作者:李浩鸣 成舸 廖洋 来源:科学时报 发布时间:2011-10-24 8:30:04
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发展高铁技术,中国依靠谁?
追寻中国南车高铁技术自主创新轨迹(上)
 
□本报记者 李浩鸣 成舸 廖洋
 
2011年7月23日晚,北京开往福州的D301次列车与杭州开往福州的D3115次列车在温州境内发生追尾事故,造成重大人员财产损失。这一天,必将定格在中国铁路史上。
 
就是在这个七月,中国线路最长、速度最快、质量最高的京沪高铁开通,全球瞩目。高铁股飙升至历史高位,海外市场前景看好。也是在这个七月,“甬温线动车追尾事故”一夜间使中国高铁成为众矢之的,相关股价一路回落,市场前景不明。
 
国内开始有人对铁路建设提出异议,认为铁路建设太快、规模太大,国外对中国高铁的质疑不断。而与此同时,铁道部系统展开了对在建项目安全质量的大检查,按照国务院的要求,对已经批准但尚未开工的铁路建设项目,重新组织系统的安全评估,暂停审批新的铁路建设项目;对已受理的项目进行深入论证,合理确定项目的技术标准、建设方案。加上国家经济政策的调整,造成了当前对铁路投资的缩减。多条已获批但未开工的高速铁路项目,也因这次事故而变得命运难料。
 
有调查数据显示,今年铁路工程建设仅有三成正常施工,实际情况可能更为严峻。有专家担心:要实现2020年铁路运营14万公里,像现在这样下去根本就不可能达到。
 
也有人认为,中国铁路事业的发展质量、科学管理能力与员工科学素养应该跟上发展速度,中国高铁技术自主创新的步伐不但不应放慢,反而更要加快。
 
现代化铁路建设对一个国家的重要意义众所周知,而对于幅员辽阔、人口众多、工业化进程加快、经济建设取得快速发展和人民生活不断走向富裕的中国来说,铁路快速发展的必要性不言而喻。动车追尾事故发生后,京沪、武广、京津等线路高铁运输经历了短暂下滑,但上座率很快回升即是明证。
 
“沉舟侧畔千帆过”。在刚刚过去的“十一”黄金周,京沪高铁首次出现车票售罄的局面,市民乘坐高铁的需求依然旺盛。而放眼全球,高铁建设势头不减。
 
动车追尾事故发生5天后的7月28日,国务院调查组首次召开全体会议,上海铁路局局长安路生称,由于温州南站信号灯设备存在缺陷,应该显示红灯的时候显示绿灯,没有给后车提供应有的信号,相关调度人员也没有发出预警,引发追尾事故。9月21日,国务院调查组“7·23”动车事故调查进展情况通报称,初步认定这次事故既有设备缺陷和故障的原因,又有设备故障后处置不力和安全管理等方面的问题。虽然最终的事故调查报告尚未正式公布,但可以认为,这次事故发生的原因是多方面的。
 
整整三个月过去了,遭受重创的中国高铁发展何去何从?面对国内外巨大的铁路建设市场,不可估量的高速铁路维护、配件成本与技术依托,中国人有能力发展自己的高铁技术吗?
 
时至今日,温家宝总理在“7·23”事故现场会上的讲话言犹在耳:“在科技事业上,要有自己的发明、自己的品牌、自己的知识产权、具有国际竞争力的产品,这不是说一说就可以办得到的,这需要大力发展科技事业,突破关键技术,使我们的技术设备更安全、更可靠、更具有竞争力。”
 
值此“7·23”事故发生百日前夕,重新梳理中国南车高速列车技术自主创新的历程,或许能给人一些启示。
 
“引进消化”之后的自主创新
 
位于青岛的中国南车四方股份公司有着悠久的历史,它的前身是1900年创办的四方机车车辆工厂。新中国成立后,这家机车车辆老厂焕发勃勃生机,我国第一台蒸汽机车“八一号”就诞生在这里。经过半个多世纪的发展,这里已成为我国高速列车的产业化基地,研制出了时速200至350公里的“和谐号”CRH2型系列动车组、世界首创的长大编组卧车动车组,主导了中国南车集团新一代高速列车CRH380A的整车研发制造。可以说,中国南车四方公司的技术引进与创新之路,从蒸汽机车时代就开始了。
 
