複興號的新高度

2021年07月24日14:58

原標題:複興號的新高度

拉林鐵路全長435.48公里,有隧道47座,隧道總長216.5公里,幾乎占了一半

要從成都乃至海拔更低的內地,直接跑上青藏高原。對牽引電機的要求,“就像要求一個人在平原地區能跑馬拉松,到青藏高原上戴著口罩還能跑馬拉松。”

青藏高原氣候條件複雜,動車需要運用更多突破性“黑科技”:比如應對經常出現的“地滾雷”,“高原綠巨人”需要全身防雷,“地滾雷”不論打到列車什麼位置,都能被輕鬆化解

▲資料圖片:雙源動力集中動車組傍行在雅魯藏布江峽穀。羅春曉 攝
▲資料圖片:雙源動力集中動車組傍行在雅魯藏布江峽穀。羅春曉 攝

海拔2438米或8000英呎以上的“高高原”,是人類發展現代交通運輸的高難度領域。

6月25日10時30分,D2021次複興號列車鳴響風笛,從拉薩首發,駛向林芝,標誌著中國國家鐵路集團有限公司組織建設的拉林鐵路正式開通運營,意味著複興號突破海拔障礙,實現了高原運營。

這也是國鐵集團牽頭組建創新聯合體研製的複興號高原內電雙源動力集中動車組(被人昵稱為“高原綠巨人”)首次亮相。

拉林鐵路位於青藏高原岡底斯山與喜馬拉雅山之間的藏東南穀地,約90%的線路在海拔3000米以上,靠占比達75%的橋樑和隧道穿越岡底斯山和16次跨越雅魯藏布江;沿線山高穀深,相對高差達2500米,施工過程需要攻克諸如高地溫、強岩爆等一個又一個攔路虎。

拉林鐵路的開通,不僅帶來西藏旅遊從“慢行快遊”變為“快行慢遊”等發展效應,更為川藏鐵路乃至滇藏鐵路等“史詩工程”寫下序章,是“中國智造”“中國建造”又一次“爬坡”和“登頂”。

在“世界屋脊”之上,中國先進軌道交通體系進一步確認和鞏固了領跑世界的地位。

開創技術新紀元之路

“高原綠巨人”不“恐高”,憑什麼?

再強大的電力機車,都會受限於輪軌爬坡能力。拉林項目能夠成功,首先得益於拉林鐵路——一條開闢技術新紀元的鐵路。

中國中鐵二院,是拉林鐵路的勘察設計單位。為了這條路,很多“二院人”在雪域高原打拚了十年。

拉林鐵路全長435.48公里,有隧道47座,隧道總長216.5公里,幾乎占了一半。

從地質條件看,“拉林鐵路沿歐亞板塊與印度洋板塊碰撞的雅魯藏布江縫合帶前行,技術上有很多沒有先例的‘無人區’。”中鐵二院拉林鐵路配合施工項目部項目經理兼項目總體何娘者說。

二院設計團隊足跡遍佈藏東高山和深穀,採用“空、天、地”一體化勘察技術查明了沿線災害類型、分佈情況。對千米級危岩落石、高位泥石流、河穀風積沙等罕見不良地質,提出了科學的工程措施。

“項目過程中,不斷遭遇高地溫、軟岩大變形、強岩爆、高壓富水冰積層、高原風積沙等特殊不良地質問題”,中鐵二院拉林鐵路配合施工項目部總工程師張維說,建設的過程可謂“戰天鬥地”。

很多隧道建設難度超乎想像。

比如,靠近地熱源的桑珠嶺隧道,作業面岩石溫度高達89.3℃,超過高原水的沸點!依靠灑水噴霧、製作“隔熱”混凝土、添加高效引氣劑、生產冰塊、安裝空調、加強通風,確保了隧道施工在高溫下順利完成;在達嘎拉、崗木拉山等隧道工程,依靠鑽孔攝像、紅外物探、拍攝“CT”、注漿加固、止水等技術突圍,“攔路虎”被悉數拿下。

