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中国中车:千万次探索铸就高铁“金名片”

中国中车:千万次探索铸就高铁“金名片” 中国科技信息
2022-04-12
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中国中车始终以“产业报国、装备强国”为己任,实现了轨道交通装备从绿皮车到复兴号、从时速35公里到350公里的飞跃,成为我国伟大成就的一个缩影。


在山峦起伏、隧道众多的京张铁路上,时速350公里车速的高铁列车每天翻山越岭、爬坡钻洞却如履平地,乘客丝毫没有感受到气压、高度的变化;列车实现自动化、运行状态自感知,各类故障精准预测;车辆青花蓝为基调,配以飘舞的白色飘带,体现整体的动感状态,整体颜色中点缀若隐若现的雪花和运动元素相互辉映;车厢内的“5G超高清移动演播室”还能实时超高清直播,是世界上首个时速350公里高铁5G超高清演播室……


这架高铁列车,正是北京冬奥会量身定制的北京冬奥列车专列。它的存在,不仅在北京、张家口两地合作举办的冬奥会中承担着交通纽带的作用,更成为北京冬奥会的一张新名片,让世界再次为“中国制造”和“中国速度”所惊艳。

 

冬奥专列的“名声大噪”,让细心的观众发现,其原型正是我国拥有完全自主知识产权的“复兴号”。这个由“和谐号”演变而来的高铁车型,在过去数年间,被全国乃至全球亿万人口所认识、了解。以冬奥高铁专列为代表的中国高铁,不仅是我国经济腾飞的时代见证者,如今也成为了中国走向世界的一张名片。

 

以时间和轨道作经纬,向历史深处追溯,究竟是什么让我国的高铁取得巨大成功?其实,打造中国高铁这个大国重器、国家名片的核心密码无疑是自主创新,而有这样一群人,则将高铁装备的自主创新做到了极致。

 

他们就是来自以研制复兴号动车组为代表产品的我国轨道交通装备行业唯一一家产业化集团中国中车的:“复兴号”高速列车中车创新团队(以下简称“中车团队”)。

 

因为他们的坚持,如今,960万平方公里的大地上,穿越时空的高速铁路线,纵横飞白的动车组,正穿梭交织成一幅交通强国的锦绣篇章。

 


从2008年,中车团队奏响了中国高铁时代的交响曲起;到今天,中车团队拥有从高速动车组、磁浮、机车、客车、货车、城市轨道车辆等在内完整的产品谱系,有能力满足全球轨道交通不同模式、不同运量、不同环境的要求。从200至400公里,从永磁、卧铺、可变编组、高寒抗风沙、到可变轨……在“复兴号”中车创新团队奋楫前行的征途上,一列列动车组组成陆地航母舰队蓄势待发,中车创新团队的脚步从未停息。

 

在历代列车演进过程中,2017年9月,由中车打造的具有完全自主知识产权的国产复兴号列车“飞龙”,具有标志性意义。今天,请跟随《中国科技信息》一起,了解“复兴号”动车组“飞龙”问世的故事。


“飞龙”问世为全球高铁树立新标杆



外观造型灵感来源于“龙”的意象。环绕车头的“中国红”色带,形状演变自“龙髯”,飘逸传神。车头层次丰富的棱线向前端开闭机构汇聚,犹如“弯弓”蓄势待发,速度感呼之欲出......2017年9月21日,具有完全自主知识产权的国产复兴号列车,在京沪高铁以350公里的运营时速,正式发车运行,一经亮相,其修长的流线型车头“飞龙”,便得到了极大的关注。

 

从和谐号的子弹头到复兴号的飞龙头,不只是换车头这么简单。“飞龙”为时速350公里“复兴号”CR400AF动车组车头。这是目前世界商业运营速度最快的高速列车,也是中国高铁新一代主力车型。它的出现,不仅以高颜值的外型惊艳世人,更以高速度、高安全、高舒适等领先技术为全球高铁树立了新的标杆。

 

可以说,“飞龙”除了颜值高,更体现了我国高铁对科技的极致追求。这背后,离不开一支来自中车四方股份公司的高铁研发团队。

 

首先,当动车组在350公里速度下高速运行时,90%的阻力来自于空气,所以动车组的动力消耗都花在了与空气对抗上。因此,如何减轻整车运行阻力、降低能耗,就成为了高铁车头科技创新的重点和难点。

 

为了研发出性能最好的车头,“飞龙”车头造型采用外观和技术交互式设计方法,中车四方研发团队最初设计了46个概念头型。通过比选,提炼 23种进入工业设计,并从中遴选出 6 种,围绕气动性能开展海量的仿真计算。研发团队一项一项测,一点一点优化。前后历经 180 次数值仿真、 64 次风洞试验、264 次动模型试验。

 

由于大量采用棱线、反曲等造型语言,也对制造工艺提出了巨大挑战。车头6条长达11米的主棱线,84块蒙皮、3200多条焊缝的铺焊拼接,前后经过36道工序的精益制造,才有造型效果的完美呈现。

 

最终,复兴号以“飞龙”的外形问世。在体积上,跟既有动车组相比,“复兴号”车头更高大,大大提高了气动设计的难度,流畅的线条、科学的比例、生动的曲面、动感的色带,以及中国文化的底蕴与审美,将“复兴号”雕刻为一张富有中国气派、高颜值的“中国面孔”。

 

