7月9日在國家鐵道試驗中心展區(qū)拍攝的CR450BF動車組。新華社記者 才揚攝
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(nèi)外參會嘉賓關(guān)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(yè)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(lián)互通調(diào)試等一系列研發(fā)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(chuàng)新‘無人區(qū)’。”復(fù)興號動車組總體技術(shù)專家、中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司（以下簡稱“鐵科院”）首席研究員趙紅衛(wèi)告訴科技日報記者，為了將商業(yè)運營時速再提升50公里，國鐵集團牽頭組建創(chuàng)新聯(lián)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(nèi)首次創(chuàng)建時速400公里動車組技術(shù)體系。
1.6倍功率提升
提高列車速度，首先要考慮提升動力牽引系統(tǒng)性能。
為增強牽引性能，研發(fā)人員決定將具有自主知識產(chǎn)權(quán)的大功率永磁牽引系統(tǒng)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(wèi)介紹，“永磁系統(tǒng)有一大隱患，即電機在發(fā)生匝間或相間短路時，因永磁體緣故，并不會停止轉(zhuǎn)動，可能導(dǎo)致電機損壞，影響行車安全?！?/p>
為排除這一隱患，研發(fā)團隊一頭扎進實驗室三個多月，從優(yōu)化電機設(shè)計參數(shù)和控制策略入手，反復(fù)進行方案對比、試驗研究和實證驗證。
“我們創(chuàng)造出了‘三相主動短路防護技術(shù)’?！辫F科院機輛所研究員殷振環(huán)解釋，“這項技術(shù)就像一個精密的‘安全閥’，能在0.2秒內(nèi)快速識別短路故障，并自動將故障相繞組切換成閉環(huán)回路，阻止電機進一步損壞?！?/p>
技術(shù)成型后，部件可靠性還需在線路上“實戰(zhàn)”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(jīng)測算，要完成時速450公里沖高達速任務(wù)，列車功率需提升至額定功率的1.6倍。
試驗前夕，殷振環(huán)組織團隊連夜召開技術(shù)論證會，系統(tǒng)評估實施方案、明確工作分工。牽引動力系統(tǒng)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(huán)心中仍在打鼓，“沖高真能實現(xiàn)？”
“發(fā)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(jīng)測算，搭載新技術(shù)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(tǒng)不但動力十足，而且安全可靠?！币笳癍h(huán)說。
22%氣動減阻
“高速飛馳的列車，95%的運行阻力來自空氣?！辫F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(jié)約能耗，“減阻”勢在必行。突破口在哪里？
此前研制“復(fù)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(diào)整外形進一步降阻的空間有限。
但研發(fā)人員并未懈怠。他們在自然界中尋找靈感，基于仿生學(xué)原理探索新方案。百余種設(shè)計方案經(jīng)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?！壁w紅衛(wèi)說。面對挑戰(zhàn)，團隊繼續(xù)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(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，蘊藏著較大的減阻潛力?！鄙圮娊榻B，有成員提出了一個大膽設(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，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?！皼]想到效果如此顯著?！币笳癍h(huán)笑道，經(jīng)過反復(fù)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(guān)包覆結(jié)構(gòu)的最優(yōu)形狀與位置，同時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，一個既能有效減阻，又能兼顧結(jié)構(gòu)強度、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措施，列車運行阻力可有效降低22%?！鄙圮娬f，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(wěn)
CR450動車組不僅要“跑得快”，更要“停得穩(wěn)”。研發(fā)伊始，團隊就設(shè)定了一個極具挑戰(zhàn)的目標——提速后，制動距離與CR400動車組相同。即在6500米內(nèi)，實現(xiàn)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(nèi)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(fā)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(jīng)歷了上百次試驗?！辈烫锘貞?，“后續(xù)的材料性能和工藝驗證又持續(xù)了一年多。”
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(fā)團隊又從系統(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盤數(shù)量，將削減的制動力改由其他系統(tǒng)分擔。蔡田介紹，這一調(diào)整不僅解決了散熱問題，更深化了大家對整車系統(tǒng)間相互作用的認知。
制動過程中，制動力能否有效轉(zhuǎn)化為減速力，關(guān)鍵在于車輪與鋼軌間的黏著特性。CR450采用多階黏著制動技術(shù)，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(guān)鍵在于精準把控黏著力的極限點?！?/p>
然而，全球范圍內(nèi)，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(lǐng)域。團隊為此進行了數(shù)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(nèi)不同時間點上應(yīng)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(chǔ)。
樣車下線只是起點，運營交付才是目標?？蒲袌F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(yè)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。（何 亮）
（責任編輯：蔡文斌）
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