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10次摘得国家科技进步奖 这个实验室牵引出轨道交通的中国智慧

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西南交大九里校区,世界首台高温超导高速磁浮工程化样车,悬浮在165米长的高温超导高速磁浮工程化试验线上。尽管正值暑假,鸭嘴兽般的车头边,仍聚集了不少正在记录数据的学生。

这套样车及试验线,归属西南交大轨道交通运载系统全国重点实验室(简称“轨道运载实验室”)。1989年开始筹建的轨道运载实验室,至今已两次被评为优秀国家重点实验室,先后获得国家科学技术进步奖一等奖2项、二等奖8项,科研成果4次入选中国高等教育十大科技进展。“搞科研是没有假期的,不同攻关方向的研究所,都在按计划推进各自的工作。”轨道运载实验室副主任马光同告诉记者。

作为轨道交通领域第一个全国重点实验室,34年来,轨道运载实验室不仅参与见证了一次次铁路大提速,更像一个创新中枢,帮助中国轨道交通产业打造出闪亮的国家名片。

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高温超导高速磁浮工程化试验线样车。徐浩煊 摄

中国开创

滚振台升级,模拟时速达600公里

由不规则五边形合围而成的轨道运载实验室,坐落在校园北侧,一圈走下来将近一公里。在两扇红色的铁门内,机车车辆整车滚动振动试验台(简称“滚振台”),静静地躺在一间1万平方米的实验室用房内。为方便受试机车进出,这里还配套建设了1.4公里的铁路专用线。

滚振台一经建成就是世界第二、亚洲第一,不仅帮助实验室准确拿捏到轮轨相互作用关系,完成一项项国家试验和研究任务,更开创了中国机车运行模拟的新纪元。

什么是滚振台?它就像列车的跑步机,让放置在跑步机轮子上的列车,可以随着轮子转动,模拟出不同速度环境下的行驶状态,为仿真模拟和真车运营搭建桥梁。它也因此被称作解开轮轨关系的黑匣子,若机车在测试时能保持稳定,就证明其在实际运行时具有足够的平稳性和舒适性,具备安全平稳运营的条件。

“上世纪80年代,我国的列车运行时速最快不过100公里,速度慢、运量小,德国、日本的列车时速早就是两三百公里了。要想列车跑得快、改变一票难求的局面,建立一个滚振台,是大势所趋。”列车与线路研究所副所长赵春发告诉记者,为提升速度、运力而建的滚振台,不仅是轨道运载实验室应铁路而生的重要体现,更为中国铁路实现跟跑到并跑迈出了重要的一步。

建成5年就拿下国家科技进步奖一等奖。在时速60—70公里的年代,提出时速450公里的试验,显然有些天马行空。时至今日,滚振台的提出者,两院院士、西南交大教授沈志云回忆起当年建设时的压力,仍会用“脑袋别在裤腰带上”来形容。“如此大的设备,如果搞成功了,非常有用;如果失败了,那就是一堆废铁,是很大的浪费。”

30多年后的今天,当年的四轴试验台早已升级为六轴,模拟时速可达600公里,不仅规模最大、功能最多、技术最先进,更为和谐号、复兴号全系动车组及韩国、俄罗斯等国列车的量产奠定了基础。

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轨道运载实验室。受访者供图

中国技术

翟模型翟方法,已成行业金标准

翟模型是上世纪90年代初,由中国科学院院士、西南交大首席教授翟婉明率先提出的车辆-轨道耦合动力学理论体系,将以往分属两个独立研究系统的车辆、轨道合一,进行统一整体的研究。它的提出,让日渐兴起的轨道运载实验室,开始与中国铁路大事件形影相连,一直沿用至今。

中国高铁的最高时速到底能到多少公里?在“高铁350时代”的今天,对更快高铁的追求,仍是一代轨道人的追求。

按照设计,正在修建的成渝中线高铁,将成为中国首条预留提速至时速400公里条件的高速铁路。作为中国高铁的智囊团,在轨道运载实验室列车与线路研究所,翟婉明正带领团队,用翟模型对相关线路的设计参数进行仿真验算。

翟模型的精髓是车-轨耦合。什么是车-轨耦合?赵春发举例子说,就像汽车换档一样。以往火车速度慢,线路对列车的影响小。要发展高速铁路、重载铁路,轨道只要有一丝不平整,就会给列车车体带来强烈震动。同样,车轮也会对线路造成横向、竖向的冲击力。“这就要求我们把车和线联合起来研究,也就是车—轨耦合。”

与翟模型搭配的翟方法,是一种快速显式二步数值积分的方法。这一方法不仅计算速度更快,在当年处理器只有133MHz的微机上,也能完成庞大的计算量。

在中国高铁的起步年代,翟模型起到了重要作用。广深港高铁广州与东莞间的狮子洋隧道,是高铁穿越狮子洋海域的关键工程,也是世界上行车速度目标值最高的水下隧道。如何穿越狮子洋?在缺少高铁设计标准的年代,就是一大极具代表性的挑战。

设计单位经过一年多勘察,提出了4种选线方案,到底哪种方法可行?2005年,在翟模型、翟方法的指引下,经过计算机模拟分析,翟婉明帮助设计单位找出其中的最优者,为线路安全运营至今12年奠定了基础。

