科技日?qǐng)?bào)記者 何亮
7月9日，第十二屆世界高速鐵路大會(huì)期間，位于北京朝陽(yáng)的國(guó)家鐵道試驗(yàn)中心，成為國(guó)內(nèi)外參會(huì)嘉賓關(guān)注的焦點(diǎn)。這里，大家爭(zhēng)相試乘體驗(yàn)世界首款試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)速450公里、商業(yè)運(yùn)營(yíng)時(shí)速400公里的新一代高速動(dòng)車組——CR450。
當(dāng)前，CR450動(dòng)車組已完成樣車下線、型式試驗(yàn)、互聯(lián)互通調(diào)試等一系列研發(fā)工作，正在開展考核試驗(yàn)和性能驗(yàn)證，為正線試運(yùn)行做各項(xiàng)準(zhǔn)備。
“這意味著中國(guó)鐵路已進(jìn)入高鐵科技創(chuàng)新‘無(wú)人區(qū)’?！睆?fù)興號(hào)動(dòng)車組總體技術(shù)專家、中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司（以下簡(jiǎn)稱“鐵科院”）首席研究員趙紅衛(wèi)告訴科技日?qǐng)?bào)記者，為了將商業(yè)運(yùn)營(yíng)時(shí)速再提升50公里，國(guó)鐵集團(tuán)牽頭組建創(chuàng)新聯(lián)合體，先后攻克永磁牽引、氣動(dòng)減阻、短距離制動(dòng)等難題，在全球范圍內(nèi)首次創(chuàng)建時(shí)速400公里動(dòng)車組技術(shù)體系。
1.6倍功率提升
提高列車速度，首先要考慮提升動(dòng)力牽引系統(tǒng)性能。
為增強(qiáng)牽引性能，研發(fā)人員決定將具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大功率永磁牽引系統(tǒng)搬上CR450動(dòng)車組，標(biāo)志著我國(guó)高鐵開啟了“永磁時(shí)代”。
“裝車難度很大！”趙紅衛(wèi)介紹，“永磁系統(tǒng)有一大隱患，即電機(jī)在發(fā)生匝間或相間短路時(shí)，因永磁體緣故，并不會(huì)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，可能導(dǎo)致電機(jī)損壞，影響行車安全。”
為排除這一隱患，研發(fā)團(tuán)隊(duì)一頭扎進(jìn)實(shí)驗(yàn)室三個(gè)多月，從優(yōu)化電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)和控制策略入手，反復(fù)進(jìn)行方案對(duì)比、試驗(yàn)研究和實(shí)證驗(yàn)證。
“我們創(chuàng)造出了‘三相主動(dòng)短路防護(hù)技術(shù)’?！辫F科院機(jī)輛所研究員殷振環(huán)解釋，“這項(xiàng)技術(shù)就像一個(gè)精密的‘安全閥’，能在0.2秒內(nèi)快速識(shí)別短路故障，并自動(dòng)將故障相繞組切換成閉環(huán)回路，阻止電機(jī)進(jìn)一步損壞?！?/p>
技術(shù)成型后，部件可靠性還需在線路上“實(shí)戰(zhàn)”驗(yàn)證。
2023年6月至7月，一場(chǎng)列車交會(huì)試驗(yàn)在福廈高鐵線路上展開。經(jīng)測(cè)算，要完成時(shí)速450公里沖高達(dá)速任務(wù)，列車功率需提升至額定功率的1.6倍。
試驗(yàn)前夕，殷振環(huán)組織團(tuán)隊(duì)連夜召開技術(shù)論證會(huì)，系統(tǒng)評(píng)估實(shí)施方案、明確工作分工。牽引動(dòng)力系統(tǒng)部件適用性評(píng)估、軟件變更測(cè)試、地面模擬試驗(yàn)……盡管各項(xiàng)工作都已有序完成，殷振環(huán)心中仍在打鼓，“沖高真能實(shí)現(xiàn)？”
“發(fā)車！”6月28日，福廈高鐵湄洲灣跨海大橋，首列試驗(yàn)列車率先啟動(dòng)，1.5秒后對(duì)開列車跟進(jìn)。經(jīng)測(cè)算，搭載新技術(shù)部件的試驗(yàn)列車以單列最高時(shí)速453公里、雙向兩列相對(duì)交會(huì)最高時(shí)速891公里運(yùn)行。新的世界紀(jì)錄誕生了！
“我們先后在鄭萬(wàn)、濟(jì)鄭、彌蒙和福廈高鐵開展20余萬(wàn)公里的線路試驗(yàn)，驗(yàn)證了永磁牽引系統(tǒng)不但動(dòng)力十足，而且安全可靠?！币笳癍h(huán)說(shuō)。
22%氣動(dòng)減阻
“高速飛馳的列車，95%的運(yùn)行阻力來(lái)自空氣?！辫F科院機(jī)輛所研究員邵軍告訴記者，理論測(cè)算表明，時(shí)速提高50公里，阻力增加30%，能耗也隨之增加。
想要提速，又要節(jié)約能耗，“減阻”勢(shì)在必行。突破口在哪里？
此前研制“復(fù)興號(hào)”動(dòng)車組時(shí)，科研人員已將車頭的“平順化”做到了極致。大家覺得，通過(guò)調(diào)整外形進(jìn)一步降阻的空間有限。
