試驗時速605公里列車 高鐵時速有望再翻倍

孤寂如雲

中國南車制造的CIT500型的試驗速度達到了605公里/小時（圖片：中國網）

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，再往上衝速度，擔心對試驗台（註：測試列車性能的平台，通過讓滾軸旋轉來帶動列車車輪高速轉動，以此模擬列車行進，並在試驗中收集參數以檢查列車是否有潛在問題。這有點像人使用的跑步機，自身不動而跑到轉動）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制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的巡航阻力系數約在0.028左右，6輛編組試驗列車整車阻力系數約為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復雜得多。”楊國偉說。

民用飛機每小時飛行距離800-850公里，中國研制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系，速度提高2倍，空氣阻力將增至4倍。正是這個平方關系，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表面的摩擦阻力；三是列車底架以及列車表面凹凸結構引起的幹擾阻力。

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余種三維數字模型，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，制作出1:20實物模型，根據仿真數據和美觀效果，最終制作五款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制造領域。“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、石油鉆井、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注的技術之一。“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”的研制，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了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公里是試驗台上跑出的，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，這個速度盡管是運營試驗速度，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。試驗列車的研制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。整個列車的研制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系。

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系。

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，涉及到脫軌系數；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。以脫軌系數為例，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系數，這個系數越大越容易脫軌。

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，脫軌系數只有0.1-0.2左右，遠遠小於0.8。如果以每小時550公里的速度，實際運行時的脫軌系數是多少？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系數之謎。”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制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遊產品傳遞。”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系，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注，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，讓全世界都進一步了解中國高鐵技術。”工程師們說。

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