南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司廠區(qū)內(nèi)，一列銀灰色超速試驗(yàn)列車停放在廠區(qū)的鐵軌上，這列臺(tái)架試驗(yàn)速度每小時(shí)達(dá)到605公里的列車，被命名為更高速度的試驗(yàn)列車。
實(shí)際上，這項(xiàng)試驗(yàn)早在兩年多前就已開始，為了這次試驗(yàn)，南車四方公司經(jīng)過(guò)七次方案討論會(huì)。
參加試驗(yàn)的電氣開發(fā)部部長(zhǎng)焦京海最近回憶說(shuō)：“100-200公里時(shí)一點(diǎn)擔(dān)心都沒有，車速上了550公里以上心情開始激動(dòng)，到600公里時(shí)就開始有點(diǎn)緊張了?！痹囼?yàn)止步于605公里，是因?yàn)橹贫ǖ脑囼?yàn)?zāi)繕?biāo)為600公里，“試驗(yàn)臺(tái)建設(shè)時(shí)是按600公里設(shè)計(jì)的，再往上沖速度，擔(dān)心對(duì)試驗(yàn)臺(tái)不好”， 高級(jí)主任設(shè)計(jì)師李兵解釋說(shuō)。
當(dāng)時(shí)速提升到605公里的時(shí)候，試驗(yàn)沒有馬上停止，保持速度運(yùn)行了10分鐘，這相當(dāng)于在地面上行駛了100.8公里。
技術(shù)難度比飛機(jī)高
“高鐵就像一架飛機(jī)在不停地起降”，中科院力學(xué)所楊國(guó)偉研究員這樣說(shuō)。楊國(guó)偉創(chuàng)立了跨聲速非線性氣動(dòng)彈性研究，為中國(guó)高鐵與大飛機(jī)研制提供空氣動(dòng)力與氣動(dòng)彈性的技術(shù)支撐。
“坐飛機(jī)最危險(xiǎn)的是起飛和降落，因?yàn)榈孛嫘?yīng)包括建筑、風(fēng)對(duì)飛機(jī)的激擾，所以,飛機(jī)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在起和降的過(guò)程。而高速列車始終在地面上高速運(yùn)行，從空氣動(dòng)力學(xué)車與空氣相互的作用角度，既要考慮地面對(duì)列車的強(qiáng)激擾，也要考慮到高速運(yùn)行狀況下氣流激擾。波音737的巡航阻力系數(shù)約在0.028左右，6輛編組試驗(yàn)列車整車阻力系數(shù)約為0.48左右，所以說(shuō)更高速列車比飛機(jī)在天上巡航時(shí)的技術(shù)難點(diǎn)要復(fù)雜得多。”楊國(guó)偉說(shuō)。
民用飛機(jī)每小時(shí)飛行距離800-850公里，中國(guó)研制的更高速試驗(yàn)列車設(shè)計(jì)速度在每小時(shí)500公里以上，與目前在線上以每小時(shí)380公里最高時(shí)速運(yùn)行的CRH380A相比，技術(shù)的邊界條件必須清晰。
“空氣動(dòng)力學(xué)性能的受軌道不平順影響，振動(dòng)激擾響應(yīng)不斷加大，如何保證列車高速運(yùn)行的安全性；如何保證舒適的乘車環(huán)境；比提高速度更重要的是能夠很好的停下來(lái)?！?試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)指揮梁建英說(shuō)。
列車運(yùn)行的阻力，包括車輪與軌道摩擦的機(jī)械阻力和車輛受到的空氣阻力。高速下制約速度的抗衡者是空氣，“當(dāng)列車以每小時(shí)200公里行駛的時(shí)候，空氣阻力占總阻力的70%左右，和諧號(hào)CRH380A在京滬高鐵跑出時(shí)速486.1公里時(shí)，氣動(dòng)阻力超過(guò)了總阻力的92%，如果跑到500公里以上，95%以上都是氣動(dòng)阻力了”，李兵說(shuō)?？諝庾枇土熊囘\(yùn)行速度的平方成近似正比關(guān)系，速度提高2倍，空氣阻力將增至4倍。正是這個(gè)平方關(guān)系，讓設(shè)計(jì)師絞盡腦汁。
空氣阻力受三大因素影響，一是車頭迎風(fēng)受到正壓力，與車尾受到的負(fù)壓力間產(chǎn)生的壓差阻力；二是由于空氣黏性作用于車體表面的摩擦阻力；三是列車底架以及列車表面凹凸結(jié)構(gòu)引起的干擾阻力。
