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超越法国第一速:中国超高速列车离最快还有多远?

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超越法国第一速:中国超高速列车离最快还有多远?

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来源/制造界(ID:baixiu01)

作者/赵忆宁



本文摘自赵忆宁著《大国工程》,中国人民大学出版社2018年5月出版,制造界作为合作方经原作者授权发布。


一辆银灰色超高速试验列车卧在南车青岛四方机车车辆股份有限公司四方车体分厂的铁轨上,这辆台架试验时速达到605公里的列车,在这里静静等待了两年,采访时,它甚至还没有一个名字。



1/ 时速605公里超高速列车台上试验


山东,2011年4月18日,6节编组的超高速试验列车,被两台50吨的龙门吊“放置”在巨大的滚动试验台上,依靠滚动台的轮轨带动车辆的运行。这个试验台不仅具有当时世界最高滚动速度——时速600公里,而且可实现双向式滚动。6节超高速试验列车由地面2500伏高压供电系统输送电力,静态行驶。伴随着轰鸣声,超高速列车启动,经过不到2个小时,最后冲到了时速605公里的超高速


佩戴降噪耳机的30多位工程技术人员聚集在二层观察室,注视着滚动台上方大屏幕上变换的曲线。按照设定的程序,轮轴的时速从启动开始稳步上升,100公里,200公里,……直到580公里之后改变了提升速度的节奏,轮轴时速继续上升:585公里,590公里,595公里,600公里,602公里,604公里,605公里!当时速上升到605公里的时候,试验没有马上停止,列车保持该速度运行了10分钟,相当于在地面上行驶了100.8公里。


技术人员目不转睛地注视着眼前的操作台、控制台和监视台,收集67个加速传感器、16个温度传感器、7个位移传感器,以及电流、电压、噪声、电磁传感器发回的数据。“轮轴温度正常!”他们其中的一个人说道。有人指着屏幕回应:“粘着系数只有0.1!”“轮轴姿态平稳!真是太完美了!”只有36岁的现场指挥梁建英显得有些激动:“我们成功了!”周围一群比她更年轻的设计师、工程师情不自禁地相互拥抱。


为了这次试验,公司组织召开了七次方案讨论会。参加试验的电气开发部部长焦京海回忆说:“100~200公里时一点担心都没有,时速上了550公里以上心情开始激动,到600公里时就开始有点紧张了。”试验止步于605公里,是因为制定的试验目标为600公里。“试验台改建时,是按600公里设计的,速度再往上冲,担心对试验台不好。”主任设计师李兵解释说。


这辆由4万多个零件组成的超高速试验列车,经过150多项的仿真试验后,在2011年3月2日到11月20日的8个多月的时间,完成了包括系统集成、结构强度、舒适度和动力学4个领域的15个方面的所有专业测试。工程技术人员获得了超高速列车不同速度下的动力学性能、电气牵引性能以及车辆控制性能的数据。



2/ 高铁就像一架飞机在不停地起降


“高铁就像一架飞机在不停地起降。”中科院力学所杨国伟研究员这样说。杨国伟开创了跨声速非线性气动弹性研究,为中国高铁与大飞机研制提供空气动力与气动弹性方面的技术支撑。“坐飞机最危险的是起飞和降落,因为会有地面效应,包括建筑、风对飞机的激扰,所以飞机设计的难点在起和降的过程。而高速列车始终在地面上高速运行,从空气动力学上车与空气相互作用的角度来看,既要考虑地面对列车的强激扰,也要考虑到高速运行状况下气流对列车的激扰。波音737的巡航阻力系数在0.028左右,6节编组时速500公里的试验列车整车阻力系数约为0.75,所以说使超高速列车在地面运行的技术比使飞机在天上巡航的技术要复杂得多。”杨国伟说。


民用飞机每小时飞行距离800~900公里,中国研制的超高速列车每小时运行距离在500公里以上。与曾在线上以每小时380公里最高时速运行的CRH380A相比,时速500公里以上高速列车的技术边界条件必须清晰:“空气动力学性能的表征是什么?安全性保障的动力学特点有哪些?受轨道不平顺影响,对振动激扰的响应不断加大,如何保证舒适的乘车环境?比提高速度更重要的是,能不能很好地停下来?”四方机车技术中心设计主审梁建英说。


在列车高速行驶中,行驶速度的主要抗衡者竟是空气。列车在运行中需要克服的基本阻力包括车轮与轨道摩擦的机械阻力和空气阻力。“当列车以每小时200公里的速度行驶的时候,空气阻力占总阻力的70%左右,“和谐号”CRH380A在京沪高铁跑出486.1公里的时速时,空气阻力超过了总阻力的92%,如果跑到500公里以上,总阻力的95%以上是空气阻力。”主任设计师李兵说。列车运行速度提高到2倍,空气阻力将增至4倍。正是这个平方关系,让设计师绞尽脑汁。


空气阻力的三大影响因素,一是车头迎风受到的正面压力,以及车尾受空气尾流影响的后拉力;二是由于空气黏性作用于车体表面的摩擦阻力;三是列车底架以及列车表面凹凸结构引起的干扰阻力。工程师们为降低空气阻力,以列车头型减阻为研究的开端。工程师们在对200多种模型进行优化的基础上,做出20个与实际尺寸比例为1∶20的头型模型,再通过计算机仿真分析,把筛选出的五款车头模型送到绵阳29基地作风洞试验,最终名为“箭”的头型被选定。“从气动性能来讲,‘箭’与民航客机是可以媲美的。”李兵说。


