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日前，CR450動車組樣車正式亮相。商業(yè)運營時速400公里，試驗時速450公里，中國高鐵再次領跑全球。
CR450動車組研發(fā)有何難點，實現(xiàn)了哪些技術突破，背后有怎樣的故事？日前，本報記者走近CR450科技創(chuàng)新工程關鍵系統(tǒng)研發(fā)和試驗青年團隊，看他們?nèi)绾沃R450動車組“貼地飛行”。
廣袤大地，列車飛馳。
商業(yè)運營時速400公里，從時速400公里到時速0、制動距離只需要6500米，標準動車組每公里能耗只需22至23千瓦時……CR450動車組的研制，匯聚著眾多科研工作者的智慧與艱辛，見證著中國高鐵新的輝煌與榮光。
時間撥回到2021年。這一年，“CR450科技創(chuàng)新工程”正式實施，由國鐵集團牽頭，聯(lián)合國內(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。其中，中國鐵道科學研究院集團作為技術牽頭單位，組建了一支參與人數(shù)達210人、橫跨七大專業(yè)的CR450科技創(chuàng)新工程關鍵系統(tǒng)研發(fā)和試驗青年團隊（以下簡稱“CR450青年團隊”）。
與時間賽跑，這項耗時多年的項目讓我國在全球范圍內(nèi)首次建立起商業(yè)運營時速400公里動車組的標準體系，為更快的“中國速度”寫下生動注腳。
既要起步快更要停得穩(wěn)，如何實現(xiàn)
研發(fā)新材料，升級響應系統(tǒng)，提升制動性能
“在沒有任何經(jīng)驗可供借鑒的情況下，為CR450動車組確定頂層技術指標像是在‘無人區(qū)’里進行探索，一切必須慎之又慎。”CR450青年團隊負責人許聰說。
為了探索出新的技術路徑，許聰帶領團隊先后實地開展50余次調(diào)查研究和訪談咨詢，開展100余項仿真試驗和70余項地面試驗，以確保總體技術條件的先進性和可行性。最終，通過不同系統(tǒng)成員協(xié)同攻關，包括速度、安全、能耗、噪聲等在內(nèi)的指標被確定下來。
“放眼全球，商業(yè)運營時速400公里確屬首次。”許聰說，雖然國內(nèi)外曾有過類似嘗試，但都是試驗列車，“商業(yè)運營考驗的是列車長期穩(wěn)定安全運行的能力。”
長期穩(wěn)定安全運行，意味著動車既要起步快，更要停得穩(wěn)。時速提高50公里，但要與CR400動車組在時速350公里時的緊急制動距離基本一致，如何做到？
數(shù)據(jù)測算顯示，在時速400公里背景下，如果使用CR400動車組的制動系統(tǒng)，緊急制動距離需要8500至9000米，與6500米的目標相差甚遠。
“列車的制動過程，需要將機械能轉化為熱能，在6500米內(nèi)將時速從400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。”鐵科院集團機輛所副研究員韓曉東說，CR400動車組制動系統(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青年團隊為主力的攻關小組正式成立，專門研發(fā)耐高溫、抗變形、耐疲勞的新材料。“光是尋找最佳材料‘配方’，我們就花了半年時間。后續(xù)，又用了一年時間驗證工藝過程、材料性能。”韓曉東說。
材料的研發(fā)有條不紊，制動響應系統(tǒng)的升級也在進行。“響應時間越短，留給真正制動的時間就越多。”CR450青年團隊成員、鐵科院集團機輛所副研究員邵林介紹，CR450動車組通過創(chuàng)新采用時間敏感網(wǎng)（TSN）傳輸信號，實時傳輸性能提升10倍，制動響應時間從CR400動車組的2.3秒減少到1.7秒。
從制動系統(tǒng)、牽引動力、網(wǎng)絡控制到安全監(jiān)測，團隊為每個關鍵系統(tǒng)都設計了專屬數(shù)字模型，通過精密計算和反復試驗，實現(xiàn)制動性能提升20%以上。最終，在運行時速提高50公里情況下，CR450動車組制動距離與CR400動車組基本一致。
跑得更快能耗不變，怎樣達成
包覆轉向架腔，降低運行阻力，應用輕質材料，實現(xiàn)“瘦身健體”
