挺起交通強國的「動力脊樑」

轉自：中國科學報

2023年6月28日，福建莆田，湄洲灣跨海大橋。

海風帶着咸溼的氣息掠過鋼鐵長龍，陽光在嶄新的鐵軌上跳躍，反射出銀色的光輝。兩列身披流線型銀甲的試驗列車靜駐軌道兩端，空氣彷彿凝固了，只有遠處海浪的低吼預示着即將到來的雷霆萬鈞。

「試驗準備就緒。」

「發車！」

指令如電波般傳遞。瞬間，低沉的嗡鳴聲由弱變強，旋即化為撕裂空氣的咆哮。兩列鋼鐵巨龍如離弦之箭，向着彼此方向加速駛進。

加速、加速，再加速……儀表盤上的數字急劇跳動，視野中的對方列車從一個模糊的光點逐漸變為清晰的車頭輪廓。

「雙向兩列相對交會最高時速891公里！」

這一刻，一項嶄新的世界鐵路交會速度最高紀錄，在海天之間，被中國速度悍然銘刻。

風雷激盪的交會瞬間，澎湃的正是那顆由中國中車一級子公司中車株洲電力機車研究所有限公司（以下簡稱中車株洲所）鑄就的「奔騰之心」——永磁牽引系統。

上世紀80年代，中車株洲所在國內率先開展交流牽引傳動技術研究，歷時7年，聯合主機廠傾力打造中國第一臺交流傳動原型機車；

從2004年開始，參與原鐵道部「引進消化吸收再創新」工程，3年后，助力時速200公里動車組投入運營，中國鐵路邁入「高速時代」；

2010年，「和諧號」380A高速動車組在京滬高鐵跑出當時世界最高速，使中國高鐵實現從跟跑到並跑的新跨越；

2015年，藉助中國標準動車組項目，時速350公里「復興號」高速動車組全面開通，樹立世界鐵路商業運營新標杆；

從直流牽引傳動到異步交流傳動，再到永磁同步牽引；從追趕到並跑，再到領跑——合轍中國鐵路裝備的每一次跨越，中車株洲所潛心打造中國金名片，挺起交通強國的「動力脊樑」。

7月8日至11日，當全球高鐵行業從業者的目光聚焦到剛剛啟幕的第十二屆世界高速鐵路大會之時，中國高鐵奔馳大江南北，重載機車牽引萬噸長龍，城市地鐵推動繪就綠色交通壯闊圖景，這正是中車株洲所這顆強勁「奔騰之心」驅動下的生動寫照。它不僅是中國速度的基石，更以澎湃動力，向世界展示着交通強國的堅實脊樑。

孤光初燃

書寫前瞻者的遠見與拓荒者的堅忍

1959年，湖南株洲。

繁忙的株洲火車站里，大學剛畢業的柯以諾肩挑扁擔，帶着簡單的行李從人羣中走來。夏秋之交的湘東地區依然濕熱難耐，擦去額頭的汗珠，他打聽起單位地址。

此后幾年，陸續有傅志寰、丁愛國、廖勤生、周官森、黃濟榮、李春陽、嚴樹鋼、嚴雲升等新中國第一批電力機車專業大學畢業生，響應國家號召，從五湖四海奔赴株洲，成為我國電力機車領域最早的奠基人。

他們的目的地是原鐵道部1959年6月一紙「部令」成立的中車株洲所。向當地人打聽單位地址被告知「沒聽過」，抵達所里發現缺設備、沒實驗室，連塊門牌都沒有，眼前只有一座老舊簡陋的兩層蘇式員工宿舍樓……

即便與想象中的科研院所大相徑庭，但這羣一心想到祖國和人民最需要的地方發光發熱、建功立業的年輕人，仍堅定地留在了這里。

1959年創建的中車株洲所是當時我國唯一的電力牽引系統研究機構。這不禁讓人疑惑，為什麼要在株洲建這樣一個研究所？

1936年，國民政府就在緊鄰京廣線的株洲田心地區成立蒸汽機車修理廠，在一片稻田上打下株洲軌道交通裝備產業的第一根樁基。1952年，原鐵道部成立株洲機車車輛修理工廠，后又改名為鐵道部株洲機車車輛工廠。

