集成創(chuàng)新：高速列車雙向動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研制

彭硯淼 鐘春霞

京滬高速鐵路全長1318公里，是世界上一次建成里程最長的高速鐵路，作為國家戰(zhàn)略性重大交通工程和創(chuàng)新工程，代表了中國高速鐵路的最高技術(shù)水平，實(shí)現(xiàn)了持續(xù)高速度、高密度、高安全性運(yùn)行。

在這張“亮麗的名片”背后，面臨著世界長大距離高速鐵路持續(xù)高速運(yùn)行的重大科學(xué)問題，其艱巨性、復(fù)雜性、特殊性史無前例。全體科研人員和建設(shè)者經(jīng)過近20年的科技攻關(guān)與自主創(chuàng)新，建立了我國時(shí)速350公里高速鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，建成了高平順和穩(wěn)定可靠的基礎(chǔ)設(shè)施，大幅提升了重大技術(shù)裝備水平，構(gòu)建了先進(jìn)的建設(shè)管理和安全運(yùn)營保障技術(shù)，形成了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，取得了舉世矚目的成就。

作為京滬高鐵工程主要參與完成單位之一，中國科學(xué)院力學(xué)研究所建立了高速列車氣動(dòng)性能、氣動(dòng)噪聲評(píng)估和優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)；創(chuàng)建了利用壓縮空氣間接驅(qū)動(dòng)列車模型和利用磁渦流阻尼力實(shí)現(xiàn)模型減速的新一代動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)，成功研制了實(shí)驗(yàn)速度高達(dá)500公里/小時(shí)、縮比為1：8、雙向運(yùn)行的大型高速列車動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；提出了CRH380A的頭型方案和CRH380B改進(jìn)方案。

2008年，中國科學(xué)院力學(xué)研究所承擔(dān)了研制高速列車動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)任務(wù)。最初，在機(jī)械設(shè)計(jì)和制造方面經(jīng)驗(yàn)豐富的科研人員按兩個(gè)方向推進(jìn)研究：一是基本借鑒中南大學(xué)和英國伯明翰大學(xué)的動(dòng)滑輪速度倍增技術(shù)，只是加速采用了壓縮空氣代替彈性索拉伸；二是直接采用壓縮空氣管內(nèi)直接發(fā)射技術(shù)。這兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于速度不高（300公里/小時(shí)）和質(zhì)量較?。◣资铮┑牧熊嚹Ｐ捅容^適用。然而，用于加速尺寸、質(zhì)量較大的列車模型時(shí)，會(huì)產(chǎn)生諸多問題：采用壓縮空氣代替彈性索拉伸的動(dòng)滑輪速度倍增技術(shù)，會(huì)出現(xiàn)加速機(jī)構(gòu)附加部件質(zhì)量太大、減速困難、加速不均勻、速度高時(shí)加速繩索纏繞打結(jié)，難以實(shí)現(xiàn)長距離加速等狀況；采用壓縮空氣管內(nèi)直接發(fā)射技術(shù)，驅(qū)動(dòng)氣體對(duì)實(shí)驗(yàn)段有巨大影響。另一方面，加速管口徑太大，壓縮氣體和模型之間的隔離活塞減速異常困難。此外，還要解決列車模型安全減速問題，即能否在短距離內(nèi)將光溜溜的列車模型“毫發(fā)無損”地停下來。

動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研制中遇到的這些難點(diǎn)，是全世界同類實(shí)驗(yàn)裝置都面臨的相同問題。能否將之成功破解，成為了完成任務(wù)的關(guān)鍵點(diǎn)。

這個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)上，“關(guān)鍵先生”山現(xiàn)了。

在整個(gè)課題組面臨巨大難題的狀態(tài)下，原本負(fù)責(zé)平臺(tái)建成后開展實(shí)驗(yàn)測(cè)試、時(shí)任力學(xué)所副研究員的楊乾鎖博士承擔(dān)下了這項(xiàng)在他人看來難以完成的研究任務(wù)。

