冯江华指导400km_h高速列车组用永磁牵引系统开发

中国经济周刊 阅读:66013 2020-11-21 08:02:25

《中国经济周刊》记者李永华┏湖南株洲报道

十四五计划建议以科学技术自立为国家战略支持。在围绕高速铁路等高端装备自主控制的重要技术中,株洲一方面进行了比较先进的探索和实践,另一方面确保高速铁路供应链不受影响,符合十四五计划建议指出的方向。11月8日刚获得第13届光华工程科学技术奖的冯江华说:进入轨道交通的智能时代,面向科学技术的最前沿,我们从追赶到并行、领先转变,大胆地去无人区进行研究。例如,以智能列车为代表的一系列创新成果是新的突破,世界上以前没有。

冯江华是中车株洲电力机车研究所有限公司(以下称株洲所)的总工程师。该公司成立于1959年,前身为铁路部株洲电力机车研究所,目前为中国中车股份有限公司一级全资子公司,产业横跨轨道交通、新材料、新能源、电力电子等四个领域,旗下拥有两家上市公司,年收入超过300亿元。

冯江华提到的智轨,全,全名是智能轨道快递系统,2019年12月5日,世界首条智能轨道商业运营线在宜宾开通。

这列虚拟轨道列车长达30米以上,最多可乘坐300人以上,路面上没有实体轨道,但整列车沿虚拟轨道前进,就像路面上开的地铁一样。

中国工程院院士丁荣军认为,智能轨道集成了虚拟轨道生成和轨迹跟踪、永久磁铁驱动等先进技术,是世界首个新型城市交通工具。

株洲自主开发的新列车是进入轨道交通智能时代的集大成作品,其长达10年的原始创新过程可以说是株洲自觉实践科学技术自立战略的生动实践。

冯江华指导400km_h高速列车组用永磁牵引系统开发

自主建立新的轨道交通系统。这是挑战科学技术尖峰的大会战。

目前,城市公共交通系统主要构成地铁、轻轨、轨道电车、巴士、BRT(快速巴士系统)等。

中国城市轨道交通协会数据显示,截至2019年底,共有65个城市轨道交通计划获得认可,建设计划线路总长739。4公里。目前城市轨道建设以地铁为主,多制式合作发展,6736。2公里的建设线路中,地铁占76%。9%其他制式占23%。1%。

地铁和轻轨运力强,但建设成本巨大。高成本给地方政府带来巨大的财政压力,中小城市更加失望。

有轨电车也不便宜,综合建设成本大约在每公里1。5亿~2亿元。同时,有轨电车需要专业的电力系统和轨道配合设计,维护成本高,而且还需要建设专线,限制较多。

冯江华告诉《中国经济周刊》记者,轨道交通是解决城市交通堵塞的重要交通方式,要解决现在的公共交通问题,传统轨道交通设备制度面临着许多难以跨越的障碍。

。 面对中国公共交通快速发展的多样化需求,株洲探索经济、绿色新型公共交通工具,解决中小城市公共交通方式存在的运输能力低、基础设施建设和运营成本高、线路配置不便三个上司难问题,解决中国快速发展城市化的公共交通压力。

结合轨道交通的优势和道路交通的灵活性,2013年5月冯江华和他的科研队正式开发了适合中国道路的无轨列车。

这就像一列开在路面上的地铁,没有轨道,但实际上沿着轨道前进。但是,这当时不是天方夜谭。

冯江华说,这是一个全新的方案,世界从基础理论到重要技术都是空白的。为了实现这一目标,科研团队从最基本的数学算法开始探索,逐步克服面临的各种难题。这可以说是一场挑战无人区的大会战。

原始创新充满了未知的困难,团队想象的智轨列车长达30米以上,要把这么长的列车开到道路上,首先要克服的是长车身的尾巴问题。在中国,道路上行驶的公共汽车长度在18米以下。这是因为考虑到运行的安全性,长时间的车辆在城市运行的话,会发生不受控制的现象,给乘客和行人的生命安全带来很大的危险。

在过去的研究成果中,研究开发团队给列车设计虚拟轨道跟踪系统,用车载传感器识别路面虚拟轨道,通过中央控制单元的命令,调整列车牵引、制动、转向的正确性,正确控制列车在既定的虚拟轨道上行驶。

冯江华介绍说,这是一种灵活的控制技术,就像摇晃柔软的面条一样,面条的所有段落都在同一个轨迹上,很难。

在对比试验中,依靠虚拟轨道跟进技术,在转弯半径15米的弯道上运行时,12米巴士的通道宽度为5。8米,30米长的轨道列车3。83米,而且不需要减速。这意味着公共汽车能驾驶的地方,智能轨道不仅比公共汽车灵活。

加入了许多原创的黑科学技术,2015年底株洲终于完成了车辆整车的制造和轨迹跟踪系统的调整,实现了35米轨迹跟踪列车的直线跟踪误差小于10cm,圆周跟踪误差小于30cm的目标。

