析

整個(gè)TR系列磁懸浮列車使用電磁懸浮技術(shù)，由于受到技術(shù)形式限制，該系列車體采用“跨坐式”車體設(shè)計(jì)。從該系列車車型從TR01到TR05的早期試驗(yàn)型號都在追求更高的技術(shù)層次，因此對造型設(shè)計(jì)沒有過多投入。早期的試驗(yàn)車為了驗(yàn)證技術(shù)，采用普通的技術(shù)將工作部分進(jìn)行密封盒包裹。同時(shí)，由于速度的限制，早期試驗(yàn)車車身較為粗糙，采用了楔型的頭部設(shè)計(jì)。此外，列車色彩和涂裝只是滿足了簡單的使用要求。整體而言，TR07型車之前的型號沒有統(tǒng)一的視覺符號，設(shè)計(jì)整體性不強(qiáng)。

整體造型而言，TR系列磁懸浮列車從07型車開始一直采用扁寬型車頭設(shè)計(jì)，車頭和前臉的造型設(shè)計(jì)成為了該型車固定的視覺特征。不僅如此，車身線條隨著速度的提升和技術(shù)的進(jìn)步變得越來越流暢。列車的細(xì)節(jié)部分也更加豐富，車身形面的過渡更加自然和圓滑，車身氣密性也更強(qiáng)，具有更好的整體性。涂裝也使用了彩色方案，不再單調(diào)（如表1）。2002年正式投入使用的上海磁懸浮專線由于引進(jìn)德國技術(shù)，使用車身為德國制造，因此其造型基本沿襲了TR系列的典型造型特征。

三、日本磁懸浮列車的造型發(fā)展分析

日本從上個(gè)世紀(jì)60年代開始了磁懸浮列車的研究，并于1970年開始針對本國國情重點(diǎn)研制電動懸浮式列車。日本磁懸浮列車主要由JNR公司研發(fā)，型號也在不斷發(fā)展。上個(gè)世紀(jì)70年代日本宮崎首條超導(dǎo)磁懸浮試驗(yàn)線全線竣工。到2015年4月21日，日本東海鐵路公司宣布L0系高速磁懸浮列車在山梨磁懸浮實(shí)驗(yàn)鐵路載人行駛時(shí)創(chuàng)下時(shí)603公里的時(shí)速紀(jì)錄。由于技術(shù)的進(jìn)步和提升，JNR各型磁懸浮列車在造型設(shè)計(jì)上也經(jīng)歷了一系列的變化和發(fā)展（如表2）。

早期的ML-001試驗(yàn)車速度較慢，因此車身更高，車頭呈橢球型。隨著速度的不斷提高，其整體設(shè)計(jì)逐漸變得更扁更長，但是沒有固定的設(shè)計(jì)樣式，也沒有固定的視覺特征。從MLX-001開始的車頭造型為了適應(yīng)更高的運(yùn)行速度，采用了更為細(xì)長的頭型設(shè)計(jì)來提升空氣動力學(xué)性能和安全性。為了保證安全性和突破更高速度，MLX-002到LO型車車身也變得更狹長和低矮；列車車身減少了一些突出部分，提高了整體性設(shè)計(jì)，一方面具有更好的觀賞效果，一方面滿足更高速度下的安全需求。隨著速度的提高，涂裝設(shè)計(jì)為了突出列車飛快的運(yùn)行速度，使用了延伸至整個(gè)車身的狹長線條形涂裝，而早期的車型并沒有這樣的設(shè)計(jì)。

四、德國、日本磁懸浮列車造型設(shè)計(jì)的影響因素

作為服務(wù)于人的交通工具，軌道列車的發(fā)展不僅印證著人類技術(shù)的進(jìn)步，也逐漸顯現(xiàn)出對人的審美和乘坐舒適度的重視。軌道列車造型設(shè)計(jì)不僅要考慮相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、車體結(jié)構(gòu)及尺寸、氣動外形等技術(shù)要素，還要考慮美學(xué)、文化、人因等要素。因此，磁懸浮列車造型設(shè)計(jì)不僅要從技術(shù)角度量化，還要分析其設(shè)計(jì)中的美學(xué)元素、人文關(guān)懷，甚至區(qū)域特色等影響因素。通過對德國、日本磁懸浮列車設(shè)計(jì)發(fā)展的分析，文章概括出列車造型主要的三種影響因素：速度因素、環(huán)境因素和美學(xué)因素。

