高铁科研“转轨”

来源:用户上传      作者: 贺涛

　　仅仅过去两个月，铁道部再次勒紧了高铁的“缰绳”。
　　从8月28日零时起，“降”字当头的新版铁路运行图实行。京津城际、沪杭、合宁、合武、石太、昌九、长吉、秦沈等多条高铁线路，都将时速下调了50公里，而客货混跑的既有线动车组列车时速由200公里调整至160公里。
　　对中国科学院力学研究所研（下称力学所）究员杨国伟而言，他所领衔的“时速500公里条件下的高速列车基础力学问题研究”的实车线路实验，将因此遥遥无期。而年初，铁道部部长盛光祖上任不久，该项目的试验列车研发即被叫停，当时在CRH380A型车设计平台基础上开发的样车已基本进入总装阶段。由中国南车股份有限公司(601766.SH，下称中国南车)研制的CRH380A在京沪高铁试运行时，最高运行时速已达到486.1公里。
　　杨国伟遇到的变化并非个案。高铁两次降速，说明中国高铁技术在理论层面上还有大量问题需要进一步研究。“7・23”动车追尾事故或将成为中国铁路史上，高铁从追求速度奇迹转向保障安全、稳定运行的重要推力。
　　
　　科研不足
　　2008年之前，杨国伟的研究项目从未与高铁发生交会。其研究领域是计算流体力学，项目多涉及航空航天领域。
　　但在2008年2月26日，铁道部和科技部签署《中国高速列车自主创新联合行动计划》明确提出，研制符合京沪高速铁路运营需求的时速350公里及以上高速列车，建立并完善具有自主知识产权、国际竞争力强的时速350公里及以上中国高速铁路技术体系。
　　同年8月，科技部启动“十一五”国家科技支撑计划“中国高速列车关键技术研究及装备研制”重大项目，共分十个专项课题，科研经费10亿元，铁道部相关企业自筹20亿元。
　　这也是与铁道部向未关联的高校和科研机构参与最多的一次。在此之前，铁道部资助的科研项目，多由其所属科研机构和关联企业领衔。比如2006年11月，同为“十一五”国家科技支撑计划的“高速轮轨铁路引进、消化吸收与创新”课题招标结果公布，中国北车股份有限公司(601299.SH，下称中国北车)是项目组织单位，在全部8项课题中，其所属的长春轨道客车股份有限公司承担了4项课题，四方车辆研究所获得1项课题，而剩下的3项课题则被中国铁道科学研究院收入囊中。
　　“世界上最发达的高速列车引进来了，在消化吸收的过程中，光靠铁道部的力量显然不够。”一位参与“中国高速列车关键技术研究及装备研制”专项课题的人士对《财经》记者分析，迫于解决现实问题的压力，铁道部不得不敞开门户。最终，参加350公里及以上高速列车攻关计划的有25所高校，11个科研院所。
　　但从此时的课题设置上亦可看出，研究依然以速度为先。
　　以杨国伟为首的团队主持的一项课题是“高速列车空气动力学优化设计及评估技术”，主要研究任务就是对从川崎重工引进的CRH2型车和从西门子引进的CRH3型车进行消化吸收，并尽快通过再创新实现京沪高铁列车的整车减阻降噪设计。这一项目通过与南车青岛四方、北车唐山轨道客车、长春轨道客车的合作，协助完成了CRH380A和CRH380B的定型设计，其中CRH380A总阻力减少6.1％，CRH380B总阻力减少8.6％，解决了当时牵引系统最大功率不足以支撑时速350公里的长距离运行和节约能耗问题。
　　不过，这一研究实际上也只是起到“锦上添花的作用”。
　　先进理念和真正的关键技术是买不来的，“花钱只能买来设备，可以实现一定程度上的仿制，（核心技术的掌握）必须要靠原始创新”。北京交通大学电气工程学院电力工程系主任吴俊勇教授对《财经》记者说。
　　高铁有工务工程、牵引供电、通信信号、动车组、运营调度、客运服务六个主要系统。吴俊勇是高铁牵引供电系统领域专家，据他所知，在这一系统的技术引进谈判中，有些关键技术铁道部并未拿到。
　　西门子生产的27.5千伏的真空断路器是牵引供电系统一个比较核心的技术，能保证使用10万次不出故障。高铁是分段供电的，当动车经过段与段之间时，要通过断路器的正确动作保持供电连续性，因此，真空断路器的质量直接决定着高铁供电系统的故障率。
　　尽管经过项目攻关，但吴俊勇透露，目前这一问题仍未突破，国产仿制的真空断路器没有那么耐用，能保证使用七八万次不出故障，一旦出现问题就得更换，亦增加了维护成本。
　　与此同时，由于对核心技术的设计原理及设备相互之间的关联关系没有吃透，中国科学院软件研究所主持的“中国高速列车关键技术研究及装备研制”重大项目中的专项课题“高速列车网络控制系统”已经取得了成果，但在高速列车上进行系统运用还有一段距离。
　　网络控制系统好比是高铁动车组的大脑和密布全身的神经系统，对这一结构严密的系统“动刀”，意味着不仅要把相应的软件编程出来，还要把所有相关设备的性能搞清楚。但有关性能的核心技术国外厂商并未转让，而是打包在控制系统里面。这给中国科学院软件研究所的攻关设置了很大的障碍。
　　前述参与“中国高速列车关键技术研究及装备研制”专项课题的人士透露，“当软件所的项目最终取得较大进展时，厂方又不敢贸然采用，因为这是人命关天的事情。”软件所后来提出渐改方案，即从简单设备开始，用自主研发的系统逐步替代原有系统，“最难的部分可能还要很长的时间才能攻克，因为电子线路、计算机控制等方面，国内差距都较大。”该人士说。
　　让杨国伟最担心的问题，则是一种被称为“高周疲劳”的局部结构破坏现象：当结构受到高频循环作用力时，尽管每一次的作用力不足以对材料造成破坏，但如果破坏循环次数达到一定量级，结构就会产生疲劳而影响性能，极端情况下会产生裂纹直至断裂。
　　高铁列车在高速行驶状态中，其车身侧下部和底部由于离地面较近，受气流扰动影响大，面临“高周疲劳”的威胁。1998年酿成101人死亡的德国高铁事故，事后查明就是车轮因材料老化产生“疲劳断裂”，致列车脱轨。
　　然而，目前科学家还没有完全摸透其中的规律。力学所科研人员在典型结构高周疲劳试验中遇到过，依据目前检测手段，在毫无预兆的情况下，有时试验件会迅速产生裂纹，裂纹快速扩展并突然断裂的现象。“目前的检测技术都是先认识清楚材料结构特性，然后造出检测仪器，但现在我们没有搞清楚高周疲劳机制，所以就很难检测出来。高速列车的轮轴、转向架、底板、裙板、悬吊件等结构均处在高周载荷作用环境中，目前应该将高速列车服役结构安全可靠性作为研究重点。” 杨国伟说。
　　否则，一旦出事，必是大事。
　　
　　重找安全
　　年初，铁道部前副总工程师兼运输局局长张曙光对媒体分析，中国高铁跨越了三个台阶：第一台阶，通过引进消化吸收再创新，掌握了时速200公里－250公里高速列车制造技术；第二台阶，在掌握时速200公里－250公里高速列车技术的基础上，自主研制生产了时速350公里高速列车；第三台阶，成功研制时速380公里新一代高速列车，用于京沪高铁。
　　但在时间短、任务重的巨大压力下，高铁科研还不足以完全支撑高铁的安全运行。很多业内人士指出，从技术层面看，中国离高速铁路的强国还有较大距离，特别是在安全性、风险控制、运营优化及配套维修等方面差距甚远。
　　与速度极不匹配的是，中国高铁在预警、应急机制上的滞后。德日等国家在该领域技术已经很成熟，中国高铁的预警、应急机制则刚起步，在灾害应对方面几近空白。