但研發(fā)人員并未懈怠。他們?cè)谧匀唤缰袑ふ异`感，基于仿生學(xué)原理探索新方案。百余種設(shè)計(jì)方案經(jīng)過(guò)大量模擬仿真和風(fēng)洞試驗(yàn)層層篩選，最終，以高速飛翔的鷹隼和箭矢為原型的方案脫穎而出。仿真測(cè)試表明，新頭型可將運(yùn)行阻力降低約2.6%。
“這與整體減阻20%以上的目標(biāo)仍有很大差距?！壁w紅衛(wèi)說(shuō)。面對(duì)挑戰(zhàn)，團(tuán)隊(duì)繼續(xù)深入研究氣動(dòng)仿真與測(cè)試，分析列車各部件的阻力分布，探尋減阻的理論極限。
突破口出現(xiàn)了！“我們發(fā)現(xiàn)，此前被忽視的列車下部轉(zhuǎn)向架區(qū)域，蘊(yùn)藏著較大的減阻潛力?！鄙圮娊榻B，有成員提出了一個(gè)大膽設(shè)想——能否用包覆結(jié)構(gòu)將轉(zhuǎn)向架裸露區(qū)域覆蓋起來(lái)，從而形成更完整的氣動(dòng)外形，以降低阻力？
這個(gè)被稱為“穿褲子”的思路帶來(lái)了意外之喜?！皼]想到效果如此顯著?！币笳癍h(huán)笑道，經(jīng)過(guò)反復(fù)研究確認(rèn)，該方案確實(shí)能大幅減阻。
團(tuán)隊(duì)隨即集中力量，重點(diǎn)攻關(guān)包覆結(jié)構(gòu)的最優(yōu)形狀與位置，同時(shí)解決包覆后可能出現(xiàn)的檢修難題。
一遍遍仿真、一次次方案修正……終于，一個(gè)既能有效減阻，又能兼顧結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度以及檢修需求的方案誕生了。
“在此基礎(chǔ)上，結(jié)合流線型車頭、低阻力受電弓等多項(xiàng)措施，列車運(yùn)行阻力可有效降低22%。”邵軍說(shuō)，這意味著CR450動(dòng)車組在時(shí)速提升50公里后，能耗水平仍與CR400動(dòng)車組相當(dāng)。
6500米制動(dòng)停穩(wěn)
CR450動(dòng)車組不僅要“跑得快”，更要“停得穩(wěn)”。研發(fā)伊始，團(tuán)隊(duì)就設(shè)定了一個(gè)極具挑戰(zhàn)的目標(biāo)——提速后，制動(dòng)距離與CR400動(dòng)車組相同。即在6500米內(nèi)，實(shí)現(xiàn)400公里時(shí)速降至零。
這意味著巨大的制動(dòng)能量要平衡。鐵科院機(jī)輛所副研究員蔡田形象地比喻：這一過(guò)程釋放的能量，足以在2分鐘內(nèi)將6.8噸水從冰點(diǎn)加熱至沸點(diǎn)。
顯然，CR400動(dòng)車組使用的制動(dòng)材料已無(wú)法滿足要求，必須研發(fā)性能更強(qiáng)的新材料。為此，團(tuán)隊(duì)成立了專項(xiàng)小組，攻堅(jiān)具備耐高溫、抗變形、耐疲勞等特性的新型制動(dòng)材料。“僅確定材料的‘配方’就經(jīng)歷了上百次試驗(yàn)?！辈烫锘貞?，“后續(xù)的材料性能和工藝驗(yàn)證又持續(xù)了一年多?！?/p>
挑戰(zhàn)不止于材料。此前，為降低空氣阻力，將頭車和尾車轉(zhuǎn)向架包覆起來(lái)的方案，此時(shí)卻造成了制動(dòng)散熱難題。
為平衡空氣阻力與散熱這對(duì)矛盾，研發(fā)團(tuán)隊(duì)又從系統(tǒng)耦合入手，提出結(jié)構(gòu)性調(diào)整方案：減少頭車和尾車的制動(dòng)盤數(shù)量，將削減的制動(dòng)力改由其他系統(tǒng)分擔(dān)。蔡田介紹，這一調(diào)整不僅解決了散熱問(wèn)題，更深化了大家對(duì)整車系統(tǒng)間相互作用的認(rèn)知。
制動(dòng)過(guò)程中，制動(dòng)力能否有效轉(zhuǎn)化為減速力，關(guān)鍵在于車輪與鋼軌間的黏著特性。CR450采用多階黏著制動(dòng)技術(shù)，即剎車時(shí)逐級(jí)增強(qiáng)制動(dòng)力。蔡田解釋：“如同‘雪天行車避免急剎防滑’的道理，關(guān)鍵在于精準(zhǔn)把控黏著力的極限點(diǎn)?！?/p>
然而，全球范圍內(nèi)，高鐵高速制動(dòng)黏著特性的研究均止步于時(shí)速350公里。400公里時(shí)速下的黏著特性曲線是未知領(lǐng)域。團(tuán)隊(duì)為此進(jìn)行了數(shù)千次制動(dòng)性能測(cè)試，精準(zhǔn)計(jì)算出大功率盤形制動(dòng)摩擦副，在短時(shí)間內(nèi)不同時(shí)間點(diǎn)上應(yīng)施加的壓力值。
最終，他們成功繪制出時(shí)速350公里至400公里制動(dòng)工況下的黏著特性曲線。這一重要成果填補(bǔ)了國(guó)際空白，為CR450的精準(zhǔn)高效制動(dòng)奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。
樣車下線只是起點(diǎn)，運(yùn)營(yíng)交付才是目標(biāo)。科研團(tuán)隊(duì)正緊鑼密鼓地進(jìn)行最后的試驗(yàn)和驗(yàn)證，全力打通邁向商業(yè)運(yùn)營(yíng)的“最后一公里”，讓這列時(shí)速400公里的“國(guó)之重器”馳騁神州。
