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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(yàn)中心，成為國內(nèi)外參會嘉賓關(guān)注的焦點(diǎn)。這里，大家爭相試乘體驗(yàn)世界首款試驗(yàn)運(yùn)行時速450公里、商業(yè)運(yùn)營時速400公里的新一代高速動車組——CR450。

當(dāng)前，CR450動車組已完成樣車下線、型式試驗(yàn)、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(yàn)和性能驗(yàn)證，為正線試運(yùn)行做各項(xiàng)準(zhǔn)備。

“這意味著中國鐵路已進(jìn)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(tuán)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(yùn)營時速再提升50公里，國鐵集團(tuán)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。

(資料圖片僅供參考)

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(qiáng)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(biāo)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(jī)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(jī)損壞，影響行車安全。”

為排除這一隱患，研發(fā)團(tuán)隊(duì)一頭扎進(jìn)實(shí)驗(yàn)室三個多月，從優(yōu)化電機(jī)設(shè)計參數(shù)和控制策略入手，反復(fù)進(jìn)行方案對比、試驗(yàn)研究和實(shí)證驗(yàn)證。

“我們創(chuàng)造出了‘三相主動短路防護(hù)技術(shù)’。”鐵科院機(jī)輛所研究員殷振環(huán)解釋，“這項(xiàng)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(jī)進(jìn)一步損壞。”

技術(shù)成型后，部件可靠性還需在線路上“實(shí)戰(zhàn)”驗(yàn)證。

2023年6月至7月，一場列車交會試驗(yàn)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(dá)速任務(wù)，列車功率需提升至額定功率的1.6倍。

試驗(yàn)前夕，殷振環(huán)組織團(tuán)隊(duì)連夜召開技術(shù)論證會，系統(tǒng)評估實(shí)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(yàn)……盡管各項(xiàng)工作都已有序完成，殷振環(huán)心中仍在打鼓，“沖高真能實(shí)現(xiàn)？”

“發(fā)車！”6月28日，福廈高鐵湄洲灣跨海大橋，首列試驗(yàn)列車率先啟動，1.5秒后對開列車跟進(jìn)。經(jīng)測算，搭載新技術(shù)部件的試驗(yàn)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(yùn)行。新的世界紀(jì)錄誕生了！

“我們先后在鄭萬、濟(jì)鄭、彌蒙和福廈高鐵開展20余萬公里的線路試驗(yàn)，驗(yàn)證了永磁牽引系統(tǒng)不但動力十足，而且安全可靠。”殷振環(huán)說。

22%氣動減阻

“高速飛馳的列車，95%的運(yùn)行阻力來自空氣。”鐵科院機(jī)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(jìn)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(fēng)洞試驗(yàn)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(yùn)行阻力降低約2.6%。

“這與整體減阻20%以上的目標(biāo)仍有很大差距。”趙紅衛(wèi)說。面對挑戰(zhàn)，團(tuán)隊(duì)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(yùn)藏著較大的減阻潛力。”邵軍介紹，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。“沒想到效果如此顯著。”殷振環(huán)笑道，經(jīng)過反復(fù)研究確認(rèn)，該方案確實(shí)能大幅減阻。

團(tuán)隊(duì)隨即集中力量，重點(diǎn)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(qiáng)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(xiàng)措施，列車運(yùn)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(dāng)。

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(tuán)隊(duì)就設(shè)定了一個極具挑戰(zhàn)的目標(biāo)——提速后，制動距離與CR400動車組相同。即在6500米內(nèi)，實(shí)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(jī)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(diǎn)加熱至沸點(diǎn)。

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(qiáng)的新材料。為此，團(tuán)隊(duì)成立了專項(xiàng)小組，攻堅(jiān)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(yàn)。”蔡田回憶，“后續(xù)的材料性能和工藝驗(yàn)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(tuán)隊(duì)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(dān)。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(rèn)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(qiáng)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(zhǔn)把控黏著力的極限點(diǎn)。”

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(tuán)隊(duì)為此進(jìn)行了數(shù)千次制動性能測試，精準(zhǔn)計算出大功率盤形制動摩擦副，在短時間內(nèi)不同時間點(diǎn)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(bǔ)了國際空白，為CR450的精準(zhǔn)高效制動奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

樣車下線只是起點(diǎn)，運(yùn)營交付才是目標(biāo)?？蒲袌F(tuán)隊(duì)正緊鑼密鼓地進(jìn)行最后的試驗(yàn)和驗(yàn)證，全力打通邁向商業(yè)運(yùn)營的“最后一公里”，讓這列時速400公里的“國之重器”馳騁神州。