CR450動(dòng)車組二等座車廂。圖為中新社記者賈天勇攝 數(shù)據(jù)來源：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)
CR450動(dòng)車組司機(jī)室。圖為中新社記者賈天勇攝 數(shù)據(jù)來源：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)
CR450青年團(tuán)隊(duì)成員在試驗(yàn)列車上研討技術(shù)細(xì)節(jié)。圖為中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)提供
試驗(yàn)列車行駛在湄洲灣跨海大橋上。圖為中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)提供
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日前，CR450動(dòng)車組樣車正式亮相。商業(yè)運(yùn)營(yíng)時(shí)速400公里，試驗(yàn)時(shí)速450公里，中國(guó)高鐵再次領(lǐng)跑全球。
CR450動(dòng)車組研發(fā)有何難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了哪些技術(shù)突破，背后有怎樣的故事？日前，本報(bào)記者走近CR450科技創(chuàng)新工程關(guān)鍵系統(tǒng)研發(fā)和試驗(yàn)青年團(tuán)隊(duì)，看他們?nèi)绾沃R450動(dòng)車組“貼地飛行”。
廣袤大地，列車飛馳。
商業(yè)運(yùn)營(yíng)時(shí)速400公里，從時(shí)速400公里到時(shí)速0、制動(dòng)距離只需要6500米，標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組每公里能耗只需22至23千瓦時(shí)……CR450動(dòng)車組的研制，匯聚著眾多科研工作者的智慧與艱辛，見證著中國(guó)高鐵新的輝煌與榮光。
時(shí)間撥回到2021年。這一年，“CR450科技創(chuàng)新工程”正式實(shí)施，由國(guó)鐵集團(tuán)牽頭，聯(lián)合國(guó)內(nèi)科研院所、高校、企業(yè)等科研力量組成創(chuàng)新聯(lián)合體，開展協(xié)同攻關(guān)。其中，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)作為技術(shù)牽頭單位，組建了一支參與人數(shù)達(dá)210人、橫跨七大專業(yè)的CR450科技創(chuàng)新工程關(guān)鍵系統(tǒng)研發(fā)和試驗(yàn)青年團(tuán)隊(duì)（以下簡(jiǎn)稱“CR450青年團(tuán)隊(duì)”）。
與時(shí)間賽跑，這項(xiàng)耗時(shí)多年的項(xiàng)目讓我國(guó)在全球范圍內(nèi)首次建立起商業(yè)運(yùn)營(yíng)時(shí)速400公里動(dòng)車組的標(biāo)準(zhǔn)體系，為更快的“中國(guó)速度”寫下生動(dòng)注腳。
既要起步快更要停得穩(wěn)，如何實(shí)現(xiàn)
研發(fā)新材料，升級(jí)響應(yīng)系統(tǒng)，提升制動(dòng)性能
“在沒有任何經(jīng)驗(yàn)可供借鑒的情況下，為CR450動(dòng)車組確定頂層技術(shù)指標(biāo)像是在‘無人區(qū)’里進(jìn)行探索，一切必須慎之又慎?！盋R450青年團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人許聰說。
為了探索出新的技術(shù)路徑，許聰帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)先后實(shí)地開展50余次調(diào)查研究和訪談咨詢，開展100余項(xiàng)仿真試驗(yàn)和70余項(xiàng)地面試驗(yàn)，以確保總體技術(shù)條件的先進(jìn)性和可行性。最終，通過不同系統(tǒng)成員協(xié)同攻關(guān)，包括速度、安全、能耗、噪聲等在內(nèi)的指標(biāo)被確定下來。
“放眼全球，商業(yè)運(yùn)營(yíng)時(shí)速400公里確屬首次?！痹S聰說，雖然國(guó)內(nèi)外曾有過類似嘗試，但都是試驗(yàn)列車，“商業(yè)運(yùn)營(yíng)考驗(yàn)的是列車長(zhǎng)期穩(wěn)定安全運(yùn)行的能力?！?/p>
長(zhǎng)期穩(wěn)定安全運(yùn)行，意味著動(dòng)車既要起步快，更要停得穩(wěn)。時(shí)速提高50公里，但要與CR400動(dòng)車組在時(shí)速350公里時(shí)的緊急制動(dòng)距離基本一致，如何做到？