然而,真正的全球竞争却是在铁路从内燃机车时代跨入电力机车时代,特别是进入高速铁路时代之后。
 
2010年6月14日,青岛。参加中国高铁技术攻关的数百名科研人员和企业负责人一起走进中国南车四方公司,第一次见到了时速380公里的新一代高速动车样车,此时距攻关项目立项仅两年。
 
2008年2月26日,北京钓鱼台。科技部与铁道部在这里共同签署了一份《中国高速列车自主创新联合行动计划合作协议》。这是科技部有史以来首次与一个行业共同构建国家级自主创新平台。其核心目标,就是设计、制造和运营时速380公里的新一代高速列车。
 
根据铁道部的设想,这一科研计划的启动,标志着继“引进消化吸收”和“集成创新”两个阶段后,中国高铁发展开始向“全面创新”冲刺。
 
2004年到2005年间,依照国务院“引进先进技术、联合设计生产、打造中国品牌”的总体要求,铁道部制定了“三步走”的高铁发展战略。在铁道部的采购政策主导下,中国南车青岛四方公司、中国北车长客公司和唐车公司等列车整车生产企业先后从日本川崎重工、法国阿尔斯通和德国西门子引进技术,联合设计生产高速动车组。
 
2007年4月,全国铁路第6次大提速。诞生于南车四方公司的我国首列时速200公里以上的高速动车组CRH2A型“和谐号”开始批量投入运营。然而,由于之前的跨国合作背景,“和谐号”动车组甫一登台便被不少媒体诟病为“舶来品”。有专家亦表示担心:中国高铁会不会由于外方不愿亮出“看家本领”,从而像有些产业一样,再度陷入“引进—落后—再引进”的怪圈?
 
面对这一担忧,中国南车集团提出,技术可以引进,创新能力却是买不来的,所有参与项目的企业必须靠引进技术与自主创新“两条腿”走路。中国南车四方公司董事长江靖对这一理念作出了诠释:“国外先进技术的消化吸收,与引进方式和消化能力有关。就南车四方公司而言,引进的主要是设计技术和制造技术。设计技术的引进主要通过技术培训、资料转让以及联合设计实现,制造技术的引进主要通过转让工艺方法和工艺标准来实现。”在技术引进过程中,中国南车四方公司不仅全面掌握了相关技术,还完成了工艺文件的转化和整体技术方案的改造,使得原材料及零部件的国产化率达到了70%。
 
中国南车提供的资料显示,在这一时期,仅四方公司一家就留下了600多页的试验记录、数百兆的电子数据记录,进行了长达6万公里的线路运行试验,完成了110项优化设计,在编组形式、动力配置、车型设置、旅客界面、减震降噪等方面开展了大胆创新,成功解决了引进技术和中国铁路环境的“水土不服”,并构建了产学研用深度结合的动车组产品研制平台。
 
CRH2A型时速200~250公里动车组投入运营后,在中国南车主导下,其旗下的整车制造商南车四方、关键部件供应商南车株洲所以及南车电机等单位立即启动了时速300至350公里的动车组研制工作。据介绍,在京津、武广、郑西等高速线路上,研发人员开展了一系列综合线路试验,对高速条件下的系统行为进行了全面研究,对动车组的牵引性能、车体强度与模态、转向架等方面进行了系统提升与优化,突破了制约速度提升的关键技术。加之有了线路基础,仅用了一年多时间,CRH2C型时速300至350公里高速动车组便研制完成。
 
2008年,“联合行动计划”签署半年后,科技部以“973”、“863”和“科技支撑”三大国家科技计划项目的形式,开始下达新一代高速动车组的科研任务。其中,“973”侧重气动力学基础研究,“863”侧重车轮材料和检测技术研发,“科技支撑计划”侧重高速轮轨和列车研制。
 