經(jīng)過對(duì)國內(nèi)外同類裝置結(jié)構(gòu)和工作原理的深入剖析和廣泛調(diào)研，并仔細(xì)研究總結(jié)了前期裝置結(jié)構(gòu)的失敗原因，楊乾鎖博士在開展原理性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和深入調(diào)查國內(nèi)材料和加工市場(chǎng)的基礎(chǔ)上，最終系統(tǒng)地提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一種先進(jìn)、完整的動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)行工作方式。

這種方式是利用壓縮空氣在管內(nèi)加速活塞，活塞通過牽引索將牽引動(dòng)力轉(zhuǎn)移至加速管外的拖車上，拖車再加速列車模型，并在加速末端兩者自行分離。列車模型進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段后，基本維持勻速運(yùn)動(dòng)。如此一來，既避免了列車模型在實(shí)驗(yàn)段受驅(qū)動(dòng)體干擾，也保證了列車模型不受外形限制，只受重量因素的影響。

在列車模型與拖車的減速方面，通過對(duì)實(shí)際設(shè)備的觀測(cè)、調(diào)研，經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)驗(yàn)證和測(cè)試，他提出利用拖車和列車模型鑲嵌永久磁鐵，減速段配以鐵質(zhì)地板，保證列車模型和拖車的安全無損，實(shí)現(xiàn)了可靠的減速，逐步形成并完善了具有自身特色且技術(shù)先進(jìn)的列車模型加速和減速技術(shù)。

在整個(gè)系統(tǒng)的研制過程中，將現(xiàn)有的眾多成熟技術(shù)有機(jī)合理地集成起來，運(yùn)用到同一個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)中，使它們的功能均得以完美呈現(xiàn)。例如：雙活塞結(jié)構(gòu)用于防止?fàn)恳髟谕宪嚋p速停止瞬間回彈導(dǎo)致自身打結(jié)、纏繞；實(shí)驗(yàn)前后的狀態(tài)恢復(fù)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化操作，大大縮短了實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)間，減少了實(shí)驗(yàn)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了實(shí)驗(yàn)效率；實(shí)驗(yàn)的操作、測(cè)試實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離電子化控制，這不僅保證了操作人員的安全，也確保了實(shí)驗(yàn)過程的準(zhǔn)確可控。

在所領(lǐng)導(dǎo)和課題組領(lǐng)導(dǎo)的大力支持下，楊乾鎖博士根據(jù)上述加速和減速原理，基于實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)研制了縮比為1/8的雙向動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并一次試驗(yàn)成功，達(dá)到了預(yù)期運(yùn)行指標(biāo)。經(jīng)過5年多的努力，順利完成了國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“高速列車空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)及評(píng)估技術(shù)”中高速列車重要實(shí)驗(yàn)測(cè)試設(shè)備的研制，為CRH380系列、中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組和高速列車氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行測(cè)試提供了可靠的實(shí)驗(yàn)環(huán)境平臺(tái)。第三屆國際鐵路技術(shù)大會(huì)主席、英國Heriot-Watt大學(xué)教授J.Pombe博士在參觀了高速列車雙向動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)后，對(duì)其實(shí)驗(yàn)性能和運(yùn)行參數(shù)范同給予了高度評(píng)價(jià)，并期待這巨大裝置在末來的高速列車技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)一步取得杰出學(xué)術(shù)成績。在國際學(xué)術(shù)刊物《風(fēng)工程和工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué)雜志》上，楊乾鎖詳細(xì)介紹了該動(dòng)模型裝置中“巨無霸”的工作原理和運(yùn)行參數(shù)，得到了國際審稿專家的高度評(píng)價(jià)，該動(dòng)模型裝置也被認(rèn)為是世界上“最大的動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”，在速度模擬和尺寸模擬兩個(gè)方面，更接近于實(shí)際的列車運(yùn)行狀態(tài)。

