“裝車(chē)難度很大！”趙紅衛介紹，“永磁系統有一大隱患，即電機在發(fā)生匝間或相間短路時(shí)，因永磁體緣故，并不會(huì )停止轉動(dòng)，可能導致電機損壞，影響行車(chē)安全?！?/div>
為排除這一隱患，研發(fā)團隊一頭扎進(jìn)實(shí)驗室三個(gè)多月，從優(yōu)化電機設計參數和控制策略入手，反復進(jìn)行方案對比、試驗研究和實(shí)證驗證。
“我們創(chuàng )造出了‘三相主動(dòng)短路防護技術(shù)’?！辫F科院機輛所研究員殷振環(huán)解釋?zhuān)斑@項技術(shù)就像一個(gè)精密的‘安全閥’，能在0.2秒內快速識別短路故障，并自動(dòng)將故障相繞組切換成閉環(huán)回路，阻止電機進(jìn)一步損壞?！?/div>
技術(shù)成型后，部件可靠性還需在線(xiàn)路上“實(shí)戰”驗證。
2023年6月至7月，一場(chǎng)列車(chē)交會(huì )試驗在福廈高鐵線(xiàn)路上展開(kāi)。經(jīng)測算，要完成時(shí)速450公里沖高達速任務(wù)，列車(chē)功率需提升至額定功率的1.6倍。
試驗前夕，殷振環(huán)組織團隊連夜召開(kāi)技術(shù)論證會(huì )，系統評估實(shí)施方案、明確工作分工。牽引動(dòng)力系統部件適用性評估、軟件變更測試、地面模擬試驗……盡管各項工作都已有序完成，殷振環(huán)心中仍在打鼓，“沖高真能實(shí)現？”
“發(fā)車(chē)！”6月28日，福廈高鐵湄洲灣跨海大橋，首列試驗列車(chē)率先啟動(dòng)，1.5秒后對開(kāi)列車(chē)跟進(jìn)。經(jīng)測算，搭載新技術(shù)部件的試驗列車(chē)以單列最高時(shí)速453公里、雙向兩列相對交會(huì )最高時(shí)速891公里運行。新的世界紀錄誕生了！
“我們先后在鄭萬(wàn)、濟鄭、彌蒙和福廈高鐵開(kāi)展20余萬(wàn)公里的線(xiàn)路試驗，驗證了永磁牽引系統不但動(dòng)力十足，而且安全可靠?！币笳癍h(huán)說(shuō)。
22%氣動(dòng)減阻
“高速飛馳的列車(chē)，95%的運行阻力來(lái)自空氣?！辫F科院機輛所研究員邵軍告訴記者，理論測算表明，時(shí)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。突破口在哪里？
此前研制“復興號”動(dòng)車(chē)組時(shí)，科研人員已將車(chē)頭的“平順化”做到了極致。大家覺(jué)得，通過(guò)調整外形進(jìn)一步降阻的空間有限。
但研發(fā)人員并未懈怠。他們在自然界中尋找靈感，基于仿生學(xué)原理探索新方案。百余種設計方案經(jīng)過(guò)大量模擬仿真和風(fēng)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脫穎而出。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?！壁w紅衛說(shuō)。面對挑戰，團隊繼續深入研究氣動(dòng)仿真與測試，分析列車(chē)各部件的阻力分布，探尋減阻的理論極限。
突破口出現了！“我們發(fā)現，此前被忽視的列車(chē)下部轉向架區域，蘊藏著(zhù)較大的減阻潛力?！鄙圮娊榻B，有成員提出了一個(gè)大膽設想——能否用包覆結構將轉向架裸露區域覆蓋起來(lái)，從而形成更完整的氣動(dòng)外形，以降低阻力？
這個(gè)被稱(chēng)為“穿褲子”的思路帶來(lái)了意外之喜?！皼](méi)想到效果如此顯著(zhù)?！币笳癍h(huán)笑道，經(jīng)過(guò)反復研究確認，該方案確實(shí)能大幅減阻。
團隊隨即集中力量，重點(diǎn)攻關(guān)包覆結構的最優(yōu)形狀與位置，同時(shí)解決包覆后可能出現的檢修難題。
一遍遍仿真、一次次方案修正……終于，一個(gè)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(xiàn)型車(chē)頭、低阻力受電弓等多項措施，列車(chē)運行阻力可有效降低22%?！鄙圮娬f(shuō)，這意味著(zhù)CR450動(dòng)車(chē)組在時(shí)速提升50公里后，能耗水平仍與CR400動(dòng)車(chē)組相當。
6500米制動(dòng)停穩
CR450動(dòng)車(chē)組不僅要“跑得快”，更要“停得穩”。研發(fā)伊始，團隊就設定了一個(gè)極具挑戰的目標——提速后，制動(dòng)距離與CR400動(dòng)車(chē)組相同。即在6500米內，實(shí)現400公里時(shí)速降至零。
這意味著(zhù)巨大的制動(dòng)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(guò)程釋放的能量，足以在2分鐘內將6.8噸水從冰點(diǎn)加熱至沸點(diǎn)。
顯然，CR400動(dòng)車(chē)組使用的制動(dòng)材料已無(wú)法滿(mǎn)足要求，必須研發(fā)性能更強的新材料。為此，團隊成立了專(zhuān)項小組，攻堅具備耐高溫、抗變形、耐疲勞等特性的新型制動(dòng)材料?！皟H確定材料的‘配方’就經(jīng)歷了上百次試驗?！辈烫锘貞?，“后續的材料性能和工藝驗證又持續了一年多?！?/div>
挑戰不止于材料。此前，為降低空氣阻力，將頭車(chē)和尾車(chē)轉向架包覆起來(lái)的方案，此時(shí)卻造成了制動(dòng)散熱難題。
為平衡空氣阻力與散熱這對矛盾，研發(fā)團隊又從系統耦合入手，提出結構性調整方案：減少頭車(chē)和尾車(chē)的制動(dòng)盤(pán)數量，將削減的制動(dòng)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(wèn)題，更深化了大家對整車(chē)系統間相互作用的認知。
制動(dòng)過(guò)程中，制動(dòng)力能否有效轉化為減速力，關(guān)鍵在于車(chē)輪與鋼軌間的黏著(zhù)特性。CR450采用多階黏著(zhù)制動(dòng)技術(shù)，即剎車(chē)時(shí)逐級增強制動(dòng)力。蔡田解釋?zhuān)骸叭缤┨煨熊?chē)避免急剎防滑’的道理，關(guān)鍵在于精準把控黏著(zhù)力的極限點(diǎn)?！?/div>
然而，全球范圍內，高鐵高速制動(dòng)黏著(zhù)特性的研究均止步于時(shí)速350公里。400公里時(shí)速下的黏著(zhù)特性曲線(xiàn)是未知領(lǐng)域。團隊為此進(jìn)行了數千次制動(dòng)性能測試，精準計算出大功率盤(pán)形制動(dòng)摩擦副，在短時(shí)間內不同時(shí)間點(diǎn)上應施加的壓力值。
最終，他們成功繪制出時(shí)速350公里至400公里制動(dòng)工況下的黏著(zhù)特性曲線(xiàn)。這一重要成果填補了國際空白，為CR450的精準高效制動(dòng)奠定了堅實(shí)的理論基礎。
樣車(chē)下線(xiàn)只是起點(diǎn)，運營(yíng)交付才是目標?？蒲袌F隊正緊鑼密鼓地進(jìn)行最后的試驗和驗證，全力打通邁向商業(yè)運營(yíng)的“最后一公里”，讓這列時(shí)速400公里的“國之重器”馳騁神州。
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