面對集成了各類隧道難題的拉林鐵路,《瞭望》新聞週刊記者從中鐵二院瞭解到,設計、建設者們在橋樑、鐵路電氣化等領域取得多項突破:

藏木雅魯藏布江雙線特大橋,是世界上跨度最大、海拔最高的鐵路鋼管混凝土拱橋,在國內首次使用免塗裝耐候鋼;

電力接觸網系統運用絕緣、抗震、抗風專項設計,首次應用“一體式彎管形避雷線肩架”,首次全線採用小截面、輕小型角鋼格構式鋼柱,首次採用適應於高海拔低淨空隧道的“一體式折彎型整體腕臂”;

採用耐低溫、耐大溫差高性能混凝土;運用工廠預製節段拚裝快速施工技術,使用氟碳塗料防護技術;

在高原高寒地區構築綠色生態長廊,採用高原鄉土植物綠化,使用太陽能遠程灌溉控製系統……

特殊“心臟”

拉林鐵路開通,除了雪域高原各族人民歡欣鼓舞,在幾千公裡外湖南省株洲市“中國動力穀”,“高原綠巨人”的研發者也在奔走相告。

株洲中國動力穀擁有先進軌道交通千億產業集群,彙聚了中車株機、中車株所、中車株洲電機等掌握先進列車核心技術的企業。“高原綠巨人”正是由國鐵集團牽頭集合上述企業組成的創新聯合體研製的。

在中車株洲電機廠房內,記者親眼見到了“高原綠巨人”的牽引電機。體積比普通“綠巨人”牽引電機,足足大了一圈。雖然處於靜態展示狀態,但其壯碩的外形,仍能讓人感受到它潛藏的澎湃動力。

在電氣化、運行時速160公里的拉林鐵路,牽引電機是列車的心臟。

這顆心臟需要多強壯?

中車株洲電機技術研發部門負責人劉勇、吳勇等介紹,在目前線路上,要克服2500米的高度差;但設計研發要考慮未來能從成都乃至海拔更低的內地,直接跑上青藏高原。“這就像要求一個人在平原地區能跑馬拉松,到青藏高原上戴著口罩還能跑馬拉松。”

按照國鐵集團提出的技術要求,研發人員為“高原綠巨人”配置了特殊“心臟”:

普通“綠巨人”牽引變壓器功率是7000千伏安,“高原綠巨人”達到9900千伏安;動力相關技術指標性能提高約38%;配備專門防護“鎧甲”,抵禦高原風沙侵襲;低溫耐受力達到-40℃,絕緣性能提高至少一倍……

雪域高原空氣稀薄,空氣密度只有平原地區的60%左右。牽引電機等部件運行中產生大量的熱,要靠更強勁的“風冷”來散熱。湖南聯誠軌道裝備有限公司基礎技術研發部門負責人屈小章介紹,“高原綠巨人”採用智能監測的通風冷卻技術,應用更高轉速和更強功率,攻克了高原稀薄空氣環境下電器散熱難題。

參與“高原綠巨人”關鍵部件研發,戰勝挑戰同時也造就了技術飛躍。有企業介紹,一些技術突破瓶頸後一躍成為國際相關領域的佼佼者,為未來參與國際競爭奠定了堅實基礎。

再造列車“大腦”

為了讓“高原綠巨人”能在電氣化的拉林鐵路和非電氣化的拉日鐵路暢通無阻,國鐵集團提出列車採用“內燃+電力”雙動力牽引模式。

作為中國列車控製等領域的領先者,中車株所承擔了“高原綠巨人”交流傳動、牽引控製項目研製任務。

中車株所副總經理劉海濤說,“油電混合”高原動車屬於世界首創。電力機車、內燃機車兩個動力體系要“互聯互通互控”,某種意義上需要再造一種新概念列車“大腦”和“神經系統”。

