高寒動(dòng)車組的獨(dú)門絕技

8月15日7時(shí)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(hào)動(dòng)車組緩緩起步，向佳木斯市駛?cè)ァ＿@是復(fù)興號(hào)動(dòng)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(dòng)車組型號(hào)，是復(fù)興號(hào)高寒動(dòng)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(hào)動(dòng)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(dòng)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(yùn)行。

復(fù)興號(hào)高寒動(dòng)車組是復(fù)興號(hào)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(gè)系列，著名的京張高鐵復(fù)興號(hào)智能動(dòng)車組也是其中成員。普通動(dòng)車組列車，最多只能在零下25攝氏度的環(huán)境下運(yùn)行，而“復(fù)興號(hào)”高寒動(dòng)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(yùn)行，成功解決了高寒區(qū)鐵路運(yùn)行這個(gè)世界級(jí)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(duì)于高鐵來說，是個(gè)致命殺手。

當(dāng)一定量的水露與灰塵混合在一起，便會(huì)形成一個(gè)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(hào)至關(guān)重要的“腦神經(jīng)”。

“高鐵與普通鐵路的一個(gè)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(dòng)能。”中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司北京動(dòng)車段朝陽動(dòng)車所副所長張開弦說道，“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(huì)對(duì)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(duì)配電柜的影響，“冰鳳凰”配電柜的骨架上噴涂了一層微米級(jí)陶瓷多孔材料。這種材料由高溫?zé)�制而成，�?nèi)部有許多“蜂窩狀”的孔隙，能夠?qū)⑺�露�?chǔ)存一段時(shí)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(duì)電路造成的不良影響。

抗低溫材料，是高寒動(dòng)車組抗凍的重要法寶。從外部車身到關(guān)鍵部件，高寒動(dòng)車組所使用的材料都經(jīng)過了大量計(jì)算分析和低溫試驗(yàn)驗(yàn)證，滿足了低溫運(yùn)用環(huán)境下強(qiáng)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(huì)發(fā)生的現(xiàn)象。高寒動(dòng)車組的制造方中車長春軌道客車股份有限公司高級(jí)工程師馬凱介紹，高寒動(dòng)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(dòng)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(xiǎn)。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(jì)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(huì)凍住。

馬凱表示，高寒動(dòng)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(jí)抗寒能手。

在冰雪中運(yùn)行，列車電熱裝置產(chǎn)生的熱量會(huì)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(shí)間，我國高鐵動(dòng)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(dòng)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(yùn)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(qiáng)，相關(guān)資料顯示，可以經(jīng)受住零下60攝氏度的低溫考驗(yàn)。

特制開關(guān)、自動(dòng)化防凍結(jié)功能——除冰雪設(shè)計(jì)讓列車瀟灑前行

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

轉(zhuǎn)向架，高鐵平穩(wěn)運(yùn)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(gè)有著四個(gè)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(yùn)行。風(fēng)雪天行車，轉(zhuǎn)向架很容易積雪結(jié)冰。高寒動(dòng)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(jì)，防止進(jìn)雪。

防是一方面，遇到風(fēng)急雪大的時(shí)候，除的手段便派上了用場(chǎng)。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(jì)時(shí)速達(dá)350千米的高寒線路——哈大高鐵建成運(yùn)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(tuán)公司自主研發(fā)了國內(nèi)首個(gè)“HTK—CBX0型高寒高鐵融冰除雪裝置”。哈爾濱動(dòng)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(shí)候會(huì)有200多人同時(shí)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(dòng)車組積冰情況，調(diào)整噴水壓力、溫度、速度，2個(gè)人僅需1小時(shí)就能完成一組動(dòng)車組的除雪作業(yè)。

特制開關(guān)，這是“冰鳳凰”等新型高寒動(dòng)車組的又一抗寒設(shè)計(jì)。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(huì)增加，容易導(dǎo)致正負(fù)極觸點(diǎn)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(xiǎn)的。尤其是高鐵處于高速運(yùn)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(jì)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(jì)在高寒動(dòng)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(jì)，空氣能自由流動(dòng)，冰雪卻進(jìn)不來;車輪具有防滑、防抱死功能，當(dāng)檢測(cè)到車輪轉(zhuǎn)速異常時(shí)，自動(dòng)減小制動(dòng)力、牽引力，并通過撒砂裝置提高摩擦力，避免車輪打滑。針對(duì)動(dòng)車組車門和站臺(tái)補(bǔ)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(dòng)車組還首次批量使用了自動(dòng)化防凍結(jié)功能。中車集團(tuán)相關(guān)設(shè)計(jì)人員表示，在列車停放期間，單車制動(dòng)閘片和制動(dòng)盤每次松開55秒，抱住5秒，各車依次循環(huán)動(dòng)作3小時(shí)。簡單來說，就是一直讓制動(dòng)閘始終處于動(dòng)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(jì)人員還對(duì)閘片和制動(dòng)盤的間隙進(jìn)行了放大設(shè)計(jì)，把摩擦塊之間的間隙放大，防止冰雪進(jìn)入影響剎車。

動(dòng)態(tài)跟蹤、大數(shù)據(jù)分析——完善監(jiān)測(cè)設(shè)施為出行護(hù)航

清晨，哈爾濱高鐵站，首發(fā)動(dòng)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(cè)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(dòng)車組受電弓和接觸網(wǎng)也會(huì)因熱脹冷縮產(chǎn)生零部件松動(dòng)、電壓不穩(wěn)等問題，容易造成斷電停車。檢測(cè)車每天都會(huì)先行試跑，車上安裝有6C檢測(cè)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(dòng)、缺失、破損，再通過系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、綜合診斷等，及時(shí)發(fā)現(xiàn)處理所存在的問題。

高寒動(dòng)車組順利運(yùn)行，離不開強(qiáng)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(yùn)用在了高寒動(dòng)車組的運(yùn)行保障中。

運(yùn)行監(jiān)測(cè)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(shí)別技術(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可動(dòng)態(tài)跟蹤并分析動(dòng)車組運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行數(shù)據(jù)，一旦發(fā)現(xiàn)積雪或結(jié)冰等異常現(xiàn)象，便會(huì)啟動(dòng)融冰除雪分級(jí)處置預(yù)案。除監(jiān)控雪和冰以外，系統(tǒng)還能監(jiān)控動(dòng)車組的部件運(yùn)行情況，提高了檢測(cè)維修效率。

高寒動(dòng)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(dòng)車段朝陽動(dòng)車所隨車機(jī)械師郭曉東表示，各種設(shè)備數(shù)據(jù)每天都會(huì)被及時(shí)采集并上傳至“云端”進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(huì)對(duì)高鐵線路扣件、立螺栓等設(shè)備登記造冊(cè)，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(chǎng)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(cè)算設(shè)備數(shù)值。這些數(shù)據(jù)的積累，不僅對(duì)于列車當(dāng)時(shí)的平穩(wěn)運(yùn)行有著重要作用，也為今后其他高寒動(dòng)車組的運(yùn)行提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

堅(jiān)固的路基是高寒動(dòng)車組運(yùn)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(yàn)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(yùn)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(duì)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(duì)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(dòng)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(qiáng)大的技術(shù)，中國高寒動(dòng)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(shí)速達(dá)到400公里的高寒動(dòng)車組——跨國互聯(lián)互通動(dòng)車組也已研制成功，可在零下50攝氏度的超低溫下高速運(yùn)行，堪稱全球最“抗凍”的高速動(dòng)車組。

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