工程師們?yōu)榻档涂諝庾枇?應(yīng)用仿生學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)理論，創(chuàng)作了100多種頭型概念，優(yōu)選構(gòu)建了80余種三維數(shù)字模型，開展了初步空氣動(dòng)力學(xué)仿真，比選出20個(gè)氣動(dòng)性能較優(yōu)的頭型，進(jìn)一步進(jìn)行氣動(dòng)優(yōu)化，制作出1：20實(shí)物模型，根據(jù)仿真數(shù)據(jù)和美觀效果，最終制作五款1：8頭型分別做了風(fēng)洞力學(xué)試驗(yàn)和氣動(dòng)噪聲試驗(yàn)，名為“箭”的頭型被選中，其氣動(dòng)噪聲、氣動(dòng)阻力參數(shù)最優(yōu)?！皬臍鈩?dòng)性能來(lái)講，‘箭’與民航客機(jī)是可以PK的?！崩畋f(shuō)。
讓數(shù)百噸重的更高速列車在線路上飛跑，除了減少氣動(dòng)阻力外，加大牽引能力是另一個(gè)關(guān)鍵?！傲v編組更高速試驗(yàn)列車牽引總功率可達(dá)到21120千瓦。正是有了我們自主開發(fā)的大功率牽引系統(tǒng)，才有高速試驗(yàn)列車實(shí)現(xiàn)臺(tái)架試驗(yàn)605公里/小時(shí)的可能?！苯咕┖Ｕf(shuō)。
大功率的牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)研發(fā)，具有強(qiáng)大的技術(shù)擴(kuò)散效應(yīng)，除列車之外可應(yīng)用在其他制造領(lǐng)域?！按蠊β实臓恳齻鲃?dòng)系統(tǒng)技術(shù)具有很好的外延性，除軌道交通領(lǐng)域以外，大功率的牽引傳動(dòng)系統(tǒng)在很多工業(yè)傳動(dòng)領(lǐng)域都有很廣泛的應(yīng)用，比如軋鋼系統(tǒng)、船舶推進(jìn)系統(tǒng)、石油鉆井、電力系統(tǒng)等等。”南車時(shí)代電氣技術(shù)中心主任榮智林說(shuō)。
高速列車運(yùn)行依靠電能，是由受電弓與接觸網(wǎng)接觸完成的，這個(gè)過(guò)程被稱為“受流”環(huán)節(jié)。這項(xiàng)技術(shù)也是迄今為止技術(shù)專家們最關(guān)注的技術(shù)之一。“雙弓受流”技術(shù)曾經(jīng)是困擾工程技術(shù)人員的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，“現(xiàn)在看來(lái)這個(gè)也不太像技術(shù)難點(diǎn)了”，梁建英說(shuō)?！败囕v在高速運(yùn)行時(shí)，前弓在取電滑過(guò)接觸網(wǎng)時(shí)，會(huì)形成一個(gè)激擾波，導(dǎo)致后弓的離線可能性加大，影響車輛的牽引性能。如何保證后弓受流的穩(wěn)定性，這是技術(shù)上的難點(diǎn)。但是現(xiàn)在看來(lái)，已經(jīng)不存在了”。
追求更快速度
速度是技術(shù)發(fā)展的綜合實(shí)力。如同中國(guó)“兩彈一星”的研制，舉全國(guó)之力，近萬(wàn)名科研技術(shù)人員參與了高速列車的技術(shù)創(chuàng)新?！霸囼?yàn)列車的速度還只是實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的數(shù)據(jù)，實(shí)際的線路數(shù)據(jù)還有待于進(jìn)一步驗(yàn)證，我們希望有個(gè)高的速度值，讓全世界都能進(jìn)一步了解中國(guó)的高鐵技術(shù)和產(chǎn)品水平，其中的過(guò)程需要踏踏實(shí)實(shí)去做，而決不能急于求成?！绷航ㄓ⒄f(shuō)。
“時(shí)速605公里是試驗(yàn)臺(tái)上跑出的，不是在線路上的數(shù)據(jù)，實(shí)際的線路試驗(yàn)還需要一系列的考核?！崩畋f(shuō)。2007年4月3日，法國(guó)TGV在線路上創(chuàng)造574.8公里/小時(shí)試驗(yàn)最高速度，目前為止尚未有新的記錄刷新。2010年12月京滬先導(dǎo)段試驗(yàn)蚌埠-棗莊，CRH380A達(dá)到最高時(shí)速486.1公里，這個(gè)速度盡管是運(yùn)營(yíng)試驗(yàn)速度，它有別于法國(guó)TGV的純粹試驗(yàn)速度。就運(yùn)營(yíng)試驗(yàn)的速度值來(lái)講它是世界上最高的。