完成這個任務,只有7個月時間。

時間緊、任務重,依託新技術手段,精確計算安排工期:

建立數字化仿真系統,在“高原綠巨人”實車的“數字孿生兄弟”身上,開展應用實驗;

運用大數據和先進計算機,讓一些過去人工需要三四個月才能完成的研發工作,在兩週之內做完;

對IGBT等敏感電子部件,採用針對性特殊設計,有效防禦高原強宇宙射線等干擾;

關鍵控製系統運用了高頻交流技術,將工作頻率從通常採用的1K以下提升到了16K以上,實現新系統減重20%,體積縮小24%,效率提升2%;

研發並裝備能源管理系統,將牽引供電和輔助供電整合,能更好實現綠色節能……

透過智慧“大腦”,司機通過傳輸速度“百兆級”的控製網絡、信息網絡,能夠看到“高原綠巨人”的系統運行工況,實時動態掌握風險。在電力、柴油兩個動力系統之間自由切換,司乘人員基本“無感”,平順舒適。

“高原綠巨人”先進控製系統展現了中國的研發實力。在7個月時間里,中車株所直接和間接參與研發的人員多達300多人。很多一線骨幹技術人員的工作任務時間表,精確到了小時甚至分鍾。

渾身上下佈滿黑科技

“高原綠巨人”靚麗的外觀下面,其實是一副很“剛”的身板。

中車株機是“綠巨人”整車生產骨幹企業。公司相關產品研發部門負責人彭新平介紹:

全車部署瀰散式供氧系統,能避免司乘人員因缺氧發生“高反”;車廂有足夠的氣密性,供氧系統、通風系統和空氣淨化系統運轉自如;

列車整體防火安全水平很高,防火系統全方位無死角實現嚴密監控,很多部件和系統還有專門的防火安全設計,要求做到最大限度不起火,即使萬一起火也蔓延不開;

能夠對進入隧道或貼山崖行駛產生的“壓力波”運用調整新風閥門等技術提前控製,抵消對車廂和人耳膜的衝擊;

車窗玻璃對高原強紫外線的過濾能力達到99%。

彭新平說,青藏高原氣候條件複雜,動車需要運用更多突破性“黑科技”:比如應對經常出現的“地滾雷”,“高原綠巨人”需要全身防雷,“地滾雷”不論打到列車什麼位置,都能被輕鬆化解;擁有升級版安全監控和健康診斷系統,能動態跟蹤評估列車和部件的安全和健康狀態。

屈小章說,為“高原綠巨人”研發的很多部件,都著眼於環境適應性。如考慮“油電混合”切換期間停用的動力系統可能在低溫環境下結冰,結冰預警和自動除冰系統低於4℃環境下就開始監測和運行;列車採用更環保的水性油漆塗裝,內飾結構使用新型纖維復合材料減重;碳纖維材質的雙杆雙模式同步雨刮器,讓列車無論遭遇風雪、沙塵或陣性暴雨,都不容易“迷眼”;輪軌潤滑油採用可降解材料,儘量不汙染沿線環境;分佈式和雙模式製氧系統,使高原列車更加舒適……

“高原綠巨人”上線後,很快就成了民眾旅遊和通勤的新寵。從未來發展情況看,眼下的三列車難以滿足市場需求,“加車”勢在必行。據瞭解,將電力牽引和內燃機車整合在一節動力車頭的“高原綠巨人”升級版,已在籌劃之中……

在世界十大高原中,除了南極和格陵蘭冰雪高原,其他八大高原的廣袤土地上,很多地方有發展先進軌道交通的潛在需求。一些專家認為,具有高度複雜性的拉林鐵路建成投運,攻克了一系列高原鐵路建設核心技術難題,不僅為川藏鐵路建設提供了經驗和借鑒,也使中國高原鐵路建設技術水平,達到了一個前所未有的高度。

來源|瞭望

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