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自主or 引进,高铁在合作与博弈中走过十年2018-09-21 来源:装备制造MachineDiscovery 作者: 田甜

  2008年8月1日,京津城际高铁开通,时速350km/h,双城通达仅需29分钟,标志着我国正式迈入高铁时代。

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  至今,我国是世界上高速铁路唯一成网运营的国家,高铁里程占到世界总长的2/3。十年里,我们打造了涵盖列车核心技术、工程基建、列控系统的的完备产业链。

  2008之前,中国的高铁梦已经潜心孕育了三十年。

  1978年,邓小平乘坐日本东海道新干线,这是世界上第一条投入商业运营的高铁线路,最高运营速度200km/h。当时工作人员问小平的感受,他说:“我就感觉到快,有催人跑的意思,我们现在正适合坐这样的车。”

  彼时,中国铁路80%的火车头还是蒸汽机车,全国平均时速40多公里,高铁貌似遥不可及。随着国内经济发展的需求提升,2004年,我国颁布《中长期铁路网规划》,这是一份指导我国铁路建设的纲领性文件,也是高铁发展路线图。《规划》提出,到2020年,全国铁路营业里程达到10万公里,主要繁忙干线实现客货分线,复线率和电化率均达到50%,主要技术装备达到或接近国际先进水平。

  这之后,国务院提出“引进-消化-吸收-再创新”的技术发展道路,通过合作学习国外先进的高铁技术发展自身水平。2004年,北车长客与法国的阿尔斯通达成合作,开启高铁引进吸收之路。2005年,北车唐车与德国西门子以每列原车2.5亿元人民币和技术转让费8000万欧元签订合作协议,一举引进了世界上最先进的高铁技术。之后,青岛四方分别与日本川崎、加拿大庞巴迪开启合作,高铁进入百家争鸣时代。

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  其后,中国高铁技术经历了三个阶段:引进消化吸收时速250km/h动车组技术—自主研发时速350km/h动车组—创新研制380km/h动车组。

  2017年6月26日,“复兴号”开跑京沪线,标志着我国已全面掌握高速铁路核心技术,高速动车组技术实现全面自主化,实现了从追赶到领跑的跨越。

  “复兴号”是中国标准动车组的中文命名,代号为CR,是中国标准体系占主导地位的动车组。与“和谐号(代号为CRH)”以欧标或日标为主的标准体系不同,“复兴号”254项重要指标中中国标准占84%,其功能标准和配套轨道施工标准均高于欧洲和日本,代表目前世界动车组技术的先进标准体系。

  然而,历史深处总是波澜重重。

  在中国高铁不断创造奇迹的同时,类似“中国高铁有没有自己的核心技术”、“中国高铁,事实上,看似一路高歌的十年高铁历程,的确经历过险象环生的时刻。在《规划》之前,我国已经在自主研发设计一些高速铁路项目,成就最高的当属“中华之星”,这是原国家计划委员会2000年安排的重点产业化项目,也是具有完全自主知识产权的高速列车,由十二家企业、科研院所和大学,历时两年共同完成。2002年11月27日,“中华之星”在秦沈客运专线跑出了当时“中国铁路第一速”321.5km/h。

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  图| 中华之星

  然而,面对引进战略的巨大冲击,“中华之星”等自主车型甚至连招标的资格都没有,滑入困厄的境地。国内自主研发的骨干大批流失。中国的高铁产业会不会像汽车产业一样,在“市场换技术”的策略下,丧失自主研发能力的累积和历练,反而将市场拱手让给国外?

  在这生死攸关的关键时刻,2005年初,由科技部办公厅调研室组织完成的《中国高速铁路技术发展路线》陆续刊发,提出发聩之声,“我国在运输装备制造业中最为完整、最有发展潜力的铁路装备制造业将毁在我国的高速铁路建设中。”2008年,科技部和原铁道部签署了《中国高速列车自主创新联合行动计划》,中国高铁建设回归自主研发的主旋律。自此,原来坚持自主研发的团队血脉得以保留,在后来我国高铁技术攻关突破中发挥了重大作用。

  2010年9月30日,南车研发生产的CRH380A投入运营,其核心部件—牵引变流器和网络控制系统均由南车株洲所设计制造。12月4日,CRH380A更是创造了486.1km/h的世界高速铁路最高运营试验速度。2014年11月25日,装载自主设计的牵引电传动系统和网络控制系统的中国北车CRH5A型动车组也进入“5000公里正线试验”的最后阶段。

  无疑,技术引进对中国高铁技术的发展起到了推动作用,但核心技术的消化、吸收和创新,离不开中国扎实的铁路装备制造业基础和自主创新实力。事实也证明,中国高铁核心技术的突破大多在2008年《自主创新联合行动计划》以后,而在引进之风盛行的2004年~2006年,我国高铁技术并没有实质性突破。

