8月15日7時50分，黑龍江省東部的牡丹江高鐵站。隨著一聲鳴笛，一組銀白色的復(fù)興號動車組緩緩起步，向佳木斯市駛?cè)?。這是復(fù)興號動車組首次在中國最東端的高寒高鐵線路——牡佳高鐵試跑。

此次試跑的動車組型號，是復(fù)興號高寒動車組系列中的成員“冰鳳凰”(CR400BF-G)。因其車頭正面的兩條金色色帶如鳳凰展翅，而得此名。“冰鳳凰”是在復(fù)興號動車組“金鳳凰”(CR400BF)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了技術(shù)提升的高寒型高速動車組，相較于原車，它增加了耐高寒和抗風(fēng)沙的屬性，可在零下40攝氏度的極寒環(huán)境下運行。

復(fù)興號高寒動車組是復(fù)興號家族中最抗凍的車型，成員眾多。除了此次亮相的“冰鳳凰”，還有“高寒鱷”“高寒兔”“混血兒公主”等多個系列，著名的京張高鐵復(fù)興號智能動車組也是其中成員。普通動車組列車，最多只能在零下25攝氏度的環(huán)境下運行，而“復(fù)興號”高寒動車組卻能在零下40攝氏度乃至更低的極寒環(huán)境中高速平穩(wěn)運行，成功解決了高寒區(qū)鐵路運行這個世界級難題。

微米涂層、特殊合金——

抗低溫材料打造防寒“金鐘罩”

東北的嚴(yán)冬，氣溫常常低于零下20攝氏度。生活在這里的人都熟悉這樣一種現(xiàn)象，那就是“哈氣成冰”——呼出的水蒸氣遇到外面的超低溫，瞬間凝結(jié)成水露，形成一道白霧。這種“凝露”現(xiàn)象，對于高鐵來說，是個致命殺手。

當(dāng)一定量的水露與灰塵混合在一起，便會形成一個導(dǎo)電管道，進(jìn)而產(chǎn)生電源短路、電子元器件失效等故障。而電力線路，恰恰是復(fù)興號至關(guān)重要的“腦神經(jīng)”。

“高鐵與普通鐵路的一個明顯區(qū)別，是它除了腳下有一條軌道、頭頂還有一張密如蛛網(wǎng)的電力接觸網(wǎng)。高鐵跑得快，靠的就是這張網(wǎng)為其源源不斷輸送動能。”中國鐵路北京局集團有限公司北京動車段朝陽動車所副所長張開弦告訴記者，“高鐵的腦神經(jīng)最怕水，電箱內(nèi)部因低溫而產(chǎn)生的冷凝水可能會對列車數(shù)百公里長的電線造成致命傷。”

今年1月，“冰鳳凰”在北京至哈爾濱鐵路段首次上線試跑。為了減輕冷凝水對配電柜的影響，“冰鳳凰”配電柜的骨架上噴涂了一層微米級陶瓷多孔材料。這種材料由高溫?zé)贫?，?nèi)部有許多“蜂窩狀”的孔隙，能夠?qū)⑺秲Υ嬉欢螘r間，直到艙室周圍溫度升高，這些露水就能夠蒸發(fā)并順著陶瓷材料的孔隙散逸而出，從而化解了水露滴落對電路造成的不良影響。

抗低溫材料，是高寒動車組抗凍的重要法寶。從外部車身到關(guān)鍵部件，高寒動車組所使用的材料都經(jīng)過了大量計算分析和低溫試驗驗證，滿足了低溫運用環(huán)境下強度、疲勞、剛度、回彈等特性要求。

脆裂，是許多材料在低溫下都會發(fā)生的現(xiàn)象。高寒動車組的制造方中車長春軌道客車股份有限公司高級工程師馬凱介紹，高寒動車組在車下設(shè)備艙上邊梁與底架邊梁間等位置的螺栓、螺母一般由碳素結(jié)構(gòu)鋼制成，但高寒動車組的螺栓、螺母采用了鉻鉬合金鋼等復(fù)合材料，有效降低了零件在低溫條件下“骨折”的風(fēng)險。此外，設(shè)備艙、塞拉門、設(shè)備箱體等這些與外界冷空氣接觸部件的密封膠條等，也換成了脆性溫度低于零下40攝氏度的特殊硅橡膠材料，避免了低溫脆裂和漏風(fēng)漏水問題。列車上的水循環(huán)系統(tǒng)也怕冷，為此，設(shè)計人員把水管的材質(zhì)由銅換成了不易凍損的不銹鋼，再給管道外面裹上一層防寒棉，“棉衣”中間有電伴熱線，保證管道溫度能夠一直保持在0攝氏度以上，不會凍住。