虚拟轨道技术只是株洲在这场硬战争中获得的山头。在智轨项目中,中车株洲所研发出国内首款多网融合实时以太坊控制系统,还突破了无轨导向控制、智能驾驶、双源双充高可靠储能系统、低地板全铝车身系统集成等多项核心技术。

中国工程院院士丁荣军指出,智轨综合了轨道电车和公共汽车的特点,可以作为立体交通解决方案的补充,也可以担任地区交通线路的中坚,是理想的交通解决方案。

冯江华表示,当有轨电车运力相同时,智轨只需要简单的道路改造就可以投入使用,整体线路的投资大约是现代有轨电车的1/5,建设10公里线路,成本至少可以节约10亿元以上。

与现代轨道电车相比,不需要铺设轨道,也不需要架设电网,所以智能轨道运行线路从开始计划到开始运行只需要一年时间。

2017年6月2日,智轨首次亮相湖南株洲。2019年,宜宾正式开通了世界上第一条智能轨道线。更多的城市加入了轨道行列。

冯江华表示,目前智能轨道正在进行技术迭代,各种性能都在提高,围绕不同的应用场景,从极冷的哈尔滨到酷热的卡塔尔正在进行测试,表明智能轨道的强适应性。未来,我们将使智能轨道更加智能认知、决策能力不断提高。

我国首条全线采用永磁牵引系统线路-长沙地铁五号线

轨道电车

应用于复兴号的株洲所八大系统产品

永久磁铁牵引技术:另一条十几年的自强之路

原创新的虚拟轨道跟踪技术使轨道看起来非常酷,株洲所在永磁牵引系统的重大突破给从轨道到高速铁路的强烈心脏,也是轨道交通设备智能时代高效化的核心技术。

牵引系统是实现轨道交通车辆能量转换的关键,它决定了车辆的速度和性能,由变流器和马达两大部分组成,其中变流器相当于火车的心脏,马达就像火车的肌肉一样,主要负责产生动力,完成电力转换到机械能,使火车顺利行驶。

冯江华表示,中国交流传动异步牵引系统的研究起步较晚,曾经落后于国外近30年,以中国工程院士丁荣军为代表的三代科研人员成功开发出中国完全自主的交流传动异步牵引系统,该成果使中国成为世界上少数能够独立掌握交流传动技术的国家。

此后,在交流传动异步牵引系统后,永磁牵引以其高效率和高功率密度的天然优势,为轨道交通牵引技术带来了新的革命。

2003年,株洲所率先组建了国内首个永久磁铁牵引系统研发团队,从零开始。

像智轨一样,这是另一条漫长而艰难的自强之路。

冯江华回忆说没有可供参考的资料,研究开发测试用的相关设备也不足,中车株洲只能摸石头过河,很多数据依赖于比较原始的愚蠢方法。例如,马达的升温试验是5、6小时,马达的温度调节数据是人工蹲下来记录的,慢慢积累起来。冯江华说。

难题一一攻克,研发团队成立8年后,即2011年底,株洲所永磁牵引系统在沈阳地铁2号线成功装车,实现了国内轨道交通领域的首次应用,结束了中国铁路没有永磁牵引系统的历史。株洲成为我国唯一掌握自主永磁牵引系统技术的企业。

2011年,株洲被命令参加国家863计划的高铁重要技术和装备开发重点项目,承担高速列车组用永磁牵引系统的开发。

从小功率转变为大功率,从地铁用转变为高速铁路用,对永久磁铁牵引系统的稳定性、可靠性等各方面提出了很大的挑战,专家表示这就像爬上衡山一样,登上珠峰。

两年后,株洲登顶。2013年12月,株洲成功开发了可用于时速350公里高铁的永磁马达。

中国工程院院士刘友梅评价,株洲所自主研发的永磁同步牵引系统电机额定效率高达98%以上,将电机损耗降至原来的三分之一,显著降低高铁牵引能耗,成为我国高速公路。 铁路技术升级的典范。

和谐1型八轴9600千瓦机车在大秦线牵引2万吨重载火车

构建智能交通时代全产业链

从整车到永磁牵引系统,镜头继续深入心脏,变流器中的功率半导体作为牵引系统心中的芯,可以说是轨道交通智能化的基础设备。

IGBT作为大功率半导体设备的最先进一代设备,是功率半导体皇冠上的明珠,也被称为电力电子行业的CPU。如果你不能掌握IGBT技术,你必须实现轨道交通的智能化,可以说是无本之木。目前国内厂家的IGBT产品大多集中在低功率上,涉及高功率IGBT产品的只有株洲所。

在株洲所的展厅,《中国经济周刊》记者看到,8英寸IGBT是直径20厘米左右的圆盘,在肉眼看不见的内部,隐藏着5万个被称为元胞的电子单元,能够在100万分之1秒内迅速转换电流,从而获得牵引整个高速列车组前进的稳定电力。

