高溫超導(dǎo)高速磁浮工程化試驗(yàn)線樣車。徐浩煊 攝

蘆夢瑩 四川在線記者 徐浩煊

(資料圖)

西南交大九里校區(qū)，世界首臺(tái)高溫超導(dǎo)高速磁浮工程化樣車，懸浮在165米長的高溫超導(dǎo)高速磁浮工程化試驗(yàn)線上。盡管正值暑假，鴨嘴獸般的車頭邊，仍聚集了不少正在記錄數(shù)據(jù)的學(xué)生。

這套樣車及試驗(yàn)線，歸屬西南交大軌道交通運(yùn)載系統(tǒng)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（簡稱“軌道運(yùn)載實(shí)驗(yàn)室”）。1989年開始籌建的軌道運(yùn)載實(shí)驗(yàn)室，至今已兩次被評(píng)為優(yōu)秀國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，先后獲得國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)2項(xiàng)、二等獎(jiǎng)8項(xiàng)，科研成果4次入選中國高等教育十大科技進(jìn)展。“搞科研是沒有假期的，不同攻關(guān)方向的研究所，都在按計(jì)劃推進(jìn)各自的工作?！避壍肋\(yùn)載實(shí)驗(yàn)室副主任馬光同告訴記者。

作為軌道交通領(lǐng)域第一個(gè)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，34年來，軌道運(yùn)載實(shí)驗(yàn)室不僅參與見證了一次次鐵路大提速，更像一個(gè)創(chuàng)新中樞，幫助中國軌道交通產(chǎn)業(yè)打造出閃亮的國家名片。

高溫超導(dǎo)高速磁浮工程化試驗(yàn)線樣車。徐浩煊 攝

中國開創(chuàng)

滾振臺(tái)升級(jí)，模擬時(shí)速達(dá)600公里

由不規(guī)則五邊形合圍而成的軌道運(yùn)載實(shí)驗(yàn)室，坐落在校園北側(cè)，一圈走下來將近一公里。在兩扇紅色的鐵門內(nèi)，機(jī)車車輛整車滾動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)（簡稱“滾振臺(tái)”），靜靜地躺在一間1萬平方米的實(shí)驗(yàn)室用房內(nèi)。為方便受試機(jī)車進(jìn)出，這里還配套建設(shè)了1.4公里的鐵路專用線。

滾振臺(tái)一經(jīng)建成就是世界第二、亞洲第一，不僅幫助實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)確拿捏到輪軌相互作用關(guān)系，完成一項(xiàng)項(xiàng)國家試驗(yàn)和研究任務(wù)，更開創(chuàng)了中國機(jī)車運(yùn)行模擬的新紀(jì)元。

什么是滾振臺(tái)？它就像列車的跑步機(jī)，讓放置在跑步機(jī)輪子上的列車，可以隨著輪子轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬出不同速度環(huán)境下的行駛狀態(tài)，為仿真模擬和真車運(yùn)營搭建橋梁。它也因此被稱作解開輪軌關(guān)系的黑匣子，若機(jī)車在測試時(shí)能保持穩(wěn)定，就證明其在實(shí)際運(yùn)行時(shí)具有足夠的平穩(wěn)性和舒適性，具備安全平穩(wěn)運(yùn)營的條件。

“上世紀(jì)80年代，我國的列車運(yùn)行時(shí)速最快不過100公里，速度慢、運(yùn)量小，德國、日本的列車時(shí)速早就是兩三百公里了。要想列車跑得快、改變一票難求的局面，建立一個(gè)滾振臺(tái)，是大勢所趨?！绷熊嚺c線路研究所副所長趙春發(fā)告訴記者，為提升速度、運(yùn)力而建的滾振臺(tái)，不僅是軌道運(yùn)載實(shí)驗(yàn)室應(yīng)鐵路而生的重要體現(xiàn)，更為中國鐵路實(shí)現(xiàn)跟跑到并跑邁出了重要的一步。