作为新一代高速动车组的主导研制单位,中国南车四方公司承担了其中最关键的国家科技支撑计划项目——“中国高速列车关键技术研究及装备研制”,负责课题两项,参与五项。据了解,这是该公司成立以来经历的规模最大、难度最高的国家级科技项目。
 
高含金量的“中国脸”
 
2010年4月,CRH380A新一代高速动车组首列车在中国南车四方股份公司下线。一个月后,新一代高速动车组的头车亮相上海世博会。经媒体报道后,CRH380A的流线型车头作为中国新一代高速列车的标志性形象被广为传播。那么,这个“中国脸面”的含金量究竟如何?
 
一般人看来,CRH380A的流线型车头具有一个漂亮的外形,而按现代工业设计的标准和要求,其设计过程是对产品、服务及其系统进行优化的一项创造性活动,工业设计的主体是产品设计,而产品设计是企业技术创新的载体。
 
与日本新干线机车的子弹头造型相比,我国CRH380A的头型在波浪形楔形结构顶部,呈现出一个圆突形的旋转抛物面。这个设计概念源自于我国的长征火箭,可以使车头造型圆润、光滑,线条流畅,形态饱满。不过,在工业设计领域,造型上的真正差异和设计窍门,绝非外表看上去那么简单。
 
头型是决定列车气动性能的关键。与航空飞行器相比,高速列车由于还要面临地面气流的扰动,两车交会时车体的激荡,以及车体通过隧道时的气流变化,因此,高速列车的头型设计比飞机更具挑战性。我国CRH380A的头型设计是从基础理论、关键技术到试验体系深度融合的结晶。
 
早在1994年,铁道部所属的长沙铁道学院就成立了“高速列车研究中心”。“九五”、“十五”期间,我国启动国产高速列车研制计划,“中华之星”、“中原之星”、“奥星”等一批优秀的国产车头就是在这里做的风洞试验。
 
据介绍,在日本,为了测试两车交会时的车外气压,通常采用在车身上打孔的办法,不仅影响美观,而且耗资巨大。科研人员借鉴了我国航天航空领域的先进成果,制作出一种拍式感压片,虽只有硬币大小,但将其贴在机车上,便可测试两车交会时的气压波动。
 
“十五”末期,我国高铁战略发生了重大调整,从以国产为主到引进消化吸收为主,列车头型研制主体单位也发生了变化。然而,借鉴本国航天科技成果的做法却延续了下来。
 
作为“联合行动计划”十大攻关课题之一“高速列车空气动力学优化设计及评估技术”的承担单位,中科院力学所为我国航天航空事业作出过重要贡献。此次又围绕高速列车的减阻、降噪和运行安全,参与到CRH380A的研制中来。他们采用2836个核的计算机机群,有1位院士、1名博导和25个博士生参与,与南车四方公司的设计骨干一起,4个月内共进行了超过300个工况的空气动力学仿真分析。
 
据南车四方公司副总工程师丁叁叁介绍,CRH380A的头型设计,先后经过了概念设计、仿真计算、风洞试验、样车试制等研发流程,众多国内一流科研院所参与其中。其中,南车四方公司负责整体组织,主导完成方案设计、优化和制造;中科院力学所负责气动性能仿真分析;清华和北大负责侧风稳定性计算;中国空气动力研发中心负责气动力学风洞试验;同济大学负责气动噪声风洞试验;铁科院、西南交大等单位完成实车测试。
 
这个过程中,研发人员首先设计出20种概念头型,经技术、文化和工程可实施性综合评估后,被初筛为10种;经多达17项75次的数值仿真和循环优化后,留下5个进入备选,并制作出1∶8模型;在完成760个工况下的风洞气动力学实验和60个工况下的风洞噪声试验后,优选出两种进入施工设计;最后,其中的一个被制作成1∶1的实车模型,并送往郑西、武广高铁,在完成520个测点上的22项线路测试后,经进一步优化,CRH380A头型才最终确定。
 
