集成创新：高速列车双向动模型实验平台的研制

彭砚淼 钟春霞

京沪高速铁路全长1318公里，是世界上一次建成里程最长的高速铁路，作为国家战略性重大交通工程和创新工程，代表了中国高速铁路的最高技术水平，实现了持续高速度、高密度、高安全性运行。

在这张“亮丽的名片”背后，面临着世界长大距离高速铁路持续高速运行的重大科学问题，其艰巨性、复杂性、特殊性史无前例。全体科研人员和建设者经过近20年的科技攻关与自主创新，建立了我国时速350公里高速铁路技术标准体系，建成了高平顺和稳定可靠的基础设施，大幅提升了重大技术装备水平，构建了先进的建设管理和安全运营保障技术，形成了自主知识产权的技术标准，取得了举世瞩目的成就。

作为京沪高铁工程主要参与完成单位之一，中国科学院力学研究所建立了高速列车气动性能、气动噪声评估和优化设计技术；创建了利用压缩空气间接驱动列车模型和利用磁涡流阻尼力实现模型减速的新一代动模型实验平台的关键技术，成功研制了实验速度高达500公里/小时、缩比为1：8、双向运行的大型高速列车动模型实验平台；提出了CRH380A的头型方案和CRH380B改进方案。

2008年，中国科学院力学研究所承担了研制高速列车动模型实验平台任务。最初，在机械设计和制造方面经验丰富的科研人员按两个方向推进研究：一是基本借鉴中南大学和英国伯明翰大学的动滑轮速度倍增技术，只是加速采用了压缩空气代替弹性索拉伸；二是直接采用压缩空气管内直接发射技术。这两种技术的优点是对于速度不高（300公里/小时）和质量较小（几十公斤）的列车模型比较适用。然而，用于加速尺寸、质量较大的列车模型时，会产生诸多问题：采用压缩空气代替弹性索拉伸的动滑轮速度倍增技术，会出现加速机构附加部件质量太大、减速困难、加速不均匀、速度高时加速绳索缠绕打结，难以实现长距离加速等状况；采用压缩空气管内直接发射技术，驱动气体对实验段有巨大影响。另一方面，加速管口径太大，压缩气体和模型之间的隔离活塞减速异常困难。此外，还要解决列车模型安全减速问题，即能否在短距离内将光溜溜的列车模型“毫发无损”地停下来。

动模型实验平台研制中遇到的这些难点，是全世界同类实验装置都面临的相同问题。能否将之成功破解，成为了完成任务的关键点。

这个关键点上，“关键先生”山现了。

在整个课题组面临巨大难题的状态下，原本负责平台建成后开展实验测试、时任力学所副研究员的杨乾锁博士承担下了这项在他人看来难以完成的研究任务。

经过对国内外同类装置结构和工作原理的深入剖析和广泛调研，并仔细研究总结了前期装置结构的失败原因，杨乾锁博士在开展原理性实验验证和深入调查国内材料和加工市场的基础上，最终系统地提出并实验验证了一种先进、完整的动模型实验平台运行工作方式。

这种方式是利用压缩空气在管内加速活塞，活塞通过牵引索将牵引动力转移至加速管外的拖车上，拖车再加速列车模型，并在加速末端两者自行分离。列车模型进入实验段后，基本维持匀速运动。如此一来，既避免了列车模型在实验段受驱动体干扰，也保证了列车模型不受外形限制，只受重量因素的影响。

在列车模型与拖车的减速方面，通过对实际设备的观测、调研，经过严谨的实验验证和测试，他提出利用拖车和列车模型镶嵌永久磁铁，减速段配以铁质地板，保证列车模型和拖车的安全无损，实现了可靠的减速，逐步形成并完善了具有自身特色且技术先进的列车模型加速和减速技术。

在整个系统的研制过程中，将现有的众多成熟技术有机合理地集成起来，运用到同一个系统的各个环节中，使它们的功能均得以完美呈现。例如：双活塞结构用于防止牵引索在拖车减速停止瞬间回弹导致自身打结、缠绕；实验前后的状态恢复实现了机械化操作，大大缩短了实验准备时间，减少了实验人员的劳动强度，提高了实验效率；实验的操作、测试实现了远距离电子化控制，这不仅保证了操作人员的安全，也确保了实验过程的准确可控。

