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時速400公里,中國高鐵駛入“無人區”

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7月9日,第十二屆世界高速鐵路大會期間,位于北京朝陽的國家鐵道試驗中心,成為國內外參會嘉賓關注的焦點。這里,大家爭相試乘體驗世界首款試驗運行時速450公里、商業運營時速400公里的新一代高速動車組——CR450。

當前,CR450動車組已完成樣車下線、型式試驗、互聯互通調試等一系列研發工作,正在開展考核試驗和性能驗證,為正線試運行做各項準備。

“這意味著中國鐵路已進入高鐵科技創新‘無人區’。”復興號動車組總體技術專家、中國鐵道科學研究院集團有限公司(以下簡稱“鐵科院”)首席研究員趙紅衛告訴科技日報記者,為了將商業運營時速再提升50公里,國鐵集團牽頭組建創新聯合體,先后攻克永磁牽引、氣動減阻、短距離制動等難題,在全球范圍內首次創建時速400公里動車組技術體系。

1.6倍功率提升

提高列車速度,首先要考慮提升動力牽引系統性能。

為增強牽引性能,研發人員決定將具有自主知識產權的大功率永磁牽引系統搬上CR450動車組,標志著我國高鐵開啟了“永磁時代”。

“裝車難度很大!”趙紅衛介紹,“永磁系統有一大隱患,即電機在發生匝間或相間短路時,因永磁體緣故,并不會停止轉動,可能導致電機損壞,影響行車安全。”

為排除這一隱患,研發團隊一頭扎進實驗室三個多月,從優化電機設計參數和控制策略入手,反復進行方案對比、試驗研究和實證驗證。

“我們創造出了‘三相主動短路防護技術’。”鐵科院機輛所研究員殷振環解釋,“這項技術就像一個精密的‘安全閥’,能在0.2秒內快速識別短路故障,并自動將故障相繞組切換成閉環回路,阻止電機進一步損壞。”

技術成型后,部件可靠性還需在線路上“實戰”驗證。

2023年6月至7月,一場列車交會試驗在福廈高鐵線路上展開。經測算,要完成時速450公里沖高達速任務,列車功率需提升至額定功率的1.6倍。

試驗前夕,殷振環組織團隊連夜召開技術論證會,系統評估實施方案、明確工作分工。牽引動力系統部件適用性評估、軟件變更測試、地面模擬試驗……盡管各項工作都已有序完成,殷振環心中仍在打鼓,“沖高真能實現?”

“發車!”6月28日,福廈高鐵湄洲灣跨海大橋,首列試驗列車率先啟動,1.5秒后對開列車跟進。經測算,搭載新技術部件的試驗列車以單列最高時速453公里、雙向兩列相對交會最高時速891公里運行。新的世界紀錄誕生了!

“我們先后在鄭萬、濟鄭、彌蒙和福廈高鐵開展20余萬公里的線路試驗,驗證了永磁牽引系統不但動力十足,而且安全可靠。”殷振環說。

22%氣動減阻

“高速飛馳的列車,95%的運行阻力來自空氣。”鐵科院機輛所研究員邵軍告訴記者,理論測算表明,時速提高50公里,阻力增加30%,能耗也隨之增加。

想要提速,又要節約能耗,“減阻”勢在必行。突破口在哪里?

此前研制“復興號”動車組時,科研人員已將車頭的“平順化”做到了極致。大家覺得,通過調整外形進一步降阻的空間有限。

但研發人員并未懈怠。他們在自然界中尋找靈感,基于仿生學原理探索新方案。百余種設計方案經過大量模擬仿真和風洞試驗層層篩選,最終,以高速飛翔的鷹隼和箭矢為原型的方案脫穎而出。仿真測試表明,新頭型可將運行阻力降低約2.6%。

“這與整體減阻20%以上的目標仍有很大差距。”趙紅衛說。面對挑戰,團隊繼續深入研究氣動仿真與測試,分析列車各部件的阻力分布,探尋減阻的理論極限。

突破口出現了!“我們發現,此前被忽視的列車下部轉向架區域,蘊藏著較大的減阻潛力。”邵軍介紹,有成員提出了一個大膽設想——能否用包覆結構將轉向架裸露區域覆蓋起來,從而形成更完整的氣動外形,以降低阻力?

這個被稱為“穿褲子”的思路帶來了意外之喜。“沒想到效果如此顯著。”殷振環笑道,經過反復研究確認,該方案確實能大幅減阻。

團隊隨即集中力量,重點攻關包覆結構的最優形狀與位置,同時解決包覆后可能出現的檢修難題。

一遍遍仿真、一次次方案修正……終于,一個既能有效減阻,又能兼顧結構強度、剛度以及檢修需求的方案誕生了。

“在此基礎上,結合流線型車頭、低阻力受電弓等多項措施,列車運行阻力可有效降低22%。”邵軍說,這意味著CR450動車組在時速提升50公里后,能耗水平仍與CR400動車組相當。

6500米制動停穩

CR450動車組不僅要“跑得快”,更要“停得穩”。研發伊始,團隊就設定了一個極具挑戰的目標——提速后,制動距離與CR400動車組相同。即在6500米內,實現400公里時速降至零。

這意味著巨大的制動能量要平衡。鐵科院機輛所副研究員蔡田形象地比喻:這一過程釋放的能量,足以在2分鐘內將6.8噸水從冰點加熱至沸點。

顯然,CR400動車組使用的制動材料已無法滿足要求,必須研發性能更強的新材料。為此,團隊成立了專項小組,攻堅具備耐高溫、抗變形、耐疲勞等特性的新型制動材料。“僅確定材料的‘配方’就經歷了上百次試驗。”蔡田回憶,“后續的材料性能和工藝驗證又持續了一年多。”

挑戰不止于材料。此前,為降低空氣阻力,將頭車和尾車轉向架包覆起來的方案,此時卻造成了制動散熱難題。

為平衡空氣阻力與散熱這對矛盾,研發團隊又從系統耦合入手,提出結構性調整方案:減少頭車和尾車的制動盤數量,將削減的制動力改由其他系統分擔。蔡田介紹,這一調整不僅解決了散熱問題,更深化了大家對整車系統間相互作用的認知。

制動過程中,制動力能否有效轉化為減速力,關鍵在于車輪與鋼軌間的黏著特性。CR450采用多階黏著制動技術,即剎車時逐級增強制動力。蔡田解釋:“如同‘雪天行車避免急剎防滑’的道理,關鍵在于精準把控黏著力的極限點。”

然而,全球范圍內,高鐵高速制動黏著特性的研究均止步于時速350公里。400公里時速下的黏著特性曲線是未知領域。團隊為此進行了數千次制動性能測試,精準計算出大功率盤形制動摩擦副,在短時間內不同時間點上應施加的壓力值。

最終,他們成功繪制出時速350公里至400公里制動工況下的黏著特性曲線。這一重要成果填補了國際空白,為CR450的精準高效制動奠定了堅實的理論基礎。

樣車下線只是起點,運營交付才是目標。科研團隊正緊鑼密鼓地進行最后的試驗和驗證,全力打通邁向商業運營的“最后一公里”,讓這列時速400公里的“國之重器”馳騁神州。(記者 何 亮)

來源:科技日報

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