建成5年就拿下國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。在時(shí)速60—70公里的年代，提出時(shí)速450公里的試驗(yàn)，顯然有些天馬行空。時(shí)至今日，滾振臺(tái)的提出者，兩院院士、西南交大教授沈志云回憶起當(dāng)年建設(shè)時(shí)的壓力，仍會(huì)用“腦袋別在褲腰帶上”來形容?！叭绱舜蟮脑O(shè)備，如果搞成功了，非常有用；如果失敗了，那就是一堆廢鐵，是很大的浪費(fèi)?！?/p>

30多年后的今天，當(dāng)年的四軸試驗(yàn)臺(tái)早已升級(jí)為六軸，模擬時(shí)速可達(dá)600公里，不僅規(guī)模最大、功能最多、技術(shù)最先進(jìn)，更為和諧號(hào)、復(fù)興號(hào)全系動(dòng)車組及韓國、俄羅斯等國列車的量產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

軌道運(yùn)載實(shí)驗(yàn)室。受訪者供圖

中國技術(shù)

翟模型翟方法，已成行業(yè)金標(biāo)準(zhǔn)

翟模型是上世紀(jì)90年代初，由中國科學(xué)院院士、西南交大首席教授翟婉明率先提出的車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)理論體系，將以往分屬兩個(gè)獨(dú)立研究系統(tǒng)的車輛、軌道合一，進(jìn)行統(tǒng)一整體的研究。它的提出，讓日漸興起的軌道運(yùn)載實(shí)驗(yàn)室，開始與中國鐵路大事件形影相連，一直沿用至今。

中國高鐵的最高時(shí)速到底能到多少公里？在“高鐵350時(shí)代”的今天，對(duì)更快高鐵的追求，仍是一代軌道人的追求。

按照設(shè)計(jì)，正在修建的成渝中線高鐵，將成為中國首條預(yù)留提速至?xí)r速400公里條件的高速鐵路。作為中國高鐵的智囊團(tuán)，在軌道運(yùn)載實(shí)驗(yàn)室列車與線路研究所，翟婉明正帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，用翟模型對(duì)相關(guān)線路的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行仿真驗(yàn)算。

翟模型的精髓是車-軌耦合。什么是車-軌耦合？趙春發(fā)舉例子說，就像汽車換檔一樣。以往火車速度慢，線路對(duì)列車的影響小。要發(fā)展高速鐵路、重載鐵路，軌道只要有一絲不平整，就會(huì)給列車車體帶來強(qiáng)烈震動(dòng)。同樣，車輪也會(huì)對(duì)線路造成橫向、豎向的沖擊力。“這就要求我們把車和線聯(lián)合起來研究，也就是車—軌耦合?！?/p>

與翟模型搭配的翟方法，是一種快速顯式二步數(shù)值積分的方法。這一方法不僅計(jì)算速度更快，在當(dāng)年處理器只有133MHz的微機(jī)上，也能完成龐大的計(jì)算量。

在中國高鐵的起步年代，翟模型起到了重要作用。廣深港高鐵廣州與東莞間的獅子洋隧道，是高鐵穿越獅子洋海域的關(guān)鍵工程，也是世界上行車速度目標(biāo)值最高的水下隧道。如何穿越獅子洋？在缺少高鐵設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的年代，就是一大極具代表性的挑戰(zhàn)。

設(shè)計(jì)單位經(jīng)過一年多勘察，提出了4種選線方案，到底哪種方法可行？2005年，在翟模型、翟方法的指引下，經(jīng)過計(jì)算機(jī)模擬分析，翟婉明幫助設(shè)計(jì)單位找出其中的最優(yōu)者，為線路安全運(yùn)營至今12年奠定了基礎(chǔ)。

