中國高鐵的速度有望再翻倍。
  南車青島四方機車車輛股份有限公司廠區內,一列銀灰色超速試驗列車停放在廠區的鐵軌上,這列台架試驗速度每小時達到605公里的列車,被命名為更高速度的試驗列車。
  實際上,這項試驗早在兩年多前就已開始,為了這次試驗,南車四方公司經過七次方案討論會。
  參加試驗的電氣開發部部長焦京海最近回憶說:“100-200公里時一點擔心都沒有,車速上了550公里以上心情開始激動,到600公里時就開始有點緊張了。”試驗止步於605公里,是因為制定的試驗目標為600公里,“試驗台建設時是按600公里設計的,再往上沖速度,擔心對試驗台不好”, 高級主任設計師李兵解釋說。
  當時速提升到605公里的時候,試驗沒有馬上停止,保持速度運行了10分鐘,這相當於在地面上行駛了100.8公里。
  技術難度比飛機高
  “高鐵就像一架飛機在不停地起降”,中科院力學所楊國偉研究員這樣說。楊國偉創立了跨聲速非線性氣動彈性研究,為中國高鐵與大飛機研製提供空氣動力與氣動彈性的技術支撐。
  “坐飛機最危險的是起飛和降落,因為地面效應包括建築、風對飛機的激擾,所以,飛機設計的難點在起和降的過程。而高速列車始終在地面上高速運行,從空氣動力學車與空氣相互的作用角度,既要考慮地面對列車的強激擾,也要考慮到高速運行狀況下氣流激擾。波音737的巡航阻力繫數約在0.028左右,6輛編組試驗列車整車阻力繫數約為0.48左右,所以說更高速列車比飛機在天上巡航時的技術難點要複雜得多。”楊國偉說。
  民用飛機每小時飛行距離800-850公里,中國研製的更高速試驗列車設計速度在每小時500公里以上,與目前在線上以每小時380公里最高時速運行的CRH380A相比,技術的邊界條件必須清晰。
  “空氣動力學性能的受軌道不平順影響,振動激擾響應不斷加大,如何保證列車高速運行的安全性;如何保證舒適的乘車環境;比提高速度更重要的是能夠很好的停下來。” 試驗現場指揮梁建英說。
  列車運行的阻力,包括車輪與軌道摩擦的機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,“當列車以每小時200公里行駛的時候,空氣阻力占總阻力的70%左右,和諧號CRH380A在京滬高鐵跑出時速486.1公里時,氣動阻力超過了總阻力的92%,如果跑到500公里以上,95%以上都是氣動阻力了”,李兵說。空氣阻力和列車運行速度的平方成近似正比關係,速度提高2倍,空氣阻力將增至4倍。正是這個平方關係,讓設計師絞盡腦汁。
  空氣阻力受三大因素影響,一是車頭迎風受到正壓力,與車尾受到的負壓力間產生的壓差阻力;二是由於空氣黏性作用於車體錶面的摩擦阻力;三是列車底架以及列車錶面凹凸結構引起的干擾阻力。
  工程師們為降低空氣阻力,應用仿生學和空氣動力學理論,創作了100多種頭型概念,優選構建了80餘種三維數字模型,開展了初步空氣動力學仿真,比選出20個氣動性能較優的頭型,進一步進行氣動優化,製作出1:20實物模型,根據仿真數據和美觀效果,最終製作五款1:8頭型分別做了風洞力學試驗和氣動噪聲試驗,名為“箭”的頭型被選中,其氣動噪聲、氣動阻力參數最優。“從氣動性能來講,‘箭’與民航客機是可以PK的。”李兵說。
  讓數百噸重的更高速列車在線路上飛跑,除了減少氣動阻力外,加大牽引能力是另一個關鍵。“六輛編組更高速試驗列車牽引總功率可達到21120千瓦。正是有了我們自主開發的大功率牽引系統,才有高速試驗列車實現台架試驗605公里/小時的可能。”焦京海說。
  大功率的牽引傳動系統的技術研發,具有強大的技術擴散效應,除列車之外可應用在其他製造領域。“大功率的牽引傳動系統技術具有很好的外延性,除軌道交通領域以外,大功率的牽引傳動系統在很多工業傳動領域都有很廣泛的應用,比如軋鋼系統、船舶推進系統、石油鑽井、電力系統等等。”南車時代電氣技術中心主任榮智林說。
  高速列車運行依靠電能,是由受電弓與接觸網接觸完成的,這個過程被稱為“受流”環節。這項技術也是迄今為止技術專家們最關註的技術之一。“雙弓受流”技術曾經是困擾工程技術人員的一個技術難點,“現在看來這個也不太像技術難點了”,梁建英說。“車輛在高速運行時,前弓在取電滑過接觸網時,會形成一個激擾波,導致後弓的離線可能性加大,影響車輛的牽引性能。如何保證後弓受流的穩定性,這是技術上的難點。但是現在看來,已經不存在了”。
  追求更快速度
  速度是技術發展的綜合實力。如同中國“兩彈一星”的研製,舉全國之力,近萬名科研技術人員參與了高速列車的技術創新。“試驗列車的速度還只是實驗室內的數據,實際的線路數據還有待於進一步驗證,我們希望有個高的速度值,讓全世界都能進一步瞭解中國的高鐵技術和產品水平,其中的過程需要踏踏實實去做,而決不能急於求成。”梁建英說。