  十年下来,我国在高铁技术上的突破是全面的:

  首先,我国在机车总成、车体制造、牵引变流器、牵引变压器、网络控制系统、制动系统、高速转向架等9大核心技术上均实现重大突破。

  2010年1月,中国南车四方股份等单位联合完成的“时速250公里动车组高速转向架及应用”项目荣获国家科学技术进步一等奖,是我国转向架核心技术的重要突破。

  牵引系统上,2014年,株洲所研制的我国首套“永磁高铁”同步牵引系统完成首次轨道运行。今年6月,国内首列装载永磁同步牵引系统的高速动车组完成30万公里的考核,标志着我国成为世界上少数几个掌握高铁永磁牵引系统技术的国家之一。

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  制动系统技术的突破,以北车青岛四方所研制的动车组基础制动装置和制动控制系统于2014年3月通过铁总评审为标志。同年底,该制动装置开始在沪昆高铁、大西高铁等线路上进行空载和模拟载荷运用考核。

  2014年10月22日,中国北车的CRH5型动车组列车网络控制系统通过中国铁路总公司组织的技术评审,获准批量装车,成为国内首个获准批量装车运行的列车网络控制系统。

  我国幅员辽阔,地质和气候条件复杂多样,在高铁工程建造中,我国攻克了松软土、湿陷性黄土、岩溶地质、冻土等一系列世界性难题,开凿了大断面隧道、江河水下隧道、高压富水岩溶隧道四道等高风险隧道,建造大跨度斜拉桥、钢桁拱桥、混凝土连续梁桥等新型结构大跨度特殊桥梁。“四纵四横”网络的建设,为中国积累了全球范围内最为丰富的工程建设经验和技术体系。

  中国高铁铿锵走过十年,下一个十年将会如何惊艳亮相?

  或许,我们可以从以下两则消息中畅想一二:

  今年2月26日,中国高铁控制技术领军人物之一、中国工程院院士丁荣军透露,“我国正在开发400公里时速的变轨距列车、600公里时速的下一代磁浮列车也在进行研究。”

  事实上,在京沪高铁修建之前,就曾经有过“轮轨”和“磁悬浮”两种技术路线的争论。当时因为磁悬浮技术投资风险大、造价较高及不能与既有铁路兼容联网等因素,最终采用了轮轨方案。而随着技术的突破,磁悬浮列车有可能是又一次变革。

  4月23日,中国铁路总公司发布了京张高铁智能列车的设计方案。2022年北京冬奥会期间,京张高铁将应用自动驾驶动车组,可以做到工作状态自感知、运行故障自诊断、导向安全自决策,届时将填补时速300~350km/h的自动驾驶动车组的世界空白。目前,我国已经在珠三角的佛肇和莞惠两条城际铁路上成功应用了时速200km/h的自动驾驶动车组。

  中国高铁十年,坚持自主创新是不竭的发展动力。

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  十年跃迁之基础建设

  铁路基建包括隧道、桥梁、道路的设计施工等,占到高铁投资的40%~60%以上。建设单位主要有中国建筑、中国中铁、中铁二局、中国铁建等。其中,中国铁建承建了60%以上的高铁里程。

  我国高铁建设采用无砟轨道设计,相较于传统的有砟轨道,无砟轨道具有较高的稳定性,使用寿命长,能够减少后期的维护工作。京津城际高铁是我国铺设的第一条无砟轨道。

  无砟轨道对水泥的需求可观。目前高铁建设中提供水泥及水泥助剂的企业主要有奥克股份、新筑股份、东方雨虹、时代新材等。

  我国高铁轨道采用长钢轨焊接工艺,经过多次焊接后铺设的钢轨,没有连接缝隙。轨道投入在铁路投资中占7%~10%,目前,国内钢铁公司中生产钢轨的4家分别是鞍钢股份、包钢股份、攀钢钢钒和武钢股份。

  铺轨建设中还需要高铁紧固件。目前,铁道总公司的扣件招标中,德国福斯罗居第一位,其次是国内企业晋亿实业,占到招标份额的24~25%。

  十年跃迁之车体核心技术

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  制动系统

  制动系统一般包括制动控制系统、风源系统、基础制动以及管路等附件。目前,我国高铁制动系统主要供应商包括德国的克诺尔、青岛四方所、铺镇海泰、华伍股份。

  2014年3月,北车青岛四方所研制的动车组基础制动装置和制动控制系统通过铁总评审,打破了国外的技术垄断。同年底,该制动装置开始在沪昆高铁、大西高铁等线路上进行空载和模拟载荷运用考核。