在所领导和课题组领导的大力支持下，杨乾锁博士根据上述加速和减速原理，基于实验测试数据，设计研制了缩比为1/8的双向动模型实验平臺，并一次试验成功，达到了预期运行指标。经过5年多的努力，顺利完成了国家科技支撑计划项目“高速列车空气动力学优化设计及评估技术”中高速列车重要实验测试设备的研制，为CRH380系列、中国标准动车组和高速列车气动优化设计和安全运行测试提供了可靠的实验环境平台。第三届国际铁路技术大会主席、英国Heriot-Watt大学教授J.Pombe博士在参观了高速列车双向动模型实验平台后，对其实验性能和运行参数范同给予了高度评价，并期待这巨大装置在末来的高速列车技术领域进一步取得杰出学术成绩。在国际学术刊物《风工程和工业空气动力学杂志》上，杨乾锁详细介绍了该动模型装置中“巨无霸”的工作原理和运行参数，得到了国际审稿专家的高度评价，该动模型装置也被认为是世界上“最大的动模型实验平台”，在速度模拟和尺寸模拟两个方面，更接近于实际的列车运行状态。

国际上，同类装置比较大型的是英国伯明翰大学动模型实验平台和德国宇航中心动模型实验装置。前者列车模型的发射是由弹性绳索拉伸产生动力，利用动滑轮来使速度倍增，缩比为1/25，最高时速270公里。而后者（TSG动模型实验装置）的发射过程是管内流动液体驱动的列车模型，利用模型冲入微小软质颗粒堆，并结合其它技术完成减速，缩比尺寸为1/20，最高时速为360公里。国内缩比尺寸比较大的动模型实验装置的加速技术和伯明翰大学相似，缩比为1/16，实验列车的模型质量受限。而中科院力学所的高速列车双向动模型实验平台总长度264米，列车模型的缩比为1/8，可以分别将260公斤和100公斤重的列车模型加速到400公里和500公里以上的时速。实验平台已经可模拟列车的明线运行、明线交会、隧道通过和隧道运行等多种状态，可以完成列车模型运行参数的多项测试。

目前，中国科学院力学研究所的高速列车双向动模型实验平台，其规模、列车模型缩比、质量、速度等参数均位居世界前列，为我国高速列车相关生产厂家的新型列车定型、气动外形评估、列车运行安全和复杂运行状况测试进行了数十项实验，为列车的设计、优化和改进提供了实验数据，极大推进了我国高速列车研制能力，提高了实验测试水平。

现在，高速列车双向动模型实验平台成为中国科学院怀柔基地和怀柔区高新开发区的重点参观基地，每年接待来自包括国务院、科技部、中国科学院、北京市委和市政府的各级领导、国内外专家在内的参观者千余人次，得到了国内外多个领域院士、专家的高度评价。京沪高铁工程荣获2015年度国家科技进步奖特等奖，高速列车双向动模型实验平台是获奖材料之一。在第二届中国力学科技进步一等奖“高速列车空气动力学优化设计及评估技术”中，杨乾锁研究员研制的高速列车双向动模型实验平台也是其主要获奖组成部分之一。

历经30多年的研究生涯，杨乾锁逐渐建立起了自己的一套工作作风：当问题摆在眼前，勇于接受挑战，善于将已经成熟的原理和技术运用到新的领域，在工作中勇于“跨界”。从点到面，从外行到内行，从初学者到行业专家，以求最终可以熟练使用该领域知识，为科学事业和国家发展做出贡献。建立新概念式的原理创新固然是杰出研究成果的一种，集成创新，把适当的技术合理地运用到最合适的位置和方面，也是科技创新的核心和难点。

砥砺前行，拼搏不息。随着我国高速列车工业和技术的日益发展，对重大设备的实验和模拟提出了更高、更新的要求，杨乾锁研究员正致力于设计和研制具有不同实验模拟功能、不同运行参数的高速列车运行实验模拟装备。可期待在不久的将来，具备不同尺寸、更快速度、更强模拟能力、更先进的高速列车实验模拟装备成功研制，为速度更快、运行更安全的高速列车提供实验支撑，进而为我国高速列车技术领跑于世界贡献力量。