馬凱表示，高寒動車組的抗凍黑科技還有不少。就材料方面來說，許多我國自主研發(fā)的高性能材料讓中國高鐵成為世界級抗寒能手。

在冰雪中運行，列車電熱裝置產(chǎn)生的熱量會讓雪快速結(jié)冰，厚厚的冰層成為行車安全的一大威脅。有段時間，我國高鐵動車組采用進(jìn)口涂料來防止結(jié)冰，但效果并不好。2016年，我國自主研發(fā)的疏水材料涂層問世，這種涂層效仿自然界的“荷葉效應(yīng)”，可在動車組關(guān)鍵部件上形成一層油膜，水珠無法附著在上面，從而達(dá)到防水除冰的效果。

此外，由我國自主研發(fā)的超低溫球墨鑄鐵也成功解決了高鐵用金屬材料的低溫適應(yīng)性問題。2012年，我國首條高寒高鐵——哈大高鐵建成運營，超低溫球墨鑄鐵代替德國進(jìn)口材料用在了轉(zhuǎn)向架等關(guān)鍵部件上，這種材料的耐低溫能力強，相關(guān)資料顯示，可以經(jīng)受住零下60攝氏度的低溫考驗。

特制開關(guān)、自動化防凍結(jié)功能——

除冰雪設(shè)計讓列車瀟灑前行

融冰除雪是高寒地區(qū)鐵路運行面對的最大挑戰(zhàn)。為了讓列車運行免受冰雪侵?jǐn)_，設(shè)計人員在列車的許多部位都做了特殊設(shè)計。

轉(zhuǎn)向架，高鐵平穩(wěn)運行的重要部件。它位于列車車體與軌道之間，從外觀上看，就像一個有著四個圓形輪子的小車。列車就是靠著這一組一組的“小輪子”，在鋼軌上運行。風(fēng)雪天行車，轉(zhuǎn)向架很容易積雪結(jié)冰。高寒動車組的轉(zhuǎn)向架區(qū)域采用了密封結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了防護(hù)設(shè)計，防止進(jìn)雪。

防是一方面，遇到風(fēng)急雪大的時候，除的手段便派上了用場。黑龍江省哈爾濱市地處高寒地區(qū)，2012年，我國也是世界首條設(shè)計時速達(dá)350千米的高寒線路——哈大高鐵建成運營。此后，哈齊高鐵、哈牡高鐵陸續(xù)開通，為了解決轉(zhuǎn)向架結(jié)冰積雪嚴(yán)重的問題，中國鐵路哈爾濱局集團公司自主研發(fā)了國內(nèi)首個“HTK—CBX0型高寒高鐵融冰除雪裝置”。哈爾濱動車段工程師李毅忱介紹，傳統(tǒng)的除雪方式一般都是工人使用橡膠錘、高壓熱水車，效率低，最多的時候會有200多人同時上手。而新型的除雪方式則采用了低壓溫水噴掃，可全方位快速剝離、融解轉(zhuǎn)向架上的積雪結(jié)冰，操作員還能根據(jù)動車組積冰情況，調(diào)整噴水壓力、溫度、速度，2個人僅需1小時就能完成一組動車組的除雪作業(yè)。

特制開關(guān)，這是“冰鳳凰”等新型高寒動車組的又一抗寒設(shè)計。張開弦表示，在極寒環(huán)境下，高鐵空氣開關(guān)內(nèi)部的潤滑脂黏度會增加，容易導(dǎo)致正負(fù)極觸點間產(chǎn)生“拉弧現(xiàn)象”，電流在空氣中產(chǎn)生電火花，就像藕斷絲連一樣，導(dǎo)致電路斷開速度變慢、控制失靈，這是十分危險的。尤其是高鐵處于高速運行狀態(tài)，所需的電壓也大，“拉弧現(xiàn)象”一旦發(fā)生，破壞力更大。因此，設(shè)計生產(chǎn)單位為高寒高鐵研制了新型低溫控制開關(guān)，再冷的天，也能收放自如。

這種特別的設(shè)計在高寒動車組中還有很多。比如，列車采用全密封式設(shè)備艙，通風(fēng)格柵采用“V”型迷宮式設(shè)計，空氣能自由流動，冰雪卻進(jìn)不來;車輪具有防滑、防抱死功能，當(dāng)檢測到車輪轉(zhuǎn)速異常時，自動減小制動力、牽引力，并通過撒砂裝置提高摩擦力，避免車輪打滑。針對動車組車門和站臺補償踏板結(jié)冰、電水爐上水管凍結(jié)等問題，改裝排水孔，增加伴熱線。