可见,最关键的不是“长相”,而在“性能”。后来的连续试验数据表明:经过调整优化后的CRH380A头车各项性能表现优异:气动阻力降低了15.4%,隧道交会压力波降低20%,明线压力波降低18%,气动噪声降低了7%,均达到国际领先水平。此外,由于在车头两侧采用了一种叫做“导流槽”的设计,尾车气动升力被“导流”产生的向下压力抵消,接近于零,使得它就像一双强有力的手,牢牢地抓住铁轨,不让火车飞起来。
 
实至名归的“国家一等奖”
 
2010年1月,由中国南车四方公司承担的“时速250公里动车组高速转向架及应用”科研项目,荣获2009年度国家科学技术进步奖一等奖。国家科学技术奖励评审委员会在授奖词中写道:CRH2型高速动车组转向架的研制成功,不仅推动了材料、机电、控制、牵引制动、信息等技术进步和产业升级,而且使中国铁路由普速跨入了高速时代。
 
在上述研究成果基础上发展起来的CRH380A的转向架部分被称为“完全是自主研制的”。这一点在外界几乎没有引起争议。
 
转向架是高速动车组的走行装置,它相当于汽车的底盘,整个系统由车轮、减震、传动、制动装置等组成,是决定车辆行驶性能和安全性的关键部件,决定了列车运营速度和运行品质。
 
由于高速列车的轨道实际上并非绝对平整,而是存在非常细微的起伏。当列车高速运行时,这种不平整会加大列车的振动,横向出现“蛇形运动”,纵向产生“铁轨激扰”。当两车高速交会时,产生的瞬间气流变化则会导致这种振动加剧,使列车出现失稳,严重时甚至可能导致脱轨。
 
国外的高速列车通常采用4毫米至6毫米轮轨间隙的限值。而我国的高速动车组要求既能在既有线路运行,又能在客运专线上安全运行,所以必须制订自己的轮轨匹配技术标准。
 
面对这一系列难题,南车四方公司的技术人员首先建立起了精确的动力学模型,并确立了我国高速转向架轮轨匹配技术标准。在此基础上,研究人员围绕提高临界失稳速度、降低脱轨系数、改善平稳性三大指标,通过仿真分析进行了一系列迭代优化,完成了涉及动力学、结构强度、磨耗、润滑、温升等数十项分析计算。
 
该成果的获奖资料上显示,CRH2型高速转向架,不仅突破了传统车辆动力学的单车和多刚体假设,发展了系统动力学理论;而且在高速转向架的减震悬挂匹配技术、保证结构安全性的轻量化技术上,均作出了系统创新。
 
在CRH380A的研发中,设计团队在CRH2型转向架基础上,经过系统分析京津、武广高铁累计里程百万公里线路的跟踪试验数据,提出了进一步的优化设计方案。据统计,共开展了45项动力学及结构强度仿真分析,52项台架试验,15次线路试验,此外还给转向架安装了空气弹簧和系列减震装置,有效解决了在列车更高速度下运行的稳定问题。
 
列车时速每提高一公里,带来的磨损都是巨大的。针对这一难题,CRH380A的研制人员迎难而上,不仅在车轮材料上下足了功夫,还在超出标准限值载荷条件下,对转向架进行了多达1000万次的疲劳强度试验,通过反复的样机台架试验和整车线路试验,才最终确定转向架各项参数。
 
为防止转向架上的轴承因温度过高导致类似汽车的“抱死”等现象发生,设计人员在车轮、电机和齿轮箱的轴承上还安装了温度传感器,一旦超温,车辆控制系统就自动限速。这些辅助装置,进一步保障了转向架的安全可靠性。
 
