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(qū)內(nèi)，一列銀灰色超速試驗列車停放在廠區(qū)的鐵軌上，這列臺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(jīng)過七次方案討論會。
參加試驗的電氣開發(fā)部部長焦京海最近回憶說：“100-200公里時一點擔(dān)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?！痹囼炛共接?05公里，是因為制定的試驗?zāi)繕?biāo)為600公里，“試驗臺建設(shè)時是按600公里設(shè)計的，再往上沖速度，擔(dān)心對試驗臺不好”， 高級主任設(shè)計師李兵解釋說。
當(dāng)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(dāng)于在地面上行駛了100.8公里。
技術(shù)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(xué)所楊國偉研究員這樣說。楊國偉創(chuàng)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(shù)支撐。
“坐飛機最危險的是起飛和降落，因為地面效應(yīng)包括建筑、風(fēng)對飛機的激擾，所以,飛機設(shè)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(xué)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(shù)約在0.028左右，6輛編組試驗列車整車阻力系數(shù)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(shù)難點要復(fù)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(shè)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(shù)的邊界條件必須清晰。
“空氣動力學(xué)性能的受軌道不平順影響，振動激擾響應(yīng)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(huán)境；比提高速度更重要的是能夠很好的停下來。” 試驗現(xiàn)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(dāng)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(guān)系，速度提高2倍，空氣阻力將增至4倍。正是這個平方關(guān)系，讓設(shè)計師絞盡腦汁。
空氣阻力受三大因素影響，一是車頭迎風(fēng)受到正壓力，與車尾受到的負(fù)壓力間產(chǎn)生的壓差阻力；二是由于空氣黏性作用于車體表面的摩擦阻力；三是列車底架以及列車表面凹凸結(jié)構(gòu)引起的干擾阻力。
工程師們?yōu)榻档涂諝庾枇?應(yīng)用仿生學(xué)和空氣動力學(xué)理論，創(chuàng)作了100多種頭型概念，優(yōu)選構(gòu)建了80余種三維數(shù)字模型，開展了初步空氣動力學(xué)仿真，比選出20個氣動性能較優(yōu)的頭型，進一步進行氣動優(yōu)化，制作出1：20實物模型，根據(jù)仿真數(shù)據(jù)和美觀效果，最終制作五款1：8頭型分別做了風(fēng)洞力學(xué)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(shù)最優(yōu)。“從氣動性能來講，‘箭’與民航客機是可以PK的。”李兵說。
讓數(shù)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(guān)鍵?！傲v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(fā)的大功率牽引系統(tǒng)，才有高速試驗列車實現(xiàn)臺架試驗605公里/小時的可能?！苯咕┖Ｕf。
大功率的牽引傳動系統(tǒng)的技術(shù)研發(fā)，具有強大的技術(shù)擴散效應(yīng)，除列車之外可應(yīng)用在其他制造領(lǐng)域?！按蠊β实臓恳齻鲃酉到y(tǒng)技術(shù)具有很好的外延性，除軌道交通領(lǐng)域以外，大功率的牽引傳動系統(tǒng)在很多工業(yè)傳動領(lǐng)域都有很廣泛的應(yīng)用，比如軋鋼系統(tǒng)、船舶推進系統(tǒng)、石油鉆井、電力系統(tǒng)等等。”南車時代電氣技術(shù)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(wǎng)接觸完成的，這個過程被稱為“受流”環(huán)節(jié)。這項技術(shù)也是迄今為止技術(shù)專家們最關(guān)注的技術(shù)之一?！半p弓受流”技術(shù)曾經(jīng)是困擾工程技術(shù)人員的一個技術(shù)難點，“現(xiàn)在看來這個也不太像技術(shù)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(wǎng)時，會形成一個激擾波，導(dǎo)致后弓的離線可能性加大，影響車輛的牽引性能。如何保證后弓受流的穩(wěn)定性，這是技術(shù)上的難點。但是現(xiàn)在看來，已經(jīng)不存在了”。
追求更快速度
速度是技術(shù)發(fā)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(shù)人員參與了高速列車的技術(shù)創(chuàng)新?！霸囼灹熊嚨乃俣冗€只是實驗室內(nèi)的數(shù)據(jù)，實際的線路數(shù)據(jù)還有待于進一步驗證，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(shù)和產(chǎn)品水平，其中的過程需要踏踏實實去做，而決不能急于求成?！绷航ㄓ⒄f。
