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五年后,我们或许就能坐上时速600公里的磁浮高铁了

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发表于 2018-9-25 23:49:50 | 显示全部楼层 |阅读模式
2008年奥运会期间,中国高铁正式投入运营,经过十年的发展,中国高铁已超过2.5万公里,3000多辆高速列车日日夜夜在路上来回跑,穿梭于全中国50万人口以上的大城市。为何十年间高铁变化如此之快?目前到底处于什么样的水平?未来将走向何方?中科院力学所研究员、高铁设计专家杨国伟将为大家分享他和高铁的故事。





杨国伟  中科院力学所研究员  973项目首席科学家  “高速列车自主创新联合行动计划”总体专家组成员



以下内容为杨国伟演讲实录:



我今天和大家谈一谈高铁。



最近十年,大家感觉变化最大的就是通高铁了。



与别人交谈,我经常会问,家乡建了高铁吗?每年临近过年,我不知道老家在外地的朋友们,是不是都抢到票了?好多朋友都跟我讲抢到了,问我抢到了吗,我说我既抢到又没有抢到。为什么?因为从北京直达的没有了,只买到从天津转车再回家的票。







我是80年代上的大学,一直上到90年代中期,当时怎么过来的?可能与我同龄的人都知道,买卧铺票是要介绍信的,要团级以上的介绍信。我们只能坐绿皮车的座票,特别到春节的时候,要坐临时的班车,临时班车有时候还没有了,只能坐货车改的临时班车。买一个小马扎,整个车厢没有座位,都坐在地上,或者铺一张报纸……是这么走过来的。







90年代后期,我在日本留学三年,又在德国待了三年。当时日本新干线最高速度是270公里每小时,而一般的高铁都是220公里每小时,所以看到新干线,感觉这么漂亮、这么舒服、这么快!当时的心情,按照现在流行语叫做“羡慕嫉妒恨”,但是现在来看,是日本人对我们也要“羡慕嫉妒恨”了。



现在我们的高铁有2.5万公里,至少50万人口以上的大城市基本上全部通车了,我们有3000多辆高铁日日夜夜在路上来回跑。为什么这十年高铁变化这么快?目前到底处于什么样的水平?这可能是大家最感兴趣的,接下来我会向大家娓娓道来。









首先讲一下高铁的历史吧。1964年,日本在奥运会前夕开通高铁,和我们2008年奥运会开通高铁完全一样。所以,高铁是从1964年开始有的,他们叫子弹头,每小时200公里。那了不得了,全世界都竖大拇指!从那以后,全世界都开始进行研究,法国1981年有了高铁叫TGV,德国1991年有了高铁叫ICE。







其实我们国家研究高铁还是很早的,从1990年开始论证北京到上海的京沪高铁,接着就布局了高铁研究的项目,一直到2002年左右,研制了很多高铁。这里只举了先锋号、中华之星的例子,这些都是200公里的车。在这个过程中,研究花了很长的时间,但为什么它现在不行了呢?为什么我们现在看到都是和谐号380、复兴号,这个车怎么没用呢?



实际上,作为一种大众化的产品,必须要非常成熟。但当时我们的工业基础比较弱,技术力量也比较弱,这些研制的高铁经常“趴窝”,不能满足实际应用的需求。在这种情况下国家怎么办?引进、消化、吸收、再创新,是这样一个过程。



2008年,发生了我们国家高铁的一个标志性事件——修通了京津城际300公里,这个车型是从德国西门子引进过来的,当时最高速度能到350公里,运行速度是300公里。







实际上引进是从2004年开始的,大家可能见到的是2008年。



在2020年的规划中,我们国家要建高速铁路网,这么长的高速铁路网,车从哪来?引进的高铁技术?不对,引进的是生产线,别人的技术根本不卖给我们。从2004年,上图从左边第一个、第二个和最后一个,这几个当时我们叫动车组,通过既有线路的改造能够跑到200公里。







围绕2008年奥运会,我们引进了西门子,是300公里~350公里的车,引进回来叫什么名字呢?大家都知道名字叫和谐号CRH1、CRH2、CRH3、CRH5,大家会问那中间不空了个4嘛?因为我们中国人不习惯用4,这个数字不吉利就不要了。



这里面也有一个故事。本来我们2004年就想从德国引进这个车,但他们说,你们高速铁路那么弱,不卖给你们。实际上引进别人的车,别人都是把比较低端的产品卖给我们。2008年开奥运会之前,到2006年,德国反过来想占领中国市场,经过反复洽谈才卖给我们的。