鐵路電氣化是鐵路現代化的重要標誌之一，很多發達國家從20世紀四五十年代就已着手鐵路牽引動力改革。而當時中國的交通運輸業基礎薄弱，尤其是鐵路運輸能力成了新中國經濟建設的發展「瓶頸」。

中車株洲所的使命，就是研製和試驗電力機車，滿足鐵路日益發展的需要，促進電力機車的發展和生產技術不斷提高。

建所后的「第一課」，是對剛下線的第一臺電力機車進行改造。

當時，中國第一臺干線電力機車6Y1型試製成功，但由於基礎薄弱、人才匱乏，加上蘇聯專家突然中斷援建，帶着全部圖紙與技術資料撤離，這讓剛組建的研究隊伍一時陷入困境。

時間進入20世紀80年代，世界高鐵已疾馳在200公里時速的軌道上，我國列車卻大多徘徊於60公里。速度的鴻溝，實則是牽引動力的代差。

要打造中國的高速列車，首先要跑得快，擁有強勁動力。1989年，中車株洲所組織精干研究力量，從「零」開始攻克高速列車所需要的交流傳動技術。

「異步傳動牽引技術是當時國際上高速列車採用的主流技術。彼時歐洲已開始用大功率GTO器件，很少用IGBT器件，我們只能從上上代器件快速晶閘管開始攻關。」中國工程院院士、中國中車首席科學家丁榮軍是當時的年輕骨干，他對那段攻堅歲月記憶猶新。 

「做電壓試驗時，器件經常燒壞，像‘放炮’一樣。一‘放炮’整個實驗室濃煙滾滾，我們就拿着滅火器滅火，瞬間的能量釋放有時甚至會把供電系統頂翻，燒得我后來手都有點發抖。」丁榮軍説，「放炮」最多的一次燒掉24個器件，一個2000多元，這對當時全年營收不到1億元的中車株洲所來説，是一筆不小的「損失」。

當時中車株洲所只有幾百萬元的年利潤，這無疑是「燒錢」。時任所領導卻斬釘截鐵地説：「爲了技術突破，值得燒！」這種對探索近乎偏執的「縱容」，成了中車株洲所包容文化最深沉的底色——它允許跌倒，只為託舉更高的飛翔。

攻堅之路佈滿荊棘。苦戰7年，我國第一臺交流傳動原型電力機車AC4000於1996年誕生，標誌着中國電力機車進入了「交流時代」。相對於國際先進水平，我國落后的時限縮短至不到20年，差距越來越小。

在原鐵道部「十年轉換工程」的引領下，我國電力機車交流傳動技術進入「井噴」時代。中車株洲所和國內主機廠開始了一系列首創性電力機車、動車組的研製，如「中原之星」「中華之星」「奧星」等。特別是2002年11月27日，「中華之星」電動車組在中國第一條鐵路快速客運專線秦沈客運專線創造了當時「中國鐵路第一速」——時速321.5公里。

中國鐵路裝備迎來了「交流傳動」的春天！

破壁提速

引進浪潮中淬鍊中國動力「心」

進入21世紀后，中國鐵路進入新的發展階段。我國經濟的快速發展，呼喚更加高效、速度更快的高速列車誕生。

2004年，我國《中長期鐵路網規劃》正式公佈，開始規劃「四縱四橫」的現代鐵路網絡，並確立了技術引進與消化吸收的策略。同年6月，原鐵道部啟動了時速200公里動車組的國際招標，標誌着高鐵技術正式進入引入階段。

