集成創新：高速列車雙向動模型實驗平臺的研制

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，作為國家戰略性重大交通工程和創新工程，代表了中國高速鐵路的最高技術水平，實現了持續高速度、高密度、高安全性運行。

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高速運行的重大科學問題，其艱巨性、復雜性、特殊性史無前例。全體科研人員和建設者經過近20年的科技攻關與自主創新，建立了我國時速350公里高速鐵路技術標準體系，建成了高平順和穩定可靠的基礎設施，大幅提升了重大技術裝備水平，構建了先進的建設管理和安全運營保障技術，形成了自主知識產權的技術標準，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，中國科學院力學研究所建立了高速列車氣動性能、氣動噪聲評估和優化設計技術；創建了利用壓縮空氣間接驅動列車模型和利用磁渦流阻尼力實現模型減速的新一代動模型實驗平臺的關鍵技術，成功研制了實驗速度高達500公里/小時、縮比為1：8、雙向運行的大型高速列車動模型實驗平臺；提出了CRH380A的頭型方案和CRH380B改進方案。

2008年，中國科學院力學研究所承擔了研制高速列車動模型實驗平臺任務。最初，在機械設計和制造方面經驗豐富的科研人員按兩個方向推進研究：一是基本借鑒中南大學和英國伯明翰大學的動滑輪速度倍增技術，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直接發射技術。這兩種技術的優點是對于速度不高（300公里/小時）和質量較小（幾十公斤）的列車模型比較適用。然而，用于加速尺寸、質量較大的列車模型時，會產生諸多問題：采用壓縮空氣代替彈性索拉伸的動滑輪速度倍增技術，會出現加速機構附加部件質量太大、減速困難、加速不均勻、速度高時加速繩索纏繞打結，難以實現長距離加速等狀況；采用壓縮空氣管內直接發射技術，驅動氣體對實驗段有巨大影響。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，即能否在短距離內將光溜溜的列車模型“毫發無損”地停下來。

動模型實驗平臺研制中遇到的這些難點，是全世界同類實驗裝置都面臨的相同問題。能否將之成功破解，成為了完成任務的關鍵點。

這個關鍵點上，“關鍵先生”山現了。

在整個課題組面臨巨大難題的狀態下，原本負責平臺建成后開展實驗測試、時任力學所副研究員的楊乾鎖博士承擔下了這項在他人看來難以完成的研究任務。

經過對國內外同類裝置結構和工作原理的深入剖析和廣泛調研，并仔細研究總結了前期裝置結構的失敗原因，楊乾鎖博士在開展原理性實驗驗證和深入調查國內材料和加工市場的基礎上，最終系統地提出并實驗驗證了一種先進、完整的動模型實驗平臺運行工作方式。

這種方式是利用壓縮空氣在管內加速活塞，活塞通過牽引索將牽引動力轉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。列車模型進入實驗段后，基本維持勻速運動。如此一來，既避免了列車模型在實驗段受驅動體干擾，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，通過對實際設備的觀測、調研，經過嚴謹的實驗驗證和測試，他提出利用拖車和列車模型鑲嵌永久磁鐵，減速段配以鐵質地板，保證列車模型和拖車的安全無損，實現了可靠的減速，逐步形成并完善了具有自身特色且技術先進的列車模型加速和減速技術。

在整個系統的研制過程中，將現有的眾多成熟技術有機合理地集成起來，運用到同一個系統的各個環節中，使它們的功能均得以完美呈現。例如：雙活塞結構用于防止牽引索在拖車減速停止瞬間回彈導致自身打結、纏繞；實驗前后的狀態恢復實現了機械化操作，大大縮短了實驗準備時間，減少了實驗人員的勞動強度，提高了實驗效率；實驗的操作、測試實現了遠距離電子化控制，這不僅保證了操作人員的安全，也確保了實驗過程的準確可控。