實現(xiàn)動車組商業(yè)運營，要在安全的基礎上保證經(jīng)濟性。因此，能否讓列車跑得更快、能耗不變便成為研發(fā)團隊面臨的又一道難題。
“降阻、減重是關鍵。”許聰介紹，高速飛馳的列車，氣動阻力隨速度的平方增長，列車95%的運行阻力來自空氣。理論測算顯示，時速提高50公里，阻力將增加30%，牽引能耗主要在與空氣阻力“對抗”。
降低空氣阻力，哪里是突破口？研發(fā)團隊通過大量仿真和試驗，分析車輛不同部位受到的空氣阻力，探索各個部位減阻的理論極限值。最終，研發(fā)團隊發(fā)現(xiàn)轉向架區(qū)域還有較大的減阻潛力。
“對此，我們提出在轉向架區(qū)域包覆結構上下功夫，通過采取類似裙板下拉環(huán)抱的方式，將整個轉向架腔包覆起來，有效降低了整車運行阻力。”CR450青年團隊成員、鐵科院集團機輛所副研究員陳璨說。
然而，轉向架是動車組列車的“腿”，承擔著負重、牽引、制動、減振等任務，包覆后轉向架區(qū)域的散熱、后期檢修又該如何進行？
“要直面問題、解決問題，用創(chuàng)新的思維提出優(yōu)化方案。”陳璨說，團隊從設計方案優(yōu)化、仿真分析校核，再到地面試驗和實車試驗驗證，一遍遍測試、一次次修正方案，最終讓包覆結構既實現(xiàn)減阻效果，又兼顧散熱、強度和剛度等多重目標。
最終，研發(fā)團隊實現(xiàn)動車組整車運行阻力降低22%。再加上采用碳纖維復合材料、鋁鎂合金等輕質高強度材料，以及應用拓撲優(yōu)化技術，將動車組減重10%，實現(xiàn)CR450與CR400能耗相當?shù)哪繕恕?ldquo;所有的努力都是值得的。”陳璨說。
真實場景下的可靠性，如何檢驗
創(chuàng)新測試方法，開展20余萬公里線路試驗
動車組的研制，僅靠仿真計算和臺架試驗是遠遠不夠的，還需要在真實場景下檢驗關鍵部件的性能。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。
精準交會有多難？彼時，試驗列車的試驗速度已達到450公里每小時，列車每1秒就要跑出約125米。“要想實現(xiàn)測試需求、縮小交會誤差，以秒為單位調(diào)整發(fā)車時間差已經(jīng)滿足不了精度要求。”CR450青年團隊試驗指揮劉磊說。
“可以把倒計時裝置改成專業(yè)秒表，以半秒為單位控制發(fā)車時間差。”隨著一場場討論反復進行，一系列配套的調(diào)整也逐漸清晰。
交會試驗如期開展。這頭，劉磊手拿對講機、兩塊秒表，整裝待發(fā)；那頭，另一列試驗列車上，試驗指揮李元平屏息靜氣、時刻準備。
三、二、一，發(fā)車！首列試驗列車發(fā)出，1.5秒后，對開列車發(fā)車……“時速450公里，交會誤差5米以內(nèi)！”劉磊回憶。
在CR450動車組的研制過程中，像這樣的試驗有很多。研發(fā)團隊先后在鄭萬、濟鄭、彌蒙和福廈高鐵開展了20余萬公里的線路試驗，同時創(chuàng)造了多項歷史：在福廈高鐵湄洲灣跨海大橋，搭載新技術部件的試驗列車以相對交會最高時速891公里運行；在福廈高鐵海尾隧道，試驗列車以相對交會最高時速840公里運行，分別創(chuàng)造高鐵動車組明線、隧道交會速度世界紀錄。
試驗，除了要在列車上監(jiān)測數(shù)據(jù)，還需要大量的地面測試。地面測試團隊需要提前在路面布置傳感器，實時將數(shù)據(jù)傳輸回實驗室。“我們在福建莆田靈川鎮(zhèn)的橋頭村待了2個月。”地面測試團隊成員、鐵科院集團鐵建所副研究員李泰灃說，每天清晨，團隊成員跨過鄉(xiāng)間田壟，在工程現(xiàn)場埋設傳感器，并將接頭與采集儀相連進行調(diào)試，從而保證試驗的順利進行。“工作雖然單一，但大家堅守工程一線，從不喊苦喊累。”李泰灃說。
為了表彰團隊為CR450樣車研制所作的貢獻，CR450青年團隊獲評第二十八屆“中國青年五四獎章集體”。“榮譽是對我們的鞭策，我們將繼續(xù)鼓足干勁，不斷為高鐵事業(yè)的發(fā)展貢獻力量。”許聰說。
眼下，雖然CR450樣車已經(jīng)下線，但研發(fā)團隊的工作還沒有結束。他們將為CR450動車組樣車開展一系列線路試驗和考核，進一步檢驗各項性能指標，為CR450動車組早日投入商業(yè)運營創(chuàng)造條件。（來源：人民日報 記者 李心萍）