让数百吨重的超高速列车在线路上飞跑,除了减少空气阻力外,加大机车的牵引能力是另一个关键。2008年6月24日创下了394.3公里最高时速的CRH3动车为8节编组,它的牵引总功率只有8800千瓦;6节编组的超高速试验列车在试验台上以每小时500~600公里的速度奔跑,其牵引总功率达到21120千瓦。“我们自主开发的大功率牵引变流器其列车牵引总功率可达到22800千瓦。正是有了大功率的交流传动技术,才有高速试验列车实现时速605公里的可能。”电气工程师焦京海说。



3/ 希望最高速度出现在中国


“超高速列车在试验台跑到时速605公里,创造了新的速度纪录,但它不被业界承认,因为不是在线路上跑出来的数据。”李兵说。2007年4月3日,法国TGV在线路上创造了574.8公里/小时的最高试验速度,目前为止尚未有新的纪录出现。2010年12月,京沪高铁枣庄至蚌埠间的先导段联调联试和综合试验中,CRH380A达到最高时速486.1公里,没有超过法国的纪录。中国超高速列车超越全球第一速,条件已经具备,只欠东风——上线试验。


按照原来的计划,2011年4月完成超高速列车台架综合性能试验后,将在京沪高铁枣庄经徐州至蚌埠的路轨上进行线路试验。100多公里的路轨按照时速500公里以上超高速列车运行需求建设成功,铁道部为此有明确的试验方案。


2011年,“7·23”甬温线特别重大铁路交通事故后,“速度”变成一个高度敏感词汇,从那时起不再被提起,而是转为对质量的追求,包括安全性、可靠性、舒适性。事实上,该事故并不是缘于机车的质量问题。而在此前后,原铁道部部长刘志军等官员因经济问题落马,对中国高铁发展造成更大的阴影:两年来,没有新的线路开通,生产企业没有获得新的国内订单。因为这意想不到的外部冲击,超高速列车的线上试验计划从那时起被搁置了整整两年。


超高速试验列车从它离开试验平台后,面临着不可能再有线路试验的尴尬:随着上线试验计划被搁置以及京沪线的开通,路轨重新按照适合380公里/小时的速度做了调整。超高速试验列车没有地方可以上线做试验了


围绕四方厂区,有一条3.7公里的闭合环形试验铁路。这辆有可能创造世界最高时速的列车,以每小时不超过30公里的速度在这条线上不停地跑了一个月,总里程约1000公里。之后,超高速列车就在那条铁轨上静卧等待,难免使人有“蛟龙无水困沙滩”“只盼伯乐识良马”的感慨。



4/ 多项创新技术等待上线验证


如同中国“两弹一星”的研制,超高速列车的研制也可谓举全国之力,有2万名科研人员、5万名工程技术人员参与超高速列车的研制。“我们当然希望最高速度能够出现在中国,由我们国家的车辆突破法国570多公里的时速值,让全世界认可中国的高铁技术。”梁建英说。“一旦给我们机会上线路试,不一定非要高速,哪怕就跑到350公里/小时,我们也可以验证新技术的应用情况,包括大功率牵引系统、网络系统以及控制系统。观察状态,获得参数,这对我们很重要。”李兵说。


高铁是中国战略性新兴产业之一,而超高速列车则是中国体现原创能力的标志性作品。工程师与科学家们渴望上线试验,以验证在试验台获得的试验结果,更加深入地探索中国超高速列车三大核心技术,即轮轨技术、空气动力学性能与弓网关系


对工程师而言,多项设计的验证是无法在台架试验中完成的,超高速列车的三项核心技术有两项无法验证,即空气动力学性能与弓网关系。比如,台架试验在室内完成,缺少了风,则无法完成与空气动力相关的试验。


对做基础理论研究的科学家而言,他们希望验证共性关键技术的基础理论和机理。以脱轨系数为例,车辆运行时,在线路状况、运用条件、车辆结构参数和装载等因素最不利的组合条件下可能导致车轮脱轨,评定防止车轮脱轨稳定性的指标叫脱轨系数这个系数越大越容易脱轨。根据国际标准,脱轨安全性的标准是0.8。“但是我们对高速列车做试验时发现,列车在线上每小时480公里的速度,脱轨系数只有0.1~0.2,远远小于0.8。如果每小时550公里的速度,实际运行时的脱轨系数是多少?为什么速度越快脱轨系数越小?它涉及高速基础力学的研究。全球范围的科学家们一直希望破解脱轨系数之谜。”转向架高级工程师马利军说。



5/ 抢占技术制高点,带动行业发展


本世纪是高铁的世纪。美国前总统奥巴马在2011年国情咨文中表示:“没有理由让欧洲和中国拥有最快的铁路。”奥巴马强烈意识到,高铁将是重塑美国全球竞争力的技术制高点。


2007年法国TGV创造“全球第一速”,以应对德国磁悬浮列车抢占市场的挑战。“法国TGV的列车在线路上跑出了570多公里/小时,正是这一点给世界各国发出明确的信号——‘我的技术是可行的’。从此之后,世界高铁市场中法国高铁卖得最好。”杨国伟说。中国高铁驶向世界的车轮正在提速,说明高速仍旧是趋势。探索时速500公里以上超高速列车的技术,既是一项前瞻性的研究,也是拓展国际市场的技术储备。


技术的成熟需要积淀,而市场的拓展则是瞬间的延伸。中国高铁2004年引进日本川崎E2-1000原车,经过9年的时间,从引进、消化、吸收到如今技术全面领先,超高速试验列车的研制是技术纵向发展的制高点。只有掌握技术的制高点,才能够实现技术纵向与横向相互传递,不断拓宽市场覆盖面。


“技术上一定要抢占制高点,谁有抢占技术制高点的能力,谁就有带动行业发展的能力。以技术的先进性驱动市场的需求,这是全球市场经济竞争的规律。”梁建英说。




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