提出至今30多年,翟模型、翟方法已从最初连通车—轨关系,迭代到高铁时代多架桥造路背景下连通车—线—桥的关系,不仅在2005年和2009年分获国家科技进步奖一等奖、二等奖,在川藏铁路、货运动车组等多个科研攻关项目中,全国几乎所有涉及动力学的模型都以它为主,或由它演变而来。

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机车车辆整车滚动振动试验台。受访者供图

中国示范

市场有需求,超级高铁时代将至

速度,是评价轨道交通先进程度、运输能力最有说服力的指标。

2021年,我国自主研发设计、自主制造的世界首台高温超导高速磁浮工程化样车及试验线,在西南交大九里校区正式启用。设计时速大于600公里,标志着我国高温超导高速磁浮工程化研究实现了从无到有的突破。

坐落在轨道运载实验室旁的样车与试验线,集全碳纤维轻量化车体、低阻力头型、大载重高温超导磁浮技术等新技术和新工艺于一体。尽管上线的只有车头,线路全长也不过100多米,但仍被寄予“创造大气环境下陆地交通速度新纪录”的厚望。

在实验室内,还有被称为“未来超级高铁雏形”的全球首个真空管道超高速磁悬浮列车环形试验线平台、国内首个载人高温超导磁悬浮环形试验线,研究并验证了真空管道及高温超导磁悬浮的可行性。

我们真的需要时速600公里的超级高铁吗?赵春发给出了肯定答案。

在福厦高铁等新线路的轮轨试验中,中国高铁已跑出时速超450公里的试验速度。但综合维护保养成本及安全系数,预计未来最快的运营时速将保持在400公里。“这与民航飞机时速800公里相比,还存一定的速度空白。”

赵春发认为,从市场角度看,时速600公里的交通方式,拥有数量可观的商务群体。“与时速350公里的构建高铁网不同,超级高铁注重于点对点的通行,如沪杭、沪苏、大湾区,目前运力都区域饱和,具备一定的市场前景。”

如果说西南交大九里校区的高温超导高速磁浮工程化试验线,是超级高铁的1.0版本,那么,兴隆湖畔正在建设的首个省级重大科技基础设施——多态耦合轨道交通动模试验平台,则可以称作超级高铁的2.0版本。

作为西南交大历史上投资规模最大的科学试验装置,总投资5.8亿元的多态耦合轨道交通动模试验平台,被视为引领未来超高速轨道交通科技发展的重要平台。该平台将建设长1620米、设计最高试验时速1500公里的高架真空管道高温超导磁浮交通综合性研究试验平台,为真空管道超高速轨道交通的基础科学与共性关键技术,提供超高速与低气压的试验环境。

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机车车辆整车滚动振动试验台。受访者供图

中国力量

超强牵引重量,为世界提供经验

轴重30吨、牵引重量3万吨——这是科学探索奖获得者,西南交大教授、轨道运载实验室主任王开云定下的科研目标。

按照计划,团队将完成3万吨级重载列车性能设计、电控制动与操纵控制,完善重载铁路辅以安全与状态修复关键技术,掌握轨道交通货运快速化的关键技术。未来10年内,建立动力学设计、优化、试验平台及技术标准,实现时速250公里高速快捷货运核心技术重大突破。

轴重由25吨提升至30吨,意味着有4个轮轴单节车皮,一节能多运20吨货物。牵引重量3万吨,意味着货运列车的牵引水平将较现在提升5倍以上,比重载技术示范线大秦铁路的货运列车还要多1万吨。

“更大的牵引重量和轴重方向,是货运的发展方向。”赵春发告诉记者,与客运列车不同,货运列车因超大载重,有更大惯性,要想把两三万吨的列车刹住,控制纵向冲力保证运行安全,并不是容易的事。由王开云主持完成的国家科技进步奖二等奖项目——重载列车与轨道相互作用安全保障关键技术及工程应用,将解决这一痛点,不仅推动超强牵引重量的落地,也为国际重载提供了中国经验。

此外,王开云团队还在探索基于信号通信的货运列车虚拟连挂。与先行的实物相连不同,虚拟连挂将减少货运列车的解编次数,列车到站后车厢自行解挂,提高运输效率、提升运输利润。“当然,这不仅是连挂技术的变革,还包括智能运营和智能维护,涉及车库改造、操控改造,相信能给铁路货运带来划时代的变化。”

在西南交大官方统计的研究生毕业去向中,每年有近八成学生去了研究设计院、地铁公司、机车车辆厂等轨道交通领域。“培养的学生越来越多地深入一线,让原本只攻生产的前端单位,也具备了一定的研究能力。你们做的很多工作,前端企业也能做了,会有压力吗?”面对提问,赵春发显得更有底气:“这是好事。高校作为新兴技术的发源地、前沿地,这种互动将推动我们的创新研究继续向前,督促我们探索更前瞻、更具颠覆性的技术。”

从滚振台到翟模型、翟方法,从动车组到超级高铁,西南交大轨道运载实验室应铁路而生、因铁路而兴、凭铁路而强。“我们希望能探索更多的无人区,在更多无人区插上旗帜,号召大家往这个方向走,见证中国铁路的飞跃式发展。”马光同说。

编辑:卓卓

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