國際上，同類裝置比較大型的是英國伯明翰大學(xué)動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和德國宇航中心動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)裝置。前者列車模型的發(fā)射是由彈性繩索拉伸產(chǎn)生動(dòng)力，利用動(dòng)滑輪來使速度倍增，縮比為1/25，最高時(shí)速270公里。而后者（TSG動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)裝置）的發(fā)射過程是管內(nèi)流動(dòng)液體驅(qū)動(dòng)的列車模型，利用模型沖入微小軟質(zhì)顆粒堆，并結(jié)合其它技術(shù)完成減速，縮比尺寸為1/20，最高時(shí)速為360公里。國內(nèi)縮比尺寸比較大的動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)裝置的加速技術(shù)和伯明翰大學(xué)相似，縮比為1/16，實(shí)驗(yàn)列車的模型質(zhì)量受限。而中科院力學(xué)所的高速列車雙向動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總長度264米，列車模型的縮比為1/8，可以分別將260公斤和100公斤重的列車模型加速到400公里和500公里以上的時(shí)速。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已經(jīng)可模擬列車的明線運(yùn)行、明線交會(huì)、隧道通過和隧道運(yùn)行等多種狀態(tài)，可以完成列車模型運(yùn)行參數(shù)的多項(xiàng)測(cè)試。

目前，中國科學(xué)院力學(xué)研究所的高速列車雙向動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其規(guī)模、列車模型縮比、質(zhì)量、速度等參數(shù)均位居世界前列，為我國高速列車相關(guān)生產(chǎn)廠家的新型列車定型、氣動(dòng)外形評(píng)估、列車運(yùn)行安全和復(fù)雜運(yùn)行狀況測(cè)試進(jìn)行了數(shù)十項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，為列車的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和改進(jìn)提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，極大推進(jìn)了我國高速列車研制能力，提高了實(shí)驗(yàn)測(cè)試水平。

現(xiàn)在，高速列車雙向動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)成為中國科學(xué)院懷柔基地和懷柔區(qū)高新開發(fā)區(qū)的重點(diǎn)參觀基地，每年接待來自包括國務(wù)院、科技部、中國科學(xué)院、北京市委和市政府的各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)、國內(nèi)外專家在內(nèi)的參觀者千余人次，得到了國內(nèi)外多個(gè)領(lǐng)域院士、專家的高度評(píng)價(jià)。京滬高鐵工程榮獲2015年度國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)，高速列車雙向動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是獲獎(jiǎng)材料之一。在第二屆中國力學(xué)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)“高速列車空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)及評(píng)估技術(shù)”中，楊乾鎖研究員研制的高速列車雙向動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)也是其主要獲獎(jiǎng)組成部分之一。

歷經(jīng)30多年的研究生涯，楊乾鎖逐漸建立起了自己的一套工作作風(fēng)：當(dāng)問題擺在眼前，勇于接受挑戰(zhàn)，善于將已經(jīng)成熟的原理和技術(shù)運(yùn)用到新的領(lǐng)域，在工作中勇于“跨界”。從點(diǎn)到面，從外行到內(nèi)行，從初學(xué)者到行業(yè)專家，以求最終可以熟練使用該領(lǐng)域知識(shí)，為科學(xué)事業(yè)和國家發(fā)展做出貢獻(xiàn)。建立新概念式的原理創(chuàng)新固然是杰出研究成果的一種，集成創(chuàng)新，把適當(dāng)?shù)募夹g(shù)合理地運(yùn)用到最合適的位置和方面，也是科技創(chuàng)新的核心和難點(diǎn)。

砥礪前行，拼搏不息。隨著我國高速列車工業(yè)和技術(shù)的日益發(fā)展，對(duì)重大設(shè)備的實(shí)驗(yàn)和模擬提出了更高、更新的要求，楊乾鎖研究員正致力于設(shè)計(jì)和研制具有不同實(shí)驗(yàn)?zāi)M功能、不同運(yùn)行參數(shù)的高速列車運(yùn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝備。可期待在不久的將來，具備不同尺寸、更快速度、更強(qiáng)模擬能力、更先進(jìn)的高速列車實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝備成功研制，為速度更快、運(yùn)行更安全的高速列車提供實(shí)驗(yàn)支撐，進(jìn)而為我國高速列車技術(shù)領(lǐng)跑于世界貢獻(xiàn)力量。