目前株洲所IGBT生产基地年产12万支,不仅用于轨道交通,还广泛应用于智能电网、航天、电动汽车、新能源装备等领域,销售以每年200%的速度增长。

仅在电动汽车领域,IGBT市场空间巨大。据机构介绍,电动汽车IGBT的采购成本约为450美元,采购金额占电动汽车总成本的8%至10%。

有形智能硬件需要看不见的智能软件,构成完整的智能轨道交通,其中信号系统是重要的之一。

CBTC(基于通信的列车自动控制)信号系统是城市轨道交通的重要核心技术之一,过去在国内市场几乎被海外企业垄断。直到本世纪初,中国也没有成熟的自主城市轨道交通CBTC系统。

如果没有CBTC信号系统,地铁运营只能回到非常原始的状态,跟不上智能时代的步伐。株洲研究院副院长方光华说。

2016年,株洲所在长沙市轨道交通4号线一期工程信号系统项目使用自主开发的CBTC信号系统。2020年10月21日,株洲发表了自主全自动运行系统(FAO),正式进入了全自动时代。

IGBT、永磁驱动系统、轨迹跟踪控制技术、火车控制与通信技术、新一代SiC设备、集成功率组件、高压电力电子变压器、CBTC信号系统等一系列重大创新、株洲近6000人的技术团队构建智能芯片-智能传感-智能控制-智能控制

在中国高速铁路的智能化之旅中,株洲承担了很多尖端技术的研究。出乎意料的是,长达2公里、体重2万吨的重型列车也能像智能轨道一样实现自动驾驶。

株洲所研究院的基础和平台研究开发中心副主任文宇良对《中国经济周刊》记者说:整列车有100多辆车,一起长2公里,1万2千吨,控制它,自动驾驶,世界其他地方没有这样做,我们做得最好。

在大秦运煤专线上,11编组的2万吨重载火车自动驾驶通过各种场景下的试验,单程超过600公里不间断运行。

文宇良表示,长期试验充分验证了自动(智能)驾驶系统能够安全可靠地适应各种铁路运营场所,速度控制精度达到0。5km/h,万吨载重列车的停车精度达到5m以内。

全面应用轨道交通技术优势推动相关行业技术进步

2020年10月11日,在网红城市长沙,载有中车电动5G自动驾驶移动平台的5G智能巴士试运行,实现了无人驾驶、远程介入、自动调度、监视等功能,为车辆运行绘制最佳轨迹

中车电动总经理刘凌说:我们将现有的高速铁路牵引系统、网络系统、控制系统技术应用于新能源汽车领域,形成核心竞争优势。

在新能源汽车行业,中车电动已经进入前五名。现在已经成长到100亿级的时代,新材料风力发电业务基于同样的逻辑,风力发电设备的核心技术也是马达电力驱动、控制系统等株洲所的老本行。

文宇良对《中国经济周刊》记者说,株洲所将高速永久磁铁直接驱动系统用于中央空调,直接垄断了中央空调整个行业的生态,以前基本上是异步交流驱动系统,现在老外也跟着我们走高速永久磁铁直接驱动路线。

在矿卡自动驾驶方面,文宇良表示,与汽车自动驾驶不同,矿山是一个封闭复杂的环境,而且矿卡是一个车队运行,在这方面正好可以发挥株洲所在列车编排的优势。

冯江华表示,株洲轨道交通的一些核心领域,包括牵引传动技术、控制信息系统、一些重要材料和应用等。在十四五期间,我们的科技创新能力将进一步提高。我们还应该利用我们在轨道交通领域积累的技术优势和创新能力,进入新能源、船舶、电动汽车等延伸行业,进行全面应用,促进行业共同成长和进步。

在重要的核心技术上多次实现自主突破,进一步推进从轨道交通到其他行业的技术进步,冯江华认为这是株洲创新模式的探索。

正如《十四五》规划建议指出的科技自立自强要加强基础研究,重视原创新,优化学科布局和研发布局,推进学科交叉融合,完善共性基础技术供应体系,株洲所依托十个国家级创新平台,不断推进产研深度融合,领先创新联合体

记者问株洲作为企业为什么想大量投入花费时间的基础研究时,担任研究院的基础和平台研究开发中心副主任的文宇良说:株洲从来都是这样,大家都习惯了,应该从基础研究开始。

。 据冯江华介绍,株洲研发理念通过基础共同技术的研究,形成了相应的技术和产品平台,在构筑相应的市场产品的组织机构方面,通过专业资源的集合,形成了创新的协同机制,组织了航母式的大规模、系统的研发作战永磁牵引、轨道等是这种研发突破的成果。

在轨道交通智能化的新时代,株洲的研究开发技术是如何定位的?冯江华强调,要保证轨道交通产业健康有序发展,一方面积极培养自己在产业链前端的原始创新能力,端技术探索者,在核心重要产业和装备方面,我们要成为技术领导者,另一方面,完全自主控制的产业和创新生态圈

这是创新无人区的新长征。

(本文发行于《中国经济周刊》2020年第21期)

2020年第21期《中国经济周刊》封面

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