  “時速605公里是試驗臺上跑出的,不是在線路上的數據,實際的線路試驗還需要一系列的考核。”李兵說。2007年4月3日,法國TGV在線路上創造574.8公里/小時試驗最高速度,目前為止尚未有新的記錄刷新。2010年12月京滬先導段試驗蚌埠-棗莊,CRH380A達到最高時速486.1公里,這個速度儘管是運營試驗速度,它有別於法國TGV的純粹試驗速度。就運營試驗的速度值來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後,中國高鐵開始了對更高質量目標的追求,其中包括安全性、可靠性、舒適性等。事實上事故並不是緣於車的質量,但是這次事故卻對中國高鐵的發展帶來了極大的影響。所有的鐵路人,包括南車四方的技術人員都在反思,那就是如何更好、更穩健地推進國家的高速鐵路事業。試驗列車的研製是一個非常艱苦的過程。它以CRH380A新一代動車組技術創新成果為基礎,遵循安全可靠的運行目標,針對系統集成、車體、轉向架、牽引、網絡控制、制動系統進行了諸多技術創新,實現了碳纖維材料、鎂鋁合金、納米材料、風阻制動系統等一系列新技術、新材料的裝車試驗驗證。整個列車的研製歷經了兩年多的時間。
  試驗列車完成在實驗室的測試後,在廠區內一條3.7公里的環形試驗線上進行了一個月可靠性試驗,運行里程約1000公里。受線路條件限制最高速度不得超過時速30公里,“對整車、系統及部件完成了初步可靠性驗證”,工程師告訴記者。
  多項新技術有待驗證
  高鐵,是中國戰略性新興產業之一,而更高速列車則是中國創新能力的又一標誌性作品。工程師與科學家渴望上線試驗銜接試驗台的驗證結果,更加深入地探索超高速列車三大核心技術理論,即輪軌技術、空氣動力學性能與弓網關係。
  對工程師而言,諸多項設計是無法在台架試驗中完成的,更高速列車的三項核心技術有兩項無法驗證,即空氣動力學性能與弓網關係。
  比如,台架試驗在室內完成,缺少了風,則無法完成空氣動力的試驗。“更高速列車首要的驗證是車的阻力特性,牽涉到能耗;其次是升力特性,涉及到脫軌繫數;第三是脈動力的大小,涉及到列車的安全性。還有就是交匯瞬時風的阻力,以及安全的避讓距離。從理論上講,目前已有的公式對400公里與500公里的車應該是適用的,就研究和印證來說,這些都是需要通過線上試驗進一步驗證。”楊國偉說。另外,即便是雙向滾動試驗台,也無法完成受電弓與接觸網的受流試驗。
  對做基礎理論研究的科學家而言,他們希望驗證共性關鍵技術的基礎理論機理。以脫軌繫數為例,車輛運行時,在線路狀況、運用條件、車輛結構參數和裝載等因素最不利的組合條件下可能導致車輪脫軌,評定防止車輪脫軌穩定性的指標叫脫軌繫數,這個繫數越大越容易脫軌。
  根據國際標準,0.8作為脫軌安全性的指標。“但是我們對高速列車試驗時發現,列車在線上以480公里的速度,脫軌繫數只有0.1-0.2左右,遠遠小於0.8。如果以每小時550公里的速度,實際運行時的脫軌繫數是多少?它涉及到高速基礎力學的研究。全球範圍的科學家們一直希望破解脫軌繫數之謎。”轉向架高級工程師馬利軍說。
  帶動行業發展
  本世紀是高鐵的時代。美國總統奧巴馬在2011年國情咨文中表示,“沒有理由讓歐洲和中國擁有最快的鐵路”,奧巴馬強烈意識到,高鐵將是重塑美國全球競爭力的技術制高點。“技術上一定是要搶占制高點,誰有搶占技術的制高點的能力,誰就有帶動行業發展的能力。以技術的先進性驅動市場的需求,這是全球市場經濟競爭的規律。”梁建英說。
  2007年法國TGV創造“全球第一速”,以抗衡德國磁懸浮列車搶占市場的挑戰。“法國正是因為在路上跑了570多公里,給世界各國明確的信號,我的技術是可行的。從此之後,世界高鐵市場法國成為佼佼者。”楊國偉說。中國高鐵駛向世界的腳步正在提速,說明高速仍舊是趨勢。探索500公里以上超高速列車的技術,既是一項前瞻性的研究,也是拓展國際市場的技術儲備。
  技術的成熟需要積澱,而市場的拓展則是瞬間的外延。中國高鐵從2004年開始,經過9年的時間,從引進、消化、吸收到如今技術的全面領先,更高速試驗列車的研製是技術縱向發展的制高點,只有掌握技術的制高點,才能夠使技術縱向與橫向相互傳遞,覆蓋市場的面積遞增。“這個試驗列車它的基礎是在CRH380A技術向上拓展的,而城際列車則是向下的拓展。高鐵這麼多年的技術創新,其技術先進性已經向上下游產品傳遞。”梁建英說。
  對技術的追求並未停止。為了更好地理解空氣動力學的作用關係,南車四方股份公司正在計劃籌建一個小規模的風洞實驗室。“雖然我們是一個工程單位,但是我們需要自己去突破,掌握和積澱一些新技術,想為以後留下點什麼。”梁建英對記者說。
  對更高速試驗列車的線路驗證,國家有關方面給予了充分的關註,列車的上線試驗工作已在全面展開,列車的各項技術性能將在線路試驗中得到進一步驗證。整個過程將分階段實施,會一步步獲取各種技術參數。“我們期盼它有非常好的表現,讓全世界都進一步瞭解中國高鐵技術。”工程師們說。來源:21世紀經濟報道
 
(編輯:SN091)
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