2011年，“7?23”甬溫線特別重大鐵路交通事故后，中國(guó)高鐵開始了對(duì)更高質(zhì)量目標(biāo)的追求，其中包括安全性、可靠性、舒適性等。事實(shí)上事故并不是緣于車的質(zhì)量，但是這次事故卻對(duì)中國(guó)高鐵的發(fā)展帶來(lái)了極大的影響。所有的鐵路人，包括南車四方的技術(shù)人員都在反思，那就是如何更好、更穩(wěn)健地推進(jìn)國(guó)家的高速鐵路事業(yè)。試驗(yàn)列車的研制是一個(gè)非常艱苦的過(guò)程。它以CRH380A新一代動(dòng)車組技術(shù)創(chuàng)新成果為基礎(chǔ)，遵循安全可靠的運(yùn)行目標(biāo)，針對(duì)系統(tǒng)集成、車體、轉(zhuǎn)向架、牽引、網(wǎng)絡(luò)控制、制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了諸多技術(shù)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了碳纖維材料、鎂鋁合金、納米材料、風(fēng)阻制動(dòng)系統(tǒng)等一系列新技術(shù)、新材料的裝車試驗(yàn)驗(yàn)證。整個(gè)列車的研制歷經(jīng)了兩年多的時(shí)間。
試驗(yàn)列車完成在實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試后，在廠區(qū)內(nèi)一條3.7公里的環(huán)形試驗(yàn)線上進(jìn)行了一個(gè)月可靠性試驗(yàn)，運(yùn)行里程約1000公里。受線路條件限制最高速度不得超過(guò)時(shí)速30公里，“對(duì)整車、系統(tǒng)及部件完成了初步可靠性驗(yàn)證”，工程師告訴記者。
多項(xiàng)新技術(shù)有待驗(yàn)證
高鐵，是中國(guó)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，而更高速列車則是中國(guó)創(chuàng)新能力的又一標(biāo)志性作品。工程師與科學(xué)家渴望上線試驗(yàn)銜接試驗(yàn)臺(tái)的驗(yàn)證結(jié)果，更加深入地探索超高速列車三大核心技術(shù)理論，即輪軌技術(shù)、空氣動(dòng)力學(xué)性能與弓網(wǎng)關(guān)系。
對(duì)工程師而言，諸多項(xiàng)設(shè)計(jì)是無(wú)法在臺(tái)架試驗(yàn)中完成的，更高速列車的三項(xiàng)核心技術(shù)有兩項(xiàng)無(wú)法驗(yàn)證，即空氣動(dòng)力學(xué)性能與弓網(wǎng)關(guān)系。
比如，臺(tái)架試驗(yàn)在室內(nèi)完成，缺少了風(fēng)，則無(wú)法完成空氣動(dòng)力的試驗(yàn)?！案咚倭熊囀滓尿?yàn)證是車的阻力特性，牽涉到能耗；其次是升力特性，涉及到脫軌系數(shù)；第三是脈動(dòng)力的大小，涉及到列車的安全性。還有就是交匯瞬時(shí)風(fēng)的阻力，以及安全的避讓距離。從理論上講，目前已有的公式對(duì)400公里與500公里的車應(yīng)該是適用的，就研究和印證來(lái)說(shuō)，這些都是需要通過(guò)線上試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證?！睏顕?guó)偉說(shuō)。另外，即便是雙向滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，也無(wú)法完成受電弓與接觸網(wǎng)的受流試驗(yàn)。
對(duì)做基礎(chǔ)理論研究的科學(xué)家而言，他們希望驗(yàn)證共性關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)理論機(jī)理。以脫軌系數(shù)為例，車輛運(yùn)行時(shí)，在線路狀況、運(yùn)用條件、車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)和裝載等因素最不利的組合條件下可能導(dǎo)致車輪脫軌，評(píng)定防止車輪脫軌穩(wěn)定性的指標(biāo)叫脫軌系數(shù)，這個(gè)系數(shù)越大越容易脫軌。