提出至今30多年，翟模型、翟方法已從最初連通車—軌關(guān)系，迭代到高鐵時(shí)代多架橋造路背景下連通車—線—橋的關(guān)系，不僅在2005年和2009年分獲國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、二等獎(jiǎng)，在川藏鐵路、貨運(yùn)動(dòng)車組等多個(gè)科研攻關(guān)項(xiàng)目中，全國幾乎所有涉及動(dòng)力學(xué)的模型都以它為主，或由它演變而來。

機(jī)車車輛整車滾動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)。受訪者供圖

中國示范

市場有需求，超級(jí)高鐵時(shí)代將至

速度，是評(píng)價(jià)軌道交通先進(jìn)程度、運(yùn)輸能力最有說服力的指標(biāo)。

2021年，我國自主研發(fā)設(shè)計(jì)、自主制造的世界首臺(tái)高溫超導(dǎo)高速磁浮工程化樣車及試驗(yàn)線，在西南交大九里校區(qū)正式啟用。設(shè)計(jì)時(shí)速大于600公里，標(biāo)志著我國高溫超導(dǎo)高速磁浮工程化研究實(shí)現(xiàn)了從無到有的突破。

坐落在軌道運(yùn)載實(shí)驗(yàn)室旁的樣車與試驗(yàn)線，集全碳纖維輕量化車體、低阻力頭型、大載重高溫超導(dǎo)磁浮技術(shù)等新技術(shù)和新工藝于一體。盡管上線的只有車頭，線路全長也不過100多米，但仍被寄予“創(chuàng)造大氣環(huán)境下陸地交通速度新紀(jì)錄”的厚望。

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，還有被稱為“未來超級(jí)高鐵雛形”的全球首個(gè)真空管道超高速磁懸浮列車環(huán)形試驗(yàn)線平臺(tái)、國內(nèi)首個(gè)載人高溫超導(dǎo)磁懸浮環(huán)形試驗(yàn)線，研究并驗(yàn)證了真空管道及高溫超導(dǎo)磁懸浮的可行性。

我們真的需要時(shí)速600公里的超級(jí)高鐵嗎？趙春發(fā)給出了肯定答案。

在福廈高鐵等新線路的輪軌試驗(yàn)中，中國高鐵已跑出時(shí)速超450公里的試驗(yàn)速度。但綜合維護(hù)保養(yǎng)成本及安全系數(shù)，預(yù)計(jì)未來最快的運(yùn)營時(shí)速將保持在400公里?！斑@與民航飛機(jī)時(shí)速800公里相比，還存一定的速度空白?！?/p>

趙春發(fā)認(rèn)為，從市場角度看，時(shí)速600公里的交通方式，擁有數(shù)量可觀的商務(wù)群體。“與時(shí)速350公里的構(gòu)建高鐵網(wǎng)不同，超級(jí)高鐵注重于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通行，如滬杭、滬蘇、大灣區(qū)，目前運(yùn)力都區(qū)域飽和，具備一定的市場前景。”

如果說西南交大九里校區(qū)的高溫超導(dǎo)高速磁浮工程化試驗(yàn)線，是超級(jí)高鐵的1.0版本，那么，興隆湖畔正在建設(shè)的首個(gè)省級(jí)重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——多態(tài)耦合軌道交通動(dòng)模試驗(yàn)平臺(tái)，則可以稱作超級(jí)高鐵的2.0版本。

作為西南交大歷史上投資規(guī)模最大的科學(xué)試驗(yàn)裝置，總投資5.8億元的多態(tài)耦合軌道交通動(dòng)模試驗(yàn)平臺(tái)，被視為引領(lǐng)未來超高速軌道交通科技發(fā)展的重要平臺(tái)。該平臺(tái)將建設(shè)長1620米、設(shè)計(jì)最高試驗(yàn)時(shí)速1500公里的高架真空管道高溫超導(dǎo)磁浮交通綜合性研究試驗(yàn)平臺(tái)，為真空管道超高速軌道交通的基礎(chǔ)科學(xué)與共性關(guān)鍵技術(shù)，提供超高速與低氣壓的試驗(yàn)環(huán)境。