此外，新型高寒動車組還首次批量使用了自動化防凍結(jié)功能。中車集團相關(guān)設(shè)計人員表示，在列車停放期間，單車制動閘片和制動盤每次松開55秒，抱住5秒，各車依次循環(huán)動作3小時。簡單來說，就是一直讓制動閘始終處于動起來的狀態(tài)，把積雪“抖落”下去，防止低溫下被凍結(jié)。設(shè)計人員還對閘片和制動盤的間隙進(jìn)行了放大設(shè)計，把摩擦塊之間的間隙放大，防止冰雪進(jìn)入影響剎車。

動態(tài)跟蹤、大數(shù)據(jù)分析——

完善監(jiān)測設(shè)施為出行護(hù)航

清晨，哈爾濱高鐵站，首發(fā)動車組開車前，一位“探路者”已先行出發(fā)，這便是高鐵綜合檢測車。據(jù)哈爾濱供電段供電技術(shù)科科長韓秀峰介紹，極寒天氣下，高鐵線路容易發(fā)生軌距變化和裂折，動車組受電弓和接觸網(wǎng)也會因熱脹冷縮產(chǎn)生零部件松動、電壓不穩(wěn)等問題，容易造成斷電停車。檢測車每天都會先行試跑，車上安裝有6C檢測系統(tǒng)，每秒拍攝17張照片，幫助工作人員觀察接觸網(wǎng)零配件積雪結(jié)冰情況，有無松動、缺失、破損，再通過系統(tǒng)監(jiān)測、綜合診斷等，及時發(fā)現(xiàn)處理所存在的問題。

高寒動車組順利運行，離不開強大完備的配套設(shè)施。隨著大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)的發(fā)展，這些先進(jìn)技術(shù)也運用在了高寒動車組的運行保障中。

運行監(jiān)測是發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的重要保障。在京哈高鐵等高寒鐵路沿線，鐵路部門在臨近車站的軌道旁安裝了配有高速攝像頭、傳感器和圖像識別技術(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)，可動態(tài)跟蹤并分析動車組運行狀態(tài)和運行數(shù)據(jù)，一旦發(fā)現(xiàn)積雪或結(jié)冰等異?，F(xiàn)象，便會啟動融冰除雪分級處置預(yù)案。除監(jiān)控雪和冰以外，系統(tǒng)還能監(jiān)控動車組的部件運行情況，提高了檢測維修效率。

高寒動車組的日常“體檢”，主要靠大數(shù)據(jù)分析來發(fā)現(xiàn)“病灶”。北京動車段朝陽動車所隨車機械師郭曉東表示，各種設(shè)備數(shù)據(jù)每天都會被及時采集并上傳至“云端”進(jìn)行統(tǒng)計分析，形成各種圖表，一些隱患也可以通過這些數(shù)據(jù)分析提前暴露出來。此外，高速攝像頭還會對高鐵線路扣件、立螺栓等設(shè)備登記造冊，逐一篩查，在極寒冰雪天氣下，使用抗高寒?dāng)?shù)字檢查儀現(xiàn)場采集分析數(shù)據(jù)，通過聲波、紅外線等探傷手段，能夠快速測算設(shè)備數(shù)值。這些數(shù)據(jù)的積累，不僅對于列車當(dāng)時的平穩(wěn)運行有著重要作用，也為今后其他高寒動車組的運行提供了寶貴經(jīng)驗。

堅固的路基是高寒動車組運行的重要保障設(shè)施。在高寒地區(qū)，路基容易因凍脹而變形。中國鐵道科學(xué)研究院研究員盧耀榮表示，我國修建青藏鐵路同樣經(jīng)過凍土地區(qū)，由于進(jìn)行了長期大量試驗研究工作，采取基本有效的處理凍土修建土建工程的技術(shù)措施，所以青藏鐵路一年四季都能正常運行。

在東北地區(qū)高寒高鐵建設(shè)過程中，建設(shè)方也借鑒了青藏鐵路的已有技術(shù)成果，并進(jìn)行了一些針對性創(chuàng)新，成功解決了凍脹問題。比如，在路基凍結(jié)深度范圍內(nèi)填筑非凍脹性填料，在路基坡腳兩側(cè)設(shè)置“保溫層”。針對鋼軌、道岔等被積雪融化后易結(jié)冰的問題，在全線車站、線路所、動車所全部設(shè)置道岔融雪裝置，在道岔鋼軌下預(yù)先埋設(shè)了電加熱絲。

依靠完備的設(shè)施和強大的技術(shù)，中國高寒動車組不斷創(chuàng)造世界奇跡。目前，有“冰鳳凰”之稱的CR400BF-G系列已有60余列奔馳在高鐵線路上。我國首列時速達(dá)到400公里的高寒動車組——跨國互聯(lián)互通動車組也已研制成功，可在零下50攝氏度的超低溫下高速運行，堪稱全球最“抗凍”的高速動車組。

關(guān)鍵詞： 高寒動車組 新材料 防寒抗低溫 特殊合金