數(shù)據(jù)測(cè)算顯示，在時(shí)速400公里背景下，如果使用CR400動(dòng)車組的制動(dòng)系統(tǒng)，緊急制動(dòng)距離需要8500至9000米，與6500米的目標(biāo)相差甚遠(yuǎn)。
“列車的制動(dòng)過程，需要將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，在6500米內(nèi)將時(shí)速?gòu)?00公里降到0，所釋放的能量能在2分鐘內(nèi)將6.8噸水從零攝氏度加熱到100攝氏度?！辫F科院集團(tuán)機(jī)輛所副研究員韓曉東說，CR400動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)所使用的材料已無法滿足新工況要求，亟須研發(fā)新材料。
為此，以CR450青年團(tuán)隊(duì)為主力的攻關(guān)小組正式成立，專門研發(fā)耐高溫、抗變形、耐疲勞的新材料?！肮馐菍ふ易罴巡牧稀浞健?，我們就花了半年時(shí)間。后續(xù)，又用了一年時(shí)間驗(yàn)證工藝過程、材料性能?！表n曉東說。
材料的研發(fā)有條不紊，制動(dòng)響應(yīng)系統(tǒng)的升級(jí)也在進(jìn)行?！绊憫?yīng)時(shí)間越短，留給真正制動(dòng)的時(shí)間就越多?！盋R450青年團(tuán)隊(duì)成員、鐵科院集團(tuán)機(jī)輛所副研究員邵林介紹，CR450動(dòng)車組通過創(chuàng)新采用時(shí)間敏感網(wǎng)（TSN）傳輸信號(hào)，實(shí)時(shí)傳輸性能提升10倍，制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間從CR400動(dòng)車組的2.3秒減少到1.7秒。
從制動(dòng)系統(tǒng)、牽引動(dòng)力、網(wǎng)絡(luò)控制到安全監(jiān)測(cè)，團(tuán)隊(duì)為每個(gè)關(guān)鍵系統(tǒng)都設(shè)計(jì)了專屬數(shù)字模型，通過精密計(jì)算和反復(fù)試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)性能提升20%以上。最終，在運(yùn)行時(shí)速提高50公里情況下，CR450動(dòng)車組制動(dòng)距離與CR400動(dòng)車組基本一致。
跑得更快能耗不變，怎樣達(dá)成
包覆轉(zhuǎn)向架腔，降低運(yùn)行阻力，應(yīng)用輕質(zhì)材料，實(shí)現(xiàn)“瘦身健體”
實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組商業(yè)運(yùn)營(yíng)，要在安全的基礎(chǔ)上保證經(jīng)濟(jì)性。因此，能否讓列車跑得更快、能耗不變便成為研發(fā)團(tuán)隊(duì)面臨的又一道難題。
“降阻、減重是關(guān)鍵?！痹S聰介紹，高速飛馳的列車，氣動(dòng)阻力隨速度的平方增長(zhǎng)，列車95%的運(yùn)行阻力來自空氣。理論測(cè)算顯示，時(shí)速提高50公里，阻力將增加30%，牽引能耗主要在與空氣阻力“對(duì)抗”。
降低空氣阻力，哪里是突破口？研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過大量仿真和試驗(yàn)，分析車輛不同部位受到的空氣阻力，探索各個(gè)部位減阻的理論極限值。最終，研發(fā)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架區(qū)域還有較大的減阻潛力。
“對(duì)此，我們提出在轉(zhuǎn)向架區(qū)域包覆結(jié)構(gòu)上下功夫，通過采取類似裙板下拉環(huán)抱的方式，將整個(gè)轉(zhuǎn)向架腔包覆起來，有效降低了整車運(yùn)行阻力?！盋R450青年團(tuán)隊(duì)成員、鐵科院集團(tuán)機(jī)輛所副研究員陳璨說。
然而，轉(zhuǎn)向架是動(dòng)車組列車的“腿”，承擔(dān)著負(fù)重、牽引、制動(dòng)、減振等任務(wù)，包覆后轉(zhuǎn)向架區(qū)域的散熱、后期檢修又該如何進(jìn)行？
“要直面問題、解決問題，用創(chuàng)新的思維提出優(yōu)化方案?！标愯舱f，團(tuán)隊(duì)從設(shè)計(jì)方案優(yōu)化、仿真分析校核，再到地面試驗(yàn)和實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證，一遍遍測(cè)試、一次次修正方案，最終讓包覆結(jié)構(gòu)既實(shí)現(xiàn)減阻效果，又兼顧散熱、強(qiáng)度和剛度等多重目標(biāo)。