“時速605公里是試驗臺上跑出的，不是在線路上的數(shù)據(jù)，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(chuàng)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(dǎo)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，它有別于法國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后，中國高鐵開始了對更高質(zhì)量目標(biāo)的追求，其中包括安全性、可靠性、舒適性等。事實上事故并不是緣于車的質(zhì)量，但是這次事故卻對中國高鐵的發(fā)展帶來了極大的影響。所有的鐵路人，包括南車四方的技術(shù)人員都在反思，那就是如何更好、更穩(wěn)健地推進國家的高速鐵路事業(yè)。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(shù)創(chuàng)新成果為基礎(chǔ)，遵循安全可靠的運行目標(biāo)，針對系統(tǒng)集成、車體、轉(zhuǎn)向架、牽引、網(wǎng)絡(luò)控制、制動系統(tǒng)進行了諸多技術(shù)創(chuàng)新，實現(xiàn)了碳纖維材料、鎂鋁合金、納米材料、風(fēng)阻制動系統(tǒng)等一系列新技術(shù)、新材料的裝車試驗驗證。整個列車的研制歷經(jīng)了兩年多的時間。
試驗列車完成在實驗室的測試后，在廠區(qū)內(nèi)一條3.7公里的環(huán)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(tǒng)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(shù)有待驗證
高鐵，是中國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，而更高速列車則是中國創(chuàng)新能力的又一標(biāo)志性作品。工程師與科學(xué)家渴望上線試驗銜接試驗臺的驗證結(jié)果，更加深入地探索超高速列車三大核心技術(shù)理論，即輪軌技術(shù)、空氣動力學(xué)性能與弓網(wǎng)關(guān)系。
對工程師而言，諸多項設(shè)計是無法在臺架試驗中完成的，更高速列車的三項核心技術(shù)有兩項無法驗證，即空氣動力學(xué)性能與弓網(wǎng)關(guān)系。
比如，臺架試驗在室內(nèi)完成，缺少了風(fēng)，則無法完成空氣動力的試驗?！案咚倭熊囀滓尿炞C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(shù)；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(fēng)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(yīng)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臺，也無法完成受電弓與接觸網(wǎng)的受流試驗。
對做基礎(chǔ)理論研究的科學(xué)家而言，他們希望驗證共性關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)理論機理。以脫軌系數(shù)為例，車輛運行時，在線路狀況、運用條件、車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)和裝載等因素最不利的組合條件下可能導(dǎo)致車輪脫軌，評定防止車輪脫軌穩(wěn)定性的指標(biāo)叫脫軌系數(shù)，這個系數(shù)越大越容易脫軌。
根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)，0.8作為脫軌安全性的指標(biāo)。“但是我們對高速列車試驗時發(fā)現(xiàn)，列車在線上以480公里的速度，脫軌系數(shù)只有0.1-0.2左右，遠遠小于0.8。如果以每小時550公里的速度，實際運行時的脫軌系數(shù)是多少？它涉及到高速基礎(chǔ)力學(xué)的研究。全球范圍的科學(xué)家們一直希望破解脫軌系數(shù)之謎?！鞭D(zhuǎn)向架高級工程師馬利軍說。
帶動行業(yè)發(fā)展
本世紀(jì)是高鐵的時代。美國總統(tǒng)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(shù)制高點?！凹夹g(shù)上一定是要搶占制高點，誰有搶占技術(shù)的制高點的能力，誰就有帶動行業(yè)發(fā)展的能力。以技術(shù)的先進性驅(qū)動市場的需求，這是全球市場經(jīng)濟競爭的規(guī)律。”梁建英說。
2007年法國TGV創(chuàng)造“全球第一速”，以抗衡德國磁懸浮列車搶占市場的挑戰(zhàn)。“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(shù)是可行的。從此之后，世界高鐵市場法國成為佼佼者?！睏顕鴤フf。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(shù)，既是一項前瞻性的研究，也是拓展國際市場的技術(shù)儲備。
技術(shù)的成熟需要積淀，而市場的拓展則是瞬間的外延。中國高鐵從2004年開始，經(jīng)過9年的時間，從引進、消化、吸收到如今技術(shù)的全面領(lǐng)先，更高速試驗列車的研制是技術(shù)縱向發(fā)展的制高點，只有掌握技術(shù)的制高點，才能夠使技術(shù)縱向與橫向相互傳遞，覆蓋市場的面積遞增?！斑@個試驗列車它的基礎(chǔ)是在CRH380A技術(shù)向上拓展的，而城際列車則是向下的拓展。高鐵這么多年的技術(shù)創(chuàng)新，其技術(shù)先進性已經(jīng)向上下游產(chǎn)品傳遞?！绷航ㄓ⒄f。
對技術(shù)的追求并未停止。為了更好地理解空氣動力學(xué)的作用關(guān)系，南車四方股份公司正在計劃籌建一個小規(guī)模的風(fēng)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，掌握和積淀一些新技術(shù)，想為以后留下點什么?！绷航ㄓτ浾哒f。
對更高速試驗列車的線路驗證，國家有關(guān)方面給予了充分的關(guān)注，列車的上線試驗工作已在全面展開，列車的各項技術(shù)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(shù)參數(shù)。“我們期盼它有非常好的表現(xiàn)，讓全世界都進一步了解中國高鐵技術(shù)?！惫こ處焸冋f。
