時速400公里，中國高鐵駛入“無人區”

◎本報記者 何 亮

7月9日，第十二屆世界高速鐵路大會期間，位於北京朝陽的國家鐵道試驗中心，成為國內外參會嘉賓關注的焦點。這裏，大家爭相試乘體驗世界首款試驗運行時速450公里、商業運營時速400公里的新一代高速動車組——CR450。

當前，CR450動車組已完成樣車下線、型式試驗、互聯互通調試等一系列研發工作，正在開展考核試驗和性能驗證，為正線試運行做各項準備。

“這意味着中國鐵路已進入高鐵科技創新‘無人區’。”復興號動車組總體技術專家、中國鐵道科學研究院集團有限公司（以下簡稱“鐵科院”）首席研究員趙紅衞告訴科技日報記者，為了將商業運營時速再提升50公里，國鐵集團牽頭組建創新聯合體，先後攻克永磁牽引、氣動減阻、短距離制動等難題，在全球範圍內首次創建時速400公里動車組技術體系。

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性能。

為增強牽引性能，研發人員決定將具有自主知識產權的大功率永磁牽引系統搬上CR450動車組，標誌着我國高鐵開啓了“永磁時代”。

“裝車難度很大！”趙紅衞介紹，“永磁系統有一大隱患，即電機在發生匝間或相間短路時，因永磁體緣故，並不會停止轉動，可能導致電機損壞，影響行車安全。”

為排除這一隱患，研發團隊一頭扎進實驗室三個多月，從優化電機設計參數和控制策略入手，反覆進行方案對比、試驗研究和實證驗證。

“我們創造出了‘三相主動短路防護技術’。”鐵科院機輛所研究員殷振環解釋，“這項技術就像一個精密的‘安全閥’，能在0.2秒內快速識別短路故障，並自動將故障相繞組切換成閉環迴路，阻止電機進一步損壞。”

技術成型後，部件可靠性還需在線路上“實戰”驗證。

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。經測算，要完成時速450公里衝高達速任務，列車功率需提升至額定功率的1.6倍。

試驗前夕，殷振環組織團隊連夜召開技術論證會，系統評估實施方案、明確工作分工。牽引動力系統部件適用性評估、軟件變更測試、地面模擬試驗……儘管各項工作都已有序完成，殷振環心中仍在打鼓，“衝高真能實現？”

“發車！”6月28日，福廈高鐵湄洲灣跨海大橋，首列試驗列車率先啓動，1.5秒後對開列車跟進。經測算，搭載新技術部件的試驗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公里運行。新的世界紀錄誕生了！

“我們先後在鄭萬、濟鄭、彌矇和福廈高鐵開展20餘萬公里的線路試驗，驗證了永磁牽引系統不但動力十足，而且安全可靠。”殷振環説。

22%氣動減阻

“高速飛馳的列車，95%的運行阻力來自空氣。”鐵科院機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，又要節約能耗，“減阻”勢在必行。突破口在哪裏？

此前研製“復興號”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，通過調整外形進一步降阻的空間有限。

但研發人員並未懈怠。他們在自然界中尋找靈感，基於仿生學原理探索新方案。百餘種設計方案經過大量模擬仿真和風洞試驗層層篩選，最終，以高速飛翔的鷹隼和箭矢為原型的方案脱穎而出。仿真測試表明，新頭型可將運行阻力降低約2.6%。

“這與整體減阻20%以上的目標仍有很大差距。”趙紅衞説。面對挑戰，團隊繼續深入研究氣動仿真與測試，分析列車各部件的阻力分佈，探尋減阻的理論極限。

突破口出現了！“我們發現，此前被忽視的列車下部轉向架區域，藴藏着較大的減阻潛力。”邵軍介紹，有成員提出了一個大膽設想——能否用包覆結構將轉向架裸露區域覆蓋起來，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。”殷振環笑道，經過反覆研究確認，該方案確實能大幅減阻。

團隊隨即集中力量，重點攻關包覆結構的最優形狀與位置，同時解決包覆後可能出現的檢修難題。

一遍遍仿真、一次次方案修正……終於，一個既能有效減阻，又能兼顧結構強度、剛度以及檢修需求的方案誕生了。

“在此基礎上，結合流線型車頭、低阻力受電弓等多項措施，列車運行阻力可有效降低22%。”邵軍説，這意味着CR450動車組在時速提升50公里後，能耗水平仍與CR400動車組相當。

6500米制動停穩

CR450動車組不僅要“跑得快”，更要“停得穩”。研發伊始，團隊就設定了一個極具挑戰的目標——提速後，制動距離與CR400動車組相同。即在6500米內，實現400公里時速降至零。

這意味着巨大的制動能量要平衡。鐵科院機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分鐘內將6.8噸水從冰點加熱至沸點。

顯然，CR400動車組使用的制動材料已無法滿足要求，必須研發性能更強的新材料。為此，團隊成立了專項小組，攻堅具備耐高温、抗變形、耐疲勞等特性的新型制動材料。“僅確定材料的‘配方’就經歷了上百次試驗。”蔡田回憶，“後續的材料性能和工藝驗證又持續了一年多。”

挑戰不止於材料。此前，為降低空氣阻力，將頭車和尾車轉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，研發團隊又從系統耦合入手，提出結構性調整方案：減少頭車和尾車的制動盤數量，將削減的制動力改由其他系統分擔。蔡田介紹，這一調整不僅解決了散熱問題，更深化了大家對整車系統間相互作用的認知。

制動過程中，制動力能否有效轉化為減速力，關鍵在於車輪與鋼軌間的黏着特性。CR450採用多階黏着制動技術，即剎車時逐級增強制動力。蔡田解釋：“如同‘雪天行車避免急剎防滑’的道理，關鍵在於精準把控黏着力的極限點。”

然而，全球範圍內，高鐵高速制動黏着特性的研究均止步於時速350公里。400公里時速下的黏着特性曲線是未知領域。團隊為此進行了數千次制動性能測試，精準計算出大功率盤形制動摩擦副，在短時間內不同時間點上應施加的壓力值。

最終，他們成功繪製出時速350公里至400公里制動工況下的黏着特性曲線。這一重要成果填補了國際空白，為CR450的精準高效制動奠定了堅實的理論基礎。

樣車下線只是起點，運營交付才是目標。科研團隊正緊鑼密鼓地進行最後的試驗和驗證，全力打通邁向商業運營的“最後一公里”，讓這列時速400公里的“國之重器”馳騁神州。