最終，研發(fā)團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組整車運(yùn)行阻力降低22%。再加上采用碳纖維復(fù)合材料、鋁鎂合金等輕質(zhì)高強(qiáng)度材料，以及應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，將動(dòng)車組減重10%，實(shí)現(xiàn)CR450與CR400能耗相當(dāng)?shù)哪繕?biāo)。“所有的努力都是值得的?！标愯舱f。
真實(shí)場(chǎng)景下的可靠性，如何檢驗(yàn)
創(chuàng)新測(cè)試方法，開展20余萬公里線路試驗(yàn)
動(dòng)車組的研制，僅靠仿真計(jì)算和臺(tái)架試驗(yàn)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要在真實(shí)場(chǎng)景下檢驗(yàn)關(guān)鍵部件的性能。2023年6月至7月，一場(chǎng)列車交會(huì)試驗(yàn)在福廈高鐵線路上展開。
精準(zhǔn)交會(huì)有多難？彼時(shí)，試驗(yàn)列車的試驗(yàn)速度已達(dá)到450公里每小時(shí)，列車每1秒就要跑出約125米?！耙雽?shí)現(xiàn)測(cè)試需求、縮小交會(huì)誤差，以秒為單位調(diào)整發(fā)車時(shí)間差已經(jīng)滿足不了精度要求?！盋R450青年團(tuán)隊(duì)試驗(yàn)指揮劉磊說。
“可以把倒計(jì)時(shí)裝置改成專業(yè)秒表，以半秒為單位控制發(fā)車時(shí)間差?！彪S著一場(chǎng)場(chǎng)討論反復(fù)進(jìn)行，一系列配套的調(diào)整也逐漸清晰。
交會(huì)試驗(yàn)如期開展。這頭，劉磊手拿對(duì)講機(jī)、兩塊秒表，整裝待發(fā)；那頭，另一列試驗(yàn)列車上，試驗(yàn)指揮李元平屏息靜氣、時(shí)刻準(zhǔn)備。
三、二、一，發(fā)車！首列試驗(yàn)列車發(fā)出，1.5秒后，對(duì)開列車發(fā)車……“時(shí)速450公里，交會(huì)誤差5米以內(nèi)！”劉磊回憶。
在CR450動(dòng)車組的研制過程中，像這樣的試驗(yàn)有很多。研發(fā)團(tuán)隊(duì)先后在鄭萬、濟(jì)鄭、彌蒙和福廈高鐵開展了20余萬公里的線路試驗(yàn)，同時(shí)創(chuàng)造了多項(xiàng)歷史：在福廈高鐵湄洲灣跨海大橋，搭載新技術(shù)部件的試驗(yàn)列車以相對(duì)交會(huì)最高時(shí)速891公里運(yùn)行；在福廈高鐵海尾隧道，試驗(yàn)列車以相對(duì)交會(huì)最高時(shí)速840公里運(yùn)行，分別創(chuàng)造高鐵動(dòng)車組明線、隧道交會(huì)速度世界紀(jì)錄。
試驗(yàn)，除了要在列車上監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，還需要大量的地面測(cè)試。地面測(cè)試團(tuán)隊(duì)需要提前在路面布置傳感器，實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸回實(shí)驗(yàn)室?！拔覀?cè)诟＝ㄆ翁镬`川鎮(zhèn)的橋頭村待了2個(gè)月?！钡孛鏈y(cè)試團(tuán)隊(duì)成員、鐵科院集團(tuán)鐵建所副研究員李泰灃說，每天清晨，團(tuán)隊(duì)成員跨過鄉(xiāng)間田壟，在工程現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)傳感器，并將接頭與采集儀相連進(jìn)行調(diào)試，從而保證試驗(yàn)的順利進(jìn)行?！肮ぷ麟m然單一，但大家堅(jiān)守工程一線，從不喊苦喊累?！崩钐栒f。
為了表彰團(tuán)隊(duì)為CR450樣車研制所作的貢獻(xiàn)，CR450青年團(tuán)隊(duì)獲評(píng)第二十八屆“中國(guó)青年五四獎(jiǎng)?wù)录w”。“榮譽(yù)是對(duì)我們的鞭策，我們將繼續(xù)鼓足干勁，不斷為高鐵事業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。”許聰說。
眼下，雖然CR450樣車已經(jīng)下線，但研發(fā)團(tuán)隊(duì)的工作還沒有結(jié)束。他們將為CR450動(dòng)車組樣車開展一系列線路試驗(yàn)和考核，進(jìn)一步檢驗(yàn)各項(xiàng)性能指標(biāo)，為CR450動(dòng)車組早日投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)創(chuàng)造條件。
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