在所領導和課題組領導的大力支持下，楊乾鎖博士根據上述加速和減速原理，基于實驗測試數據，設計研制了縮比為1/8的雙向動模型實驗平臺，并一次試驗成功，達到了預期運行指標。經過5年多的努力，順利完成了國家科技支撐計劃項目“高速列車空氣動力學優化設計及評估技術”中高速列車重要實驗測試設備的研制，為CRH380系列、中國標準動車組和高速列車氣動優化設計和安全運行測試提供了可靠的實驗環境平臺。第三屆國際鐵路技術大會主席、英國Heriot-Watt大學教授J.Pombe博士在參觀了高速列車雙向動模型實驗平臺后，對其實驗性能和運行參數范同給予了高度評價，并期待這巨大裝置在末來的高速列車技術領域進一步取得杰出學術成績。在國際學術刊物《風工程和工業空氣動力學雜志》上，楊乾鎖詳細介紹了該動模型裝置中“巨無霸”的工作原理和運行參數，得到了國際審稿專家的高度評價，該動模型裝置也被認為是世界上“最大的動模型實驗平臺”，在速度模擬和尺寸模擬兩個方面，更接近于實際的列車運行狀態。

國際上，同類裝置比較大型的是英國伯明翰大學動模型實驗平臺和德國宇航中心動模型實驗裝置。前者列車模型的發射是由彈性繩索拉伸產生動力，利用動滑輪來使速度倍增，縮比為1/25，最高時速270公里。而后者（TSG動模型實驗裝置）的發射過程是管內流動液體驅動的列車模型，利用模型沖入微小軟質顆粒堆，并結合其它技術完成減速，縮比尺寸為1/20，最高時速為360公里。國內縮比尺寸比較大的動模型實驗裝置的加速技術和伯明翰大學相似，縮比為1/16，實驗列車的模型質量受限。而中科院力學所的高速列車雙向動模型實驗平臺總長度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公里以上的時速。實驗平臺已經可模擬列車的明線運行、明線交會、隧道通過和隧道運行等多種狀態，可以完成列車模型運行參數的多項測試。

目前，中國科學院力學研究所的高速列車雙向動模型實驗平臺，其規模、列車模型縮比、質量、速度等參數均位居世界前列，為我國高速列車相關生產廠家的新型列車定型、氣動外形評估、列車運行安全和復雜運行狀況測試進行了數十項實驗，為列車的設計、優化和改進提供了實驗數據，極大推進了我國高速列車研制能力，提高了實驗測試水平。

現在，高速列車雙向動模型實驗平臺成為中國科學院懷柔基地和懷柔區高新開發區的重點參觀基地，每年接待來自包括國務院、科技部、中國科學院、北京市委和市政府的各級領導、國內外專家在內的參觀者千余人次，得到了國內外多個領域院士、專家的高度評價。京滬高鐵工程榮獲2015年度國家科技進步獎特等獎，高速列車雙向動模型實驗平臺是獲獎材料之一。在第二屆中國力學科技進步一等獎“高速列車空氣動力學優化設計及評估技術”中，楊乾鎖研究員研制的高速列車雙向動模型實驗平臺也是其主要獲獎組成部分之一。

歷經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：當問題擺在眼前，勇于接受挑戰，善于將已經成熟的原理和技術運用到新的領域，在工作中勇于“跨界”。從點到面，從外行到內行，從初學者到行業專家，以求最終可以熟練使用該領域知識，為科學事業和國家發展做出貢獻。建立新概念式的原理創新固然是杰出研究成果的一種，集成創新，把適當的技術合理地運用到最合適的位置和方面，也是科技創新的核心和難點。

砥礪前行，拼搏不息。隨著我國高速列車工業和技術的日益發展，對重大設備的實驗和模擬提出了更高、更新的要求，楊乾鎖研究員正致力于設計和研制具有不同實驗模擬功能、不同運行參數的高速列車運行實驗模擬裝備。可期待在不久的將來，具備不同尺寸、更快速度、更強模擬能力、更先進的高速列車實驗模擬裝備成功研制，為速度更快、運行更安全的高速列車提供實驗支撐，進而為我國高速列車技術領跑于世界貢獻力量。