到2005年底，全國鐵路總營業里程達7.5萬公里，比「九五」末增加7000公里、增長10%，是改革開放以來鐵路新增營業里程最多的5年。

鐵路建好了，車從哪兒來？

2006年起，我國陸續引進加拿大龐巴迪公司、日本川崎公司、法國阿爾斯通公司和德國西門子公司的4種高速動車組。

引進后生產的動車組成為我國高鐵不可或缺的組成部分，大大提升旅客服務水平，明顯增加了我國鐵路干線貨運能力，降低了能耗。這也帶動我國機車車輛設計手段、加工工藝和生產組織方式的改進，促進了企業技術改造和設備更新。

然而，國外的一些核心技術始終沒有轉讓給我國。「長此以往，我們只能在國際高鐵技術領域當一個‘跟跑者’，最多是個‘並行者’，不可能引領技術發展。」中國中車首席科學家、中車株洲所總工程師馮江華説，核心技術是買不來、要不來、討不來的，必須自主攻關。

中國的鐵路網絡有着複雜的高鐵運營環境。「引進的一款動車組在蘭州—烏魯木齊運行過程中，速度根本跑不上去，牽引動力還會超温失效，説明它‘水土不服’，技術不完善。」馮江華説。

推進高速列車持續創新，開展核心技術攻關，成了中車株洲所的新使命。

為滿足高寒動車組在長大坡道持續高速運行的需求，馮江華帶領團隊持續攻關，大膽提出新的控制策略，在團隊研製控制器完成驗證的基礎上，實現在功率提升20%的同時温升降低25開爾文，一舉解決了高能效牽引的行業難題。

持續的技術突破，讓中車株洲所贏來創新技術大功率交流機車首次應用。

2008年12月25日，中車株洲所HXD1C機車牽引傳動項目成立，該項目將批量使用其研發的大功率交流傳動系統。時任時代電氣副總裁、技術總監馮江華擔任項目經理，並撂下擲地有聲的一句話：「如果項目不成功，我就引咎辭職。」從設計、採購、製造到售后，他們只有6個月的時間。

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「我們的技術指標和國外同類型機車指標完全一樣，包括功率、重量等，技術要求很高。」馮江華回憶，大家擰成一股繩，幾乎是連軸轉，不斷地整備、處理故障，優化控制技術和軟件，除了吃飯和短暫的休息都在工作，決心用交流傳動領域的拳頭產品來證明自己。

2009年6月，首臺HXD1C型電力機車在株洲落車，同年6月正式下線，機車從設計到竣工用了不到6個月。這是我國研製的機車變流器、網絡控制系統等重要部件在大功率電力機車上首次應用。

牽引和控制是軌道交通車輛的「心臟」和「大腦」，是車輛動力的關鍵來源。

早在20世紀90年代，馮江華就牽頭組建國內第一個高性能異步電機牽引控制技術研究與工程實踐團隊。通過多年攻關，他們確立了異步牽引控制技術模式，陸續攻克了動力實時控制、分佈式系統協同控制等關鍵技術，搭建了軌道交通交流傳動技術平臺和產業化平臺。

中國在2004年引進高速列車技術時，有外方公司負責人曾勸告中方技術人員不要操之過急，先用8年時間掌握時速200公里的技術，再用8年時間掌握時速350公里的技術。

但憑藉中車株洲所等單位自主創新能力的不斷突破，我國在引進消化基礎上再創新——2010年12月，和諧號CRH380A新一代高速動車組最高時速達到486.1公里，刷新了世界鐵路運營試驗最高時速。

「我們不僅打破了國外高鐵巨頭的預言，還跑出了世界鐵路運營試驗最高時速。」馮江華説，數十年的持續探索，讓我國具備自主創新能力，實現從直流到交流、從普速到高速、從普載到重載的跨越，為后續發展奠定了堅實基礎。