而正是因为平滑、曲线的外形,使得“复兴号”整车运行阻力降低12%,人均百公里能耗降低17%。在京沪高铁上,“复兴号”每来回一趟,节省5000多度电。中国高铁的这一突破,融合了科技、美学与人文,象征着通达天下的“龙马精神”,蕴含着锐意创新的“中国智慧”,承载着中国高铁金名片的品质,充分彰显了“科技之美”。


东方“飞龙”练就“绝世武功”



然而,想要让这匹来自东方的“飞龙”练就“绝世武功”,要做的还不仅仅是在外形、环保上下功夫,行驶过程中的安全性,才是最关键的因素。

 

对此,中车团队还要攻克“碰撞安全防护”,这项被称为世界高速列车领域的“制高点”技术。在这项“技术”的加持下,当列车发生意外碰撞时,通过吸能装置吸收撞击能量,最大限度地降低碰撞损害,保护乘客安全。

 

“复兴号”碰撞安全防护系统的研发,整整用了五年时间。为了突破关键技术,中车四方研发团队前后研究了几百种不同的结构,做了30多种概念模型,进行了上千次的仿真计算和近百次的试验验证……这期间,仅仿真计算生成的结果数据就高达20000个G,模型的单元数量达千万级。“复兴号”碰撞防护系统的技术指标达到国际领先水平。有了碰撞防护系统,相当于为“复兴号”穿上一道“安全锁”。


不久前,在一档挑战类节目中,主持人曾手持硬币与噪音检测仪体验高铁性能,在旅程中,列车以350公里的时速高速飞驰仍保持平稳行驶,使得车厢窗台上立硬币不倒,而噪音也仅为63分贝。

 

在这样优越的列车性能背后,其实是两项行业难题:高速列车的噪声控制和减震技术。

 

在噪音控制方面,中车团队介绍,研发“复兴号”时,团队定下目标,要比已有的高铁列车降低3分贝以上。当时“和谐号”动车组的噪音已经较小,比很多国家的动车组都要好。

 

然而,在这个基础上哪怕降低1分贝,也是世界性难题。于是,带着这看上去几乎是一项不可能的任务,研发团队开始摸索降噪办法,一次次地设计、建模、试验、优化。在实验室前后进行了长达1年的试验,光对不同材料和结构的隔音试验就做了3000多次。

 

最终,“复兴号”的噪声最多降低了4~6dB。“复兴号”以时速350公里运行,车厢噪声最小只有65分贝,这个指标优于国外同行。


 


而“复兴号”以350公里的时速高速飞驰,车厢窗台上立硬币不倒,这得益于动车组转向架先进的减震技术,而决定该技术的关键就在于“转向架”。通俗地理解,转向架实际上就是一个“小车”,大小跟一辆普通轿车差不多,动车组车厢就搁在这种“小车”上,“小车”驮着车厢,并且可以有一定程度的转动,而其自身悬挂参数的取值是否合理与列车的运行平稳性、运行安全性密切相关,对列车运行品质的提升起到了决定性的作用。

 

在研发过程中,为了找到转向架最优的悬挂参数,研发人员在数十种参数组合方案中反复比选匹配,一次次推倒重来。转向架设计师张振先说,按照我国制定的平稳性指标评价标准,小于2.5即为优级。“复兴号”线路试验平稳性指标在2以下。

 

在高铁智能化方面,网络控制系统是动车组“神经中枢”。在为“复兴号”动车组搭建智能“大脑”的过程中,研发团队进行了上百次的技术方案探索,搭建了 70 多项逻辑功能,最终成功突破技术壁垒,攻克网络拓扑、控制逻辑、人机交互等技术难题,实现了“复兴号”动车组列车网络控制系统的完全自主开发,并首次实现互联互通,相应技术达到了国际先进水平。


试跑一距离可绕赤道15圈



业内有种说法,“高铁不仅是设计出来的,更是试验出来的。”高铁从最初设计到上线载客要经过大量的试验,来验证和优化性能。

 

2015 年 6 月 30 日,中国标准动车组正式下线。随后中车四方组成一百多人的试验团队,先后辗转北京环铁、大西客专、郑徐客专、哈大客专做线路试验。

 

从开始试验,研发人员每天从凌晨 5 点一直到深夜11点跟车跑,几乎没睡上一个饱觉。为了获得试验数据,历经严寒和酷暑,时而蹲守在-22℃的冰天雪地里,时而“焖”在40度高温的车厢。整个试验过程,历时 1 年 3 个月零 27 天,运行里程 61 万公里,相当于绕地球赤道15圈。“‘复兴号’的研发,前后历经 503 项仿真计算,5278 项地面试验,2362 项线路试验。”中车四方股份公司主任设计师付善强说。

 

时间的刻度指向今日,“八纵八横”高速铁路网正不断舒展,3.79万公里的高铁线路仍在960万平方公里的大地上绵延,这一切的一切,全都得益于高铁背后的这支队伍,他们凭借强大的毅力、不懈的努力、如一的坚持,为中国高铁铺出一条条前进的“轨道”。

 


充满工业力量和家国深情的钢轨之上,从第一列“国字号”高速动车组出现在世人眼前,到超过3800列高铁列车昼夜川流,从“和谐号”创造世界铁路运营试验最高速,到“复兴号”树立世界高铁运营新标杆,中国中车始终以“产业报国、装备强国”为己任,实现了轨道交通装备从绿皮车到复兴号、从时速35公里到350公里的飞跃,成为我国伟大成就的一个缩影,奠定了新发展格局下担当央企使命的重要基础。




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