機(jī)車車輛整車滾動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)。受訪者供圖

中國力量

超強(qiáng)牽引重量，為世界提供經(jīng)驗(yàn)

軸重30噸、牽引重量3萬噸——這是科學(xué)探索獎(jiǎng)獲得者，西南交大教授、軌道運(yùn)載實(shí)驗(yàn)室主任王開云定下的科研目標(biāo)。

按照計(jì)劃，團(tuán)隊(duì)將完成3萬噸級(jí)重載列車性能設(shè)計(jì)、電控制動(dòng)與操縱控制，完善重載鐵路輔以安全與狀態(tài)修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)，掌握軌道交通貨運(yùn)快速化的關(guān)鍵技術(shù)。未來10年內(nèi)，建立動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)、優(yōu)化、試驗(yàn)平臺(tái)及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)時(shí)速250公里高速快捷貨運(yùn)核心技術(shù)重大突破。

軸重由25噸提升至30噸，意味著有4個(gè)輪軸單節(jié)車皮，一節(jié)能多運(yùn)20噸貨物。牽引重量3萬噸，意味著貨運(yùn)列車的牽引水平將較現(xiàn)在提升5倍以上，比重載技術(shù)示范線大秦鐵路的貨運(yùn)列車還要多1萬噸。

“更大的牽引重量和軸重方向，是貨運(yùn)的發(fā)展方向。”趙春發(fā)告訴記者，與客運(yùn)列車不同，貨運(yùn)列車因超大載重，有更大慣性，要想把兩三萬噸的列車剎住，控制縱向沖力保證運(yùn)行安全，并不是容易的事。由王開云主持完成的國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)項(xiàng)目——重載列車與軌道相互作用安全保障關(guān)鍵技術(shù)及工程應(yīng)用，將解決這一痛點(diǎn)，不僅推動(dòng)超強(qiáng)牽引重量的落地，也為國際重載提供了中國經(jīng)驗(yàn)。

此外，王開云團(tuán)隊(duì)還在探索基于信號(hào)通信的貨運(yùn)列車虛擬連掛。與先行的實(shí)物相連不同，虛擬連掛將減少貨運(yùn)列車的解編次數(shù)，列車到站后車廂自行解掛，提高運(yùn)輸效率、提升運(yùn)輸利潤?！爱?dāng)然，這不僅是連掛技術(shù)的變革，還包括智能運(yùn)營和智能維護(hù)，涉及車庫改造、操控改造，相信能給鐵路貨運(yùn)帶來劃時(shí)代的變化?！?/p>

在西南交大官方統(tǒng)計(jì)的研究生畢業(yè)去向中，每年有近八成學(xué)生去了研究設(shè)計(jì)院、地鐵公司、機(jī)車車輛廠等軌道交通領(lǐng)域?！芭囵B(yǎng)的學(xué)生越來越多地深入一線，讓原本只攻生產(chǎn)的前端單位，也具備了一定的研究能力。你們做的很多工作，前端企業(yè)也能做了，會(huì)有壓力嗎？”面對(duì)提問，趙春發(fā)顯得更有底氣：“這是好事。高校作為新興技術(shù)的發(fā)源地、前沿地，這種互動(dòng)將推動(dòng)我們的創(chuàng)新研究繼續(xù)向前，督促我們探索更前瞻、更具顛覆性的技術(shù)?！?/p>

從滾振臺(tái)到翟模型、翟方法，從動(dòng)車組到超級(jí)高鐵，西南交大軌道運(yùn)載實(shí)驗(yàn)室應(yīng)鐵路而生、因鐵路而興、憑鐵路而強(qiáng)。“我們希望能探索更多的無人區(qū)，在更多無人區(qū)插上旗幟，號(hào)召大家往這個(gè)方向走，見證中國鐵路的飛躍式發(fā)展?！瘪R光同說。

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