國之重器

在復興征途上鐫刻中國標準

隨着創新成果的涌現，我國高鐵發展實現從無到有，迅速成為高鐵大國，但還不是高鐵強國。

「雖然此前已基於不同平臺研發出‘和諧號’車型，但由於標準不統一，不能互聯互通，難以互為備用。從維修角度來説，一個師傅要了解很多不同標準、技術模式的產品才能勝任運營、維修工作，無形中增加運營和維修成本。」馮江華説，當時我國急需完全自主、性能優越的具有中國標準的高速動車組。

2012年，我國正式啟動新一代標準動車組「復興號」的早期研製工作。

「復興號」高速列車的研製面臨前所未有的挑戰，除提高速度、安全性和舒適性等外，要實現完全自主知識產權，構建中國的高速列車標準體系。

如何更高速？擺在研究者面前的第一個問題是採用哪一種動力配置方案。中車株洲所憑藉多年的技術積累「作答」。

「是採用更多的動力配置，還是採用同樣的動力配置、增加每個動力的牽引能力？從穩妥的角度來説，增加幾個動力配置要容易得多。但我們恰恰選擇了一個最困難的技術路線，即增加每一個單元的動力功率而不增加動力配置數量。」馮江華表示。

高速列車的牽引動力從哪里來？其原理是電網送電到列車里，列車將電轉化后驅動電機，電機產生機械的電機轉矩，轉矩最后成為直線的牽引力。這個轉矩其實就是輪子和軌道之間的摩擦產生的。

鋼輪鋼軌都比較硬且光滑，輪子要擦得鋥亮，這是因為鋼輪鋼軌摩擦力小、阻力小了，其自身的能耗就小。但這又是一把「雙刃劍」，摩擦力小，靠摩擦產生的牽引能力也會降低。隨着高速列車的速度越來越快，輪子和軌道之間產生的力會更大，這意味着輪軌容易打滑。

如何解決這個問題？「有時候我們在實驗室模擬試驗效果很好，但到了現場又很不理想，唯有不斷調整、反覆優化。」馮江華介紹，中車株洲所突破傳統思路，攻克了狀態敏鋭感知、輪軌態勢準確識別和動力快速優化調控等技術，最終設計出高實時、高能效的傳動控制系統,解決輪軌打滑等問題，不僅大大提高安全性，更能降低能耗。京滬高鐵實測結果顯示，在350公里時速下「復興號」與「和諧號380」相比，總能耗下降了10%。以京滬高鐵為例，「復興號」往返一趟能省5000多千瓦時的電。

2017年2月25日，G65次列車駛出北京西站，運行於京廣高鐵，標誌着中國自行設計研製的、擁有完全自主知識產權的中國標準動車組樣車正式上線運營；同年6月，該動車組被命名為「復興號」並投入運行；9月，「復興號」動車組在京滬高鐵率先恢復最高350公里時速運營，中國再次成為世界上高鐵商業運營速度最快的國家。

「‘復興號’不僅成為我國非常重要的科技名片，奔馳在祖國廣袤的大地上，也在國際上形成了更加領先的技術平臺，成功‘走出去’，成為雅萬高鐵、中老高鐵等‘一帶一路’沿線重要的標誌性項目，貢獻鐵路發展的中國智慧和中國方案。」馮江華表示。

劍指巔峰

在極限競逐中定義未來

鐵軌之上，風馳電掣。2024年12月29日，北京，CR450動車組樣車發佈。作為中國高鐵的最新力作，CR450動車組以時速400公里的雄姿，不僅標記了中國鐵路發展的新高度，更以其卓越性能和創新技術，向世界展示了中國高速列車技術的硬核實力。

而這場時速革命的背后，馮江華領銜的研發創新團隊發揮了重要作用。他們以數十年砥礪的堅韌與執着，深入研究列車的「心臟」和「大腦」，從為CR450動車組鑄就「強勁心臟」到構建「智慧大腦」，他們將實驗室里的每個假設、圖紙上的每條曲線，淬鍊成中國高鐵挺立世界的科技脊樑。

