CR450科技創新工程關鍵系統研發和試驗青年團隊——協力攻關,讓動車組跑出“中國速度”
CR450動車組二等座車廂。圖為中新社記者賈天勇攝 數據來源:中國鐵道科學研究院集團
CR450動車組司機室。圖為中新社記者賈天勇攝 數據來源:中國鐵道科學研究院集團
CR450青年團隊成員在試驗列車上研討技術細節。圖為中國鐵道科學研究院集團提供
試驗列車行駛在湄洲灣跨海大橋上。圖為中國鐵道科學研究院集團提供
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日前,CR450動車組樣車正式亮相。商業運營時速400公里,試驗時速450公里,中國高鐵再次領跑全球。
CR450動車組研發有何難點,實現了哪些技術突破,背後有怎樣的故事?日前,本報記者走近CR450科技創新工程關鍵系統研發和試驗青年團隊,看他們如何助力CR450動車組“貼地飛行”。
廣袤大地,列車飛馳。
商業運營時速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動車組的研製,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科技創新工程”正式實施,由國鐵集團牽頭,聯合國內科研院所、高校、企業等科研力量組成創新聯合體,開展協同攻關。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達210人、橫跨七大專業的CR450科技創新工程關鍵系統研發和試驗青年團隊(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範圍內首次建立起商業運營時速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,如何實現
研發新材料,升級響應系統,提升制動性能
“在沒有任何經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’裏進行探索,一切必須慎之又慎。”CR450青年團隊負責人許聰説。
為了探索出新的技術路徑,許聰帶領團隊先後實地開展50余次調查研究和訪談諮詢,開展100余項倣真試驗和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,通過不同系統成員協同攻關,包括速度、安全、能耗、噪聲等在內的指標被確定下來。
“放眼全球,商業運營時速400公里確屬首次。”許聰説,雖然國內外曾有過類似嘗試,但都是試驗列車,“商業運營考驗的是列車長期穩定安全運作的能力。”
長期穩定安全運作,意味著動車既要起步快,更要停得穩。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?
數據測算顯示,在時速400公里背景下,如果使用CR400動車組的制動系統,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米內將時速從400公里降到0,所釋放的能量能在2分鐘內將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説,CR400動車組制動系統所使用的材料已無法滿足新工況要求,亟須研發新材料。
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。後續,又用了一年時間驗證工藝過程、材料性能。”韓曉東説。
材料的研發有條不紊,制動響應系統的升級也在進行。“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動車組通過創新採用時間敏感網(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、牽引動力、網路控制到安全監測,團隊為每個關鍵系統都設計了專屬數字模型,通過精密計算和反覆試驗,實現制動性能提升20%以上。最終,在運作時速提高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,降低運作阻力,應用輕質材料,實現“瘦身健體”
實現動車組商業運營,要在安全的基礎上保證經濟性。因此,能否讓列車跑得更快、能耗不變便成為研發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%的運作阻力來自空氣。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,哪是突破口?研發團隊通過大量倣真和試驗,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,研發團隊發現轉向架區域還有較大的減阻潛力。
“對此,我們提出在轉向架區域包覆結構上下功夫,通過採取類似裙板下拉環抱的方式,將整個轉向架腔包覆起來,有效降低了整車運作阻力。”CR450青年團隊成員、鐵科院集團機輛所副研究員陳璨説。
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,包覆後轉向架區域的散熱、後期檢修又該如何進行?
“要直面問題、解決問題,用創新的思維提出優化方案。”陳璨説,團隊從設計方案優化、倣真分析校核,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減阻效果,又兼顧散熱、強度和剛度等多重目標。
最終,研發團隊實現動車組整車運作阻力降低22%。再加上採用碳纖維複合材料、鋁鎂合金等輕質高強度材料,以及應用拓撲優化技術,將動車組減重10%,實現CR450與CR400能耗相當的目標。“所有的努力都是值得的。”陳璨説。
真實場景下的可靠性,如何檢驗
創新測試方法,開展20余萬公里線路試驗
動車組的研製,僅靠倣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。“要想實現測試需求、縮小交會誤差,以秒為單位調整發車時間差已經滿足不了精度要求。”CR450青年團隊試驗指揮劉磊説。
“可以把倒計時裝置改成專業秒錶,以半秒為單位控制發車時間差。”隨著一場場討論反覆進行,一系列配套的調整也逐漸清晰。
交會試驗如期開展。這頭,劉磊手拿對講機、兩塊秒錶,整裝待發;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,發車!首列試驗列車發出,1.5秒後,對開列車發車……“時速450公里,交會誤差5米以內!”劉磊回憶。
在CR450動車組的研製過程中,像這樣的試驗有很多。研發團隊先後在鄭萬、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公里運作;在福廈高鐵海尾隧道,試驗列車以相對交會最高時速840公里運作,分別創造高鐵動車組明線、隧道交會速度世界紀錄。
試驗,除了要在列車上監測數據,還需要大量的地面測試。地面測試團隊需要提前在路面佈置感測器,實時將數據傳輸回實驗室。“我們在福建莆田靈川鎮的橋頭村待了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説,每天清晨,團隊成員跨過鄉間田壟,在工程現場埋設感測器,並將接頭與採集儀相連進行調試,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。”李泰灃説。
為了表彰團隊為CR450樣車研製所作的貢獻,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,我們將繼續鼓足幹勁,不斷為高鐵事業的發展貢獻力量。”許聰説。
眼下,雖然CR450樣車已經下線,但研發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運營創造條件。