  浦镇海泰产品目前已覆盖高速动车组时速200km/h、250km/h、300km/h、380km/h等市场。

  高铁刹车片是高铁制动性能的基础配件,刹车片采用粉末冶金闸片。我国市场的80%被德国的克诺尔垄断。2013年开始,国内的天宜上佳获动车组CRCC铁路产品认证书,2014年起业绩开始突飞猛进,是我国实现进口替代的典范。此外,浦然和博深工具也已经获得CRCC认证,具备一定量产能力。

  高铁齿轮箱连接着高铁的轮轴,主要发挥传动作用,还具有协助制动作用。2016年5月重庆凯瑞成功研发出高铁齿轮箱,打破国外技术垄断。

  牵引系统

  牵引传动系统被称为“高铁之心”,是高铁的动力之源。其性能在某种程度上决定了列车的动力品质、能耗和控制特性,也影响着列车的经济性、舒适性与可靠性。

  目前,我国高铁列车的牵引传动系统主要供应商有加拿大的庞巴迪、瑞士的ABB、德国西门子,国内企业有株洲电力机车研究所、永济电机。

  自2010年以来,南车株洲电力机车研究所研制生产的牵引传动系统先后中标京沪、武广、郑西、沪杭等高铁线路,成为国内高铁项目最大的牵引系统供应商。

  IGBT是牵引变流器核心电子电力器件。2013年9月,中车永济电机公司自主研制的高压大功率3300V/50A IGBT及由此芯片封装的大功率1200A/3300V IGBT模块通过专家鉴定,标志着高铁“中国芯”诞生。2015年,我国又突破了更高电压的6500VIGBT芯片。

  列车网络控制系统

  列车控制与信息服务网络系统(TCSN)被称为“高铁之脑”。它控制和监视着车上各种设备,承担着列车所有控制信息和故障信息的传输、处理、存储和显示功能。

  2014年,中国北车CRH5型动车组列车网路控制系统通过铁总评审,成为国内首个获准批量装车运行的列车网络控制系统。2016年,株洲所研发的新一代列车控制与信息服务网络系统在时速350km/h的中国标准动车组上装车试验成功,标志中国自主高铁动车组装载世界“最强大脑”。

  连接器

  高铁动车组各车厢之间的信号(光信号、电力信号和通讯信号)传递主要由连接器完成。动车组连接器体积小,但是需求数量可观,其成本约占一列动车成本的1.5%。

  在国内连接器市场上,国外企业占65%以上的份额,主要厂商有德国哈廷、JAE、安费诺和魏德米勒。国内厂商包括永贵电器和四川华丰。

  转向架

  转向架是动车组的行走装置,具有承载、减振、导向、牵引、制动等重要功能。主要部件包括构架、轮对、轴箱等。

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  图| 轮轴检修

  2010年1月,南车青岛四方机车车辆股份有限公司等单位联合完成的“时速250公里动车组高速转向架及应用”项目获得国家科学技术进步一等奖,标志着我国在转向架上实现突破。

  轮对是高铁动车组中的易耗品和大宗采购品。目前,我国轮对供应商主要有日本住友钢铁集团、德国BVV公司、意大利LUCCHINI公司及国内的青岛四方、马钢股份公司车轮分公司、太原重工、晋西车轴。其中太原重工是国内唯一可以生产铁路车轮、车轴和轮对的企业。晋西车轴是亚洲最大火车车轴制造企业,国内市场占有率30%。

  十年跃迁之配套关键部件和系统

  受电弓滑板

  我国高铁采用25kV的交流电,在沿线部署了架空接触网,接触网末端连接牵引变电站,由牵引变电站提供电能。列车主要通过受电弓与架空接触网相连接,将接触网上的电能取回车内。

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  图| 工人在检查受电弓

  材料选择上,受电弓滑板取材于碳材料。目前我国高铁使用的纯碳滑板主要依赖进口。国内从事受电弓研发生产的公司包括青岛四方法维莱、北京竟和科技(公司产品已经通过中国铁路总公司招标,碳滑板产品已经进入高速动车组市场)、北京万高众业科技、宜兴市溢洋墨根。

  列车运行控制系统

  列车运行控制系统的作用是根据列车在线路上的客观运行条件、实际运行状况等,通过列车车载设备和地面设备,对列车运行实施控制、监督和调整的系统,保证行车安全,提高运输能力。列控系统包括车载设备和地面设备。

  2004年,在借鉴欧洲经验的基础上,结合国情,我国创立了自己的列控基础体系CTCS(Chinese Train Control Systerm)。目前,我国350km/h级别高铁应用的是CTCS-3级列控系统。该系统建立了包括运营需求规范、设备技术规范、系统接口规范、系统测试规范、工程设计规范、施工验收规范、制造工艺标准、运用维护规则、安全评估办法的技术体系。

  中国通号是我国高铁列控系统主要的系统集成商和技术支持。其他涉及到列控系统的企业包括辉煌科技、卧龙电气、佳讯飞鸿、世纪瑞尔、新北洋等。