（一）速度因素

田紅旗等人的研究表明，高速列車造型設(shè)計(jì)受到空氣動力學(xué)的影響。由于不同速度對車身的空氣動力學(xué)性能有著不同要求，列車造型設(shè)計(jì)也反映著速度的快慢。目前，高速列車的頭部造型主要有扁寬形、橢球形、梭形和鈍體頭形4種；車身長度與橫截面比例越大，承受的空氣阻力越小。頭部長度一定的情況下，扁寬形車頭空氣阻力較小，橢球形車頭阻力較大，這也是日本磁懸浮列車采用扁寬型車頭的原因。劉國偉等提出了四種適合地面車輛運(yùn)行的頭型（如圖3），其中形狀4的阻力系數(shù)最小。TR06車型采用了形狀2的設(shè)計(jì)，TR07型為了適應(yīng)更高速度采用了形狀4的設(shè)計(jì)，并在之后的系列車型中一直延用。日本磁懸浮列車在MLX型之前采用橢球型設(shè)計(jì)隨著速度提高逐漸改用扁寬型的設(shè)計(jì)主要是因?yàn)楸鈱捫皖^型具有更小的空阻，運(yùn)行更安全可靠。

（二）環(huán)境因素

在高速列車的研究中，田紅旗曾提出影響列車空氣動力性能的車身截面參數(shù)（如圖4）。其中，車頂截面倒角半徑為R1和R2，R3為車身圓弧半徑，R4為車底倒角半徑；α、β分別為車身圓弧切面與豎直面夾角；車身高為H、車寬為W。其中參數(shù)W直接和列車運(yùn)行的穩(wěn)定性相關(guān)，當(dāng)橫截面積一定時(shí)，W值越大的車身運(yùn)行穩(wěn)定性越高。在無法改變W值的情況下，可以通過其他方式提高運(yùn)行穩(wěn)定性。由于日本磁懸浮列車運(yùn)行段側(cè)風(fēng)多，路面建設(shè)范圍有限，為了提升車輛運(yùn)行的穩(wěn)定性，日本磁懸浮列車減小H值，增大W值以提高其空氣性能。此外，由于MLX系列磁懸浮車在U型槽中運(yùn)行，涂裝位置較高以防止車身涂裝線被遮擋，而TR系列屬于“跨坐式”安裝在軌道上，車身涂裝設(shè)計(jì)容易觀察，限制更小。

（三）美學(xué)因素

在徐伯初的研究中，高速列車的美學(xué)特征被概括為三個(gè)方面：形式美、技術(shù)美和象征意義。為了營造形式美，列車造型設(shè)計(jì)尤其要注意形式的均衡和穩(wěn)定，為乘客營造穩(wěn)定和安全的心理暗示，讓乘客產(chǎn)生安全信賴感。德國TR系列車體設(shè)計(jì)將視覺重心下降，給人穩(wěn)定、規(guī)則堅(jiān)固和高速感。同樣的設(shè)計(jì)也表現(xiàn)在日本磁懸浮列車設(shè)計(jì)中，MLX系列之后的磁懸浮列車設(shè)計(jì)也降低視覺中心，在高速運(yùn)行的同時(shí)給人穩(wěn)定感。此外，車身涂裝線條和特征線也為狹長的流線狀，前細(xì)后寬的變化營造出向前運(yùn)動的動勢。由于磁懸浮列車的速度快，梁習(xí)峰認(rèn)為高速列車的設(shè)計(jì)最好采用流線型，同時(shí)避免表面突出，完善氣密性。光滑的車身反射出現(xiàn)代制造技術(shù)的提升，具有后現(xiàn)代之美，也透露出現(xiàn)代技術(shù)的特有美感。同時(shí)，車身涂裝和造型也具有象征意義，將文化元素融合其中，充分考慮了本國的文化因素。TR08系列磁懸浮列車的涂裝設(shè)計(jì)采用的是紅黑涂裝，顏色參考德國國旗，具有德國國家的象征，能提升國民科學(xué)技術(shù)自豪感。

結(jié)語

近年來，中國磁懸浮運(yùn)輸技術(shù)研究取得了飛躍式的進(jìn)步和顯著的成果。這為未來建設(shè)立體化、多樣化的交通出行方式打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，同時(shí)也對磁懸浮列車的設(shè)計(jì)提出了更高要求。德國磁懸浮和日本磁懸浮列車的造型設(shè)計(jì)有著較為豐富的經(jīng)驗(yàn)，對我國磁懸浮列車造型設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值，文章通過分析、參考這些造型設(shè)計(jì)，得到了影響設(shè)計(jì)的要素。注重這些要素對設(shè)計(jì)實(shí)踐的影響，或?qū)⒂绊懼袊磥泶艖腋×熊囋煨驮O(shè)計(jì)積極發(fā)展。