试验结果表明:我国的CRH380A在运行时速为380公里时,脱轨系数小于0.1,远小于0.8,安全裕量充足;客室振动舒适度小于1.5,达到优级;“踏面接触应力”比欧洲标准降低了10%~12%,安全系数则提高到了2.7,部件疲劳寿命可满足20年使用要求。在速度更快的同时,转向架各项性能不但没有降低,反而得到大幅提升,整体技术性能达到了国际先进水平。
 
在2007年第六次铁路大提速中,南车四方公司研制的高速转向架先在京广、京沪等9条共计6000多公里的主要干线上得到运用,后又应用于京津、武广等新建高速线路,累计运营里程已超过9000万公里,成为我国高速转向架的主型产品。
 
京沪高铁开通时,不少媒体人员在试乘CRH380A后发回的报道中,纷纷感叹“鸡蛋不滚,杯水不晃”,列车车厢底下的“高速转向架”这一自主创新成果功不可没。
 
高水准技术平台的支撑
 
“技术可以引进,但自主创新能力却要自己培育,只有具备了自主创新能力,才能永站潮头,永续发展。CRH380A就是我们站在了国家层面的技术创新平台上研制成功的。”南车四方公司总工程师龚明如是说。
 
高速动车组是尖端技术的高度集成,涉及总成、车体、转向架、牵引变流器、牵引变压器、牵引控制、牵引电机、制动系统、网络控制等九大关键技术以及10项配套技术,涉及零部件超过5万个。特别是被誉为高速动车组“心脏”和“大脑”的牵引电传动及网络控制的两大核心技术,是国外公司明确不予转让的核心技术。要在短时间内消化吸收如此纷繁复杂的技术,为我所用,谈何容易!
 
由于我国的制造业整体水平不如发达国家,像高速动车组这样的多系统、大体量、高技术产品,其制造难度丝毫不亚于设计。如果没有良好的技术集成能力,没有可靠的试验平台,要实现国产化是根本无法想象的。
 
为了提升高速动车组的自主创新能力,近几年,国家发改委和科技部先后在南车四方公司建立了高速列车系统集成国家工程实验室和国家高速动车组总成工程技术研究中心,加之南车株洲所已有的变流技术国家工程技术研究中心,以及中国南车建设的机车和动车组牵引与控制国家重点实验室、国家级技术中心和博士后科研工作站,该公司已成为行业内国家级研发试验机构最多的企业。
 
高速列车系统集成实验室是目前国内轨道交通行业实验设备最全的实验室,拥有整车滚动试验台、转向架疲劳试验台、电磁兼容试验台、制动试验台以及产品虚拟中心等。该实验室的建设不仅完善了高速列车试验验证体系,而且为南车四方公司乃至我国高速列车自主研发能力的提升提供了重要支撑和保证。
 
“创新体系建设中另一个很重要的环节就是试验验证体系。设计运行时速达380公里的动车组,世界上没有先例可循,完全靠自主研发。我们经历了目前历史上规模最大、历时最长的科学研究试验,一步步探索高速动车组高速运行的规律。”CRH380A总体设计师梁建英介绍说。
 
在京津高铁,研究人员进行了半年17大类1800多种不同运行状况的科学试验研究,探明了高速列车在平原运行的规律。在武广高铁,针对其隧道多、桥梁多、运营里程长等线路特点,进行了11个月的试验研究,完成了高速运行空气动力学等项目的研究试验。在京沪高铁,这些试验进行得更为密集。
 
在京津、武广、郑西、沪杭、京沪高铁,以及全国近百家试验研究单位,累计达152大类、2800余项的试验,相当于绕地球50多圈200多万公里的行程,不仅确保了CRH380A的研制成功,而且全面验证了CRH380A的各项技术性能。
 
随着凝练各项创新成果的CRH380A的诞生,中国南车四方股份公司也因此获得了国家科技计划执行优秀团队奖。科学严谨的研发流程、联合创新的有效平台、完善的试验验证体系、层次结构合理的研发团队,形成了南车四方强大的创新能力,成就了CRH380A的自主创新、成功研制。
 
《科学时报》 (2011-10-24 A1 要闻)
 
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