根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，0.8作為脫軌安全性的指標(biāo)。“但是我們對(duì)高速列車試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，列車在線上以480公里的速度，脫軌系數(shù)只有0.1-0.2左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.8。如果以每小時(shí)550公里的速度，實(shí)際運(yùn)行時(shí)的脫軌系數(shù)是多少？它涉及到高速基礎(chǔ)力學(xué)的研究。全球范圍的科學(xué)家們一直希望破解脫軌系數(shù)之謎?！鞭D(zhuǎn)向架高級(jí)工程師馬利軍說(shuō)。
帶動(dòng)行業(yè)發(fā)展
本世紀(jì)是高鐵的時(shí)代。美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬在2011年國(guó)情咨文中表示，“沒有理由讓歐洲和中國(guó)擁有最快的鐵路”，奧巴馬強(qiáng)烈意識(shí)到，高鐵將是重塑美國(guó)全球競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)制高點(diǎn)?！凹夹g(shù)上一定是要搶占制高點(diǎn)，誰(shuí)有搶占技術(shù)的制高點(diǎn)的能力，誰(shuí)就有帶動(dòng)行業(yè)發(fā)展的能力。以技術(shù)的先進(jìn)性驅(qū)動(dòng)市場(chǎng)的需求，這是全球市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)的規(guī)律。”梁建英說(shuō)。
2007年法國(guó)TGV創(chuàng)造“全球第一速”，以抗衡德國(guó)磁懸浮列車搶占市場(chǎng)的挑戰(zhàn)?！胺▏?guó)正是因?yàn)樵诼飞吓芰?70多公里，給世界各國(guó)明確的信號(hào)，我的技術(shù)是可行的。從此之后，世界高鐵市場(chǎng)法國(guó)成為佼佼者?！睏顕?guó)偉說(shuō)。中國(guó)高鐵駛向世界的腳步正在提速，說(shuō)明高速仍舊是趨勢(shì)。探索500公里以上超高速列車的技術(shù)，既是一項(xiàng)前瞻性的研究，也是拓展國(guó)際市場(chǎng)的技術(shù)儲(chǔ)備。
技術(shù)的成熟需要積淀，而市場(chǎng)的拓展則是瞬間的外延。中國(guó)高鐵從2004年開始，經(jīng)過(guò)9年的時(shí)間，從引進(jìn)、消化、吸收到如今技術(shù)的全面領(lǐng)先，更高速試驗(yàn)列車的研制是技術(shù)縱向發(fā)展的制高點(diǎn)，只有掌握技術(shù)的制高點(diǎn)，才能夠使技術(shù)縱向與橫向相互傳遞，覆蓋市場(chǎng)的面積遞增?！斑@個(gè)試驗(yàn)列車它的基礎(chǔ)是在CRH380A技術(shù)向上拓展的，而城際列車則是向下的拓展。高鐵這么多年的技術(shù)創(chuàng)新，其技術(shù)先進(jìn)性已經(jīng)向上下游產(chǎn)品傳遞?！绷航ㄓ⒄f(shuō)。
對(duì)技術(shù)的追求并未停止。為了更好地理解空氣動(dòng)力學(xué)的作用關(guān)系，南車四方股份公司正在計(jì)劃籌建一個(gè)小規(guī)模的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室?！半m然我們是一個(gè)工程單位，但是我們需要自己去突破，掌握和積淀一些新技術(shù)，想為以后留下點(diǎn)什么?！绷航ㄓ?duì)記者說(shuō)。
對(duì)更高速試驗(yàn)列車的線路驗(yàn)證，國(guó)家有關(guān)方面給予了充分的關(guān)注，列車的上線試驗(yàn)工作已在全面展開，列車的各項(xiàng)技術(shù)性能將在線路試驗(yàn)中得到進(jìn)一步驗(yàn)證。整個(gè)過(guò)程將分階段實(shí)施，會(huì)一步步獲取各種技術(shù)參數(shù)。“我們期盼它有非常好的表現(xiàn)，讓全世界都進(jìn)一步了解中國(guó)高鐵技術(shù)?！惫こ處焸冋f(shuō)。
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