我们从1990年开始研究高铁,引进了车,又通过了当时的京沪线、武广线,我们就在这个基础上研制更高速度、更好的车。所以从2009年到2011年,有两部联合行动计划,什么叫两部?就是当时的铁道部和科技部。



2008年2月26日,在钓鱼台国宾馆,当时国务委员陈至立代表国家签署两部联合行动计划,当时我也参加了。行动计划的目标之一,就是我们要针对京沪高速铁路,研制自己的车,这是一个大任务。







我们基于德国的西门子,在国内叫三型车,基于日本引进的则是二型车。通过三年的努力,研制出CRH系列车,就是中国高速铁路380A、380B、380C。B和C是同一个平台研制出来的,都是基于西门子,只不过是不同厂家生产的。



还有综合检测列车,大家对这个车可能不熟,这个车实际上是保证大家安全的。这个车上装的全是设备,不能坐人。为什么高铁到了12点之后就停下来了?因为在12点到早晨6点,综合检测列车一直在路上运行,检测各种各样的问题,保证我们早上6点去坐高铁的时候有车坐。







就这样,我们基本上在各个平台上都有了自己的更高速度的列车。但是我们国家这么大,根据环境需要各种不同类型的车,这叫做环境适应性。当时哈大线(哈尔滨到大连)要开通了,又要建兰州到新疆的高铁,海南岛的环线也都开通了。



哈大线的车要改造成高寒列车,需要确保列车所有部件和材料能够耐零下40度的低温。对跑西北(从兰州到新疆)的车,必须要研究防风沙。在西北,一年大概有280天平均风速6级,北京四五级风速走着感觉就不行了,加上车速还那么快,所以必须研制防风沙的车。同时针对既有路线,还要研制长途卧铺的动车组。以上这些都是根据我们国家的需要来研制的。



同时我们还要发展技术。从技术方面来说,我们想把列车变得更智能,把现在的AI技术都加进去。2007年的时候,法国的车跑了世界上最高的速度——574公里每小时,当时请了全世界所有的记者到场,大家都讲法国技术最好,能跑这么快。



实际上,我们也做了这个车,至少能跑500公里每小时,准备在北京到天津的徐州到枣庄一带来试验的,最后因为铁道部改成了铁路总公司等原因,这个车实际上没跑成。另外,我们还围绕珠三角小范围地改造了160公里/小时的城际列车。这样,上述车型我们在技术上就已经具备条件了。



因为所有列车的原型都是在世界上各个国家平台上研制出来的,于是就存在很多问题:第一,配件不统一,高铁需要维修,换配件换不了;第二,开高铁不像开汽车,这个车那个车都能开,高铁司机会开这个车,换个车可能就不会开了。



针对这些问题,我们叫“互联互通、满足用户的需求”,要变成中国的标准——原来是世界各个国家的标准,我们要把它变成中国标准。这些中国标准的列车,我们开始把它叫做“中国标准动车组”,然后中国铁路总公司总经理(相当于原来的铁道部部长)把这个车改成“复兴号”,我们熟悉的“复兴号”就是这么来的。







那我们现在做什么呢?响应“一带一路”,研究400公里的动车组。为什么研究这个车,这个车有什么好处呢?主要是满足“互联互通”。



因为各个国家铁轨之间的距离是不一样的,大小也不一样,比如我们的一辆车从北京一直跑到欧洲,不同国家的铁轨都不一样,除非都去换轮子。所以这个400公里动车组要求车底下有转向架,它在不同宽度的轨道上,都能够一直开过去,不用换轮子。



这种高速列车最高速度大概能跑多少?这也是随着技术发展的,60年代车最高能跑200公里,后来能跑300公里,现在根据我的判断,大概是能够运行最高速度400公里。







另外,我们现在正在研制600公里磁浮列车。



我们这么大的国家,这个技术是一定要掌握的。为什么呢?因为日本研究了很长时间,最高速度跑到603公里,他们宣称2017年要全部建完从东京到大阪的磁浮列车,运行速度550公里。我们这么大国家,未来应该有600公里的磁浮列车。