　　在事故应急上，2007年国务院通过了《铁路交通事故应急救援和调查处理条例》，但其主要是伤亡事故的处置、责任调查等，并未有包括故障应急的内容。铁道部零星有一些灾害预警制度，但亦非常粗放，没有细分的应急处置。
　　通常而言，这部分预警机制有两个方面：第一，通过故障的研究，发现故障规律，并做风险评估，在故障发生之前就消除隐患，属于预防性维修；第二，一旦出现故障以后，快速恢复抢修机制。目前国内两者都十分欠缺，7月13日、14日京沪高铁接连发生三次故障，集中体现了这一问题，出现故障后都是停车检修几个小时。
　　吴俊勇介绍，中国高铁的难点不是修，难点是找到故障点。往往修好需要10多分钟，但找到故障点则需要很长时间，花费几个小时等。甬温线动车追尾发生前几十分钟，杭州电务段即已发现该路段故障，但未能更精准地找到引发惨剧的故障点，亦是最大的遗憾。
　　吴俊勇的研究团队正在进行一项研究，就是结合实时数值天气预报的信息，对高速铁路供电系统（包括牵引供电系统和铁路专用电力供电系统）在大风、覆冰和雷击等极端恶劣天气下的综合实时风险进行评估，为故障的早期预警提供理论依据，特别对雷击停电事故开发故障定位系统，以缩短维修时间。
　　“但建立一套完整的应急和预警体制并真正实现，几年内无法普及落实，要想全线实现，需要至少10年或者更长的时间。主要困难是在一些故障机理和可靠性理论的基础研究上还有待突破。”吴俊勇说。
　　在甬温线动车追尾事故之前，4月27日国家自然科学基金委员会和铁道部共同设立了“高速铁路基础研究联合基金”，该基金实施5年，总资助经费1.5亿元。在追尾事故之后三天，7月26日该基金公布了2011年度项目指南，拟在2012年资助10项“培育项目”和8项“重点支持项目”。这18个项目主要围绕“安全”立题。
　　与此同时，杨国伟与青岛四方的合作也调整了研究路线，此前青岛四方公司引进的高铁技术基本都是长大距离线路的技术，目前，其将时速200公里－250公里的城际列车作为研究重点。城际线路的特点是车站数量多，班次间隔短，因此对列车即开即停的性能要求较高，列车设计更注重“公交化”的模式。
　　此外，“时速500公里条件下的高速列车基础力学问题研究”虽被叫停，但杨国伟希望通过地面试验和数值仿真来继续研究。“肯定是有遗憾的，所有工程上的产品一定要通过实践检验才有更好的意义。”杨国伟表示，500公里时速的相关试验并不意味着高铁要在这一时速运营，而是通过更高时速下的试验，验证超高速有轨列车实现的可能性，为现有运行列车和今后研发更高速度级列车的安全性和舒适性提供理论支撑。
　　不过，杨国伟估计，“当高铁运营速度恢复到设计时速后，更高速的（线路）实验可能才会重新回到议事日程。”
　　本刊记者高胜科对此文亦有贡献

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