2021年，我國啟動CR450科技創新工程，提出8個「更」的頂層要求：更高速、更安全、更環保、更節能、更智能、更自主、更可持續、系統更優，並要求在以時速400公里運行時，牽引能耗與CR400時速350公里持平。

這些硬指標，決定了CR450動車組必須擁有一顆更強勁的「心臟」。

永磁同步牽引系統作為軌道交通下一代牽引系統的主流產品，與傳統異步電機牽引系統相比，具有更加小型化、輕量化和節能的突出優勢。

實際上，中車株洲所早在2003年就已開始佈局，並由馮江華牽頭組建國內第一支永磁牽引系統研發團隊，率先探索永磁牽引技術。

彼時，永磁牽引技術屬於前瞻性核心技術，當時在全球尚處於起步階段，完全沒有標杆可尋。團隊成員不但沒有接觸過，就連研究的對象也僅是一個概念。

從「零」開始，挑戰未知。缺乏參考資料，團隊拿着為數不多的資料反覆鑽研；沒有驗證平臺，團隊「白手起家」搭建起永磁試驗平臺。「爲了讓系統更平穩、可靠，我們甚至主動求敗。」馮江華説，團隊經常在做試驗的時候，故意設計一些試驗場景去經歷失敗。

經過近十年的努力攻關，2011年底，永磁同步牽引系統在沈陽地鐵二號線列車成功裝車，實現了國內軌道交通領域的首次應用。裝車應用5個月，列車完成了7000公里系統零故障正線試驗運行。2013年，團隊開發的230千瓦地鐵車輛永磁同步電機成功應用於長沙地鐵，同等安裝空間下相比異步電機，功率提升20%。

然而，「永磁高鐵」纔是馮江華心中的制高點。2021年，儘管團隊前期積澱了豐富的應用經驗，但得知要為CR450裝上永磁「心臟」，團隊成員興奮之余又有些擔憂。

如何破局？立項以來，馮江華帶領團隊持續開展CR450永磁牽引系統故障診斷研究與驗證，探索出永磁電機匝短、相短等極端故障精確診斷與主動安全保護策略，設計了完善的永磁牽引控制邏輯、保護措施、應急處置分層分級策略，確保CR450動車組永磁牽引系統安全可靠。

2023年6月28日，福建湄洲灣跨海大橋上，兩列搭載永磁動力的綜合檢測試驗列車風馳電掣般交會而過，創造了雙向正線交會試驗時速891公里世界紀錄，時速400公里永磁牽引技術再一次得到驗證。

不只是牽引系統。過去幾年里，中車中車株洲所充分發揮其技術優勢和創新能力，還主持了CR450的牽引變流器、傳動控制單元、網絡控制系統等關鍵部件的重要設計研發和試驗任務，有力助推CR450領跑世界。

如今的中車株洲所，擁有近萬名研發人員，包括1名中國工程院院士、300余名博士、5000余名碩士；構建了軌道交通、清潔能源、汽車與工業三大產業集羣；連續三年獲評國務院國資委「雙百企業」標杆企業；2024年營業收入超600億元，利税貢獻超70億元，創造了顯著的經濟社會效益。

今年，CR450動車組樣車將經歷整車試驗驗證和試用的「大考」。馮江華表示，如果説換裝試跑是最后一次「模擬考試」，今年的樣車試跑和試驗考覈將是真正的「高考」。「團隊將全力以赴，做好各項保障備考，爭取拿到最優成績。」

與高鐵同行，與時代共振。「我國對高速列車及其關鍵技術進行了30余年長期探索和創新，我有幸見證中國高鐵自主創新全過程，親歷了我國高速列車核心技術實現從無到有、從追趕到領跑的跨越，貢獻了自己的力量和創新成果。」談及未來，馮江華表示，將帶領團隊朝着「更高速」「更綠色」「更智能」的方向開展持續攻關，助推我國高端製造向更加智能化、安全化的方向發展。