现在大家通过都是通过网络购物,再通过顺丰快递送上门,这就需要研制高速货运列车,让我们买的东西能尽快送到我们手里。



这些都是我们现在正在做的事情。接下来讲一下大的系统。







高速铁路是一个非常复杂的系统。



首先是工务工程,有桥梁、有隧道、有站场;上面架着电线,要供电系统;有通讯信号,每个车在什么位置;有运营调度,运营调度就是我们看到的时刻表;旅客服务,这是和我们打交道比较多的。







我主要参与的是高速列车这一块,下面我主要从高速列车这个方向来讲一下。



大家听得多的是高速列车,但是前面又提到动车组,动车组和高速列车好像都混起来了,他们之间什么区别呢?原来的绿皮车、现在的货车都是动力集中型,什么叫动力集中型?前面有一个机车带着后面的车厢往前跑,就是我们平时说的“火车跑得快,全靠车头带”,是车头有动力,它带着后面的车厢跑。



现在的高铁不一样了,动力是分散的,每节车底下都装了牵引动力,简单地说就是每节车都装了发动机,联合一起往前跑。这样就跑得快,每一个要求也不高,每一个对轮轨的受力比较平均,所以现在发展的潮流都是“动力分散”,我们国家也叫动车组。







我们国家的动车组主要针对既有线,既有线的都叫动车组,后面新修的这些线就是高速列车,从动力分散的角度来说,也都叫动车组。



高速列车非常复杂,高速列车本身有十项子系统。怎么造一个车体?列车上面怎么网络控制?列车怎么牵引?刹车怎么制动?转向架怎么弄?牵引的电机牵引变压器、变流器,上面网格线的输出我们国家都是按二万五千伏来设计的,到上面都要变流、整流,包含这样一个复杂的系统,怎么把它集成起来?下面针对我自己的一些工作给大家介绍一下。



大家问高速列车每个样子都长得不一样,要考虑哪些问题?我举两个例子,一个是我们国家的CRH380A(和谐号380A),还有复兴号 400AF。针对这两种车,大概说一下设计过程和流程。







我管的是性能方面。车当然有不同的形状、不同的外形,但车的性能到底好不好?跑起来是不是能够节能?是不是升力很大?升力如果很大的话,高铁就会飘起来了。还有交汇的时候、过隧道的时候、有很大风的时候,车运行起来是不是稳定?是不是安全?是不是节能?是不是环保?这些是我关心的事。



当然,光我设计出来还不行,还要到厂子里去制造。制造就牵涉到司机的视野、设备的布置、室内的空间、附件的空间、工艺的成本,这些都是必须要考虑的,只有这样才能造出来。







还要体现中国的民族文化特色,别人一看就知道这是中国的车,是象征我们中国的。关于这方面,我们叫工业设计。工业设计都是基于很抽象图形,从抽象型的龙、马、火箭,像画草图一样,画出一个大概模型,慢慢地过渡到车,以此基础,把三维的造型弄出来。







中国有世界上最快的计算机,用计算机来仿真。仿真什么呢?就是车还没造出来,但它的线路、所有的工况我都知道了,然后我考虑各种各样的隧道和其他情况,我们叫场景模拟。从这里面要得出计车体的强度、刚度,还有气密性,这些参数是通过仿真得来的。







还有风洞试验。风洞试验是什么东西呢?就是一个大管道,在管道里让车保持不动,前面产生风,按照相对运动相当于车在跑,周围是静止的,这是测什么?是把它的气动特性、气动力全测出来,从这方面来进行研究。







还有气动噪声实验。因为噪声牵涉到气密性,如果气密性好,在车里面坐着感觉的声音就小,噪声小对周围的环境影响也小。噪声风洞和上面的气动风洞有什么不一样呢?它的价钱至少是气动风洞的5倍以上。它要求背景噪声小,因为要产生一股快的来流,这个风扇要拼命产生这样的环境,所以噪声风动要求背景噪声非常低。



这些都完成之后呢,要人机工程验证、工装台位验证,这样就可以生产出来了。







现在的“复兴号”和“和谐号”有什么不一样?受电弓(电力牵引机车从接触网取得电能的电气设备)的底下是不一样的,车头不一样、整流不一样,这些都是我们一项一项来设计的。



风洞能产生一股来流,但是它不能模拟列车交汇这一情况,所以这十年我还在怀柔建了一个很大的高速列车动模型实验平台,按照1:8的比例。







这个视频记录了我们动模型实验的整个过程。最高速度能到500公里每小时,现在正改造成600公里每小时的一个实验台。我们依托这个,建立了中国的标准体系,可能五年之后,我们就可以坐上中国600公里的磁浮列车。

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