南车试验605公里/小时列车 高铁时速有望再翻倍

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中国高铁的速度有望再翻倍。南车青岛四方机车车辆股份有限公司厂区内,一列银灰色超速试验列车停放在厂区的铁轨上,这列台架试验时速605公里的列车,被命名为更高速度的试验列车。实际上,这项试验早在两年多前就已开始 ,为了这次试验,南车四方公司经过七次方案讨论会。

技术难度比飞机高

参加试验的电气开发部部长焦京海回忆说:“时速100至200公里时一点担心都没有,时速达 550公里以上心情开始激动 ,时速600公里时就开始有点紧张了。”试验止步于时速605公里,是因为制定的试验目标为时速600公里,“试验台建设时是按时速600公里设计的,再 往上冲速度,担心对试验台不好”,高级主任设计师李兵说。

当时速提升到 605公里的时候 ,试验没有马上停止,保持速度运行了10分钟,这相当于在地面上行驶了100.8公里。

“高铁就像一架飞机在不停地起降”,中科院力学所杨国伟研究员这样说。杨国伟创立了跨声速非线性气动弹性研究,为中国高铁与大飞机研制提供空气动力与气动弹性的技术支撑。

“坐飞机最危险的是起飞和降落,因为地面效应包括建筑、风对飞机的激扰,所以,飞机设计的难点在起和降的过程。而高速列车始终在地面上高速运行,既要考 虑地面对列车的强激扰,也要考虑到高速运行状况下气流激扰。波音737的巡航阻力系数约在0.028左右,6辆编组试验列车整车阻力系数约为0.48左 右,所以说更高速列车比飞机在天上巡航时的技术难点要复杂得多。”杨国伟说。

民用飞机每小时飞行距离800~850公里,中国研制的更高速试验列车设计时速500公里以上,与目前在线上以最高时速380公里运行的CRH380A相比,技术的边界条件必须清晰。

“空气动力学性能受轨道不平顺影响,振动激扰响应不断加大,如何保证列车高速运行的安全性,如何保证舒适的乘车环境是个课题,比提高速度更重要的是能够很好地停下来。”试验现场指挥梁建英说。

列车运行的阻力,包括车轮与轨道摩擦的机械阻力和车辆受到的空气阻力。高速下制约速度的抗衡者是空气,“当列车以时速200公里行驶的时候,空气阻力占 总阻力的70% 左右,和谐号CRH380A在京沪高铁跑出时速486.1公里时,气动阻力超过了总阻力的92%,如果时速跑到500公里以上,95% 以上都是气动阻力了”,李兵说。空气阻力和列车运行速度的平方成近似正比关系,速度提高 2倍,空气阻力将增至4倍。正是这个平方关系,让设计师绞尽脑汁。

空气阻力受三大因素影响,一是车头迎风受到正压力,与车尾受到的负压力间产生的压差阻力;二是由于空气黏性作用于车体表面的摩擦阻力;三是列车底架以及列车表面凹凸结构引起的干扰阻力。

让数百吨重的更高速列车在线路上飞跑,除了减少气动阻力外,加大牵引能力是另一个关键。“六辆编组更高速试验列车牵引总功率可达到21120千瓦。正是有了我们自主开发的大功率牵引系统,才有高速试验列车实现台架试验时速605公里的可能。”专家说。

高速列车运行依靠电能,是由受电弓与接触网接触完成的,这个过程被称为“受流”环节。这项技术也是迄今为止技术专家们最关注的技术之一。“双弓受流”技术曾经是困扰工程技术人员的一个技术难点,“现在看来这个也不太像技术难点了”,梁建英说。

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近万科研人员参与研发

速度是技术发展的综合实力。如同中国“两弹一星”的研制,举全国之力,近万名科研技术人员参与了高速列车的技术创新。

“时速605公里是试验台上跑出的,不是在线路上的数据,实际的线路试验还需要一系列的考核。”李兵说。2007年4月3日,法国TGV 在线路上创造574.8公里/小时试验最高速度,目前为止尚未有新的纪录。2010年12月京沪先导段试验蚌埠-枣庄,CRH380A达到最高时速 486.1公里,这个速度尽管是运营试验速度,它有别于法国TGV 的纯粹试验速度。就运营试验的速度值来讲它是世界上最高的。

2011年,“7·23”甬温线特别重大铁路交通事故后,中国高铁开始了对更高质量目标的追求,其中包括安全性、可靠性、舒适性等。事实上事故并不是因为 车的质量,但是这次事故却对中国高铁的发展带来了极大的影响。所有的铁路人,包括南车四方的技术人员都在反思,那就是如何更好、更稳健地推进国家的高速铁 路事业。试验列车的研制是一个非常艰苦的过程,历经了两年多的时间。

脱轨系数之谜待解

高铁,是中国战略性新兴产业之一,而更高速列车则是中国创新能力的又一标志性作品。工程师与科学家渴望上线试验衔接试验台的验证结果,更加深入地探索超高速列车三大核心技术理论,即轮轨技术、空气动力学性能与弓网关系。

对工程师而言,诸多项设计是无法在台架试验中完成的,更高速列车的三项核心技术有两项无法验证,即空气动力学性能与弓网关系。

对做基础理论研究的科学家而言,他们希望验证共性关键技术的基础理论机理。以脱轨系数为例,车辆运行时,在线路状况、运用条件、车辆结构参数和装载等因素最不利的组合条件下可能导致车轮脱轨,评定防止车轮脱轨稳定性的指标叫脱轨系数,这个系数越大越容易脱轨。

根据国际标准,0.8作为脱轨安全性的指标 。“但是我们对高速列车试验时发现,列车在线上以480公里的时速,脱轨系数只有0.1~0.2,远远小于0.8。如果以550公里的时速,实际运行时的 脱轨系数是多少?它涉及到高速基础力学的研究。全球范围的科学家们一直希望破解脱轨系数之谜。”转向架高级工程师马利军说。

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1条评论
  1. Liam

    Hey, that's a clever way of thikning about it.