中国高铁：“三基”突围正当时

　　成绩是喜人的，但我们应该着眼于更远、更高的方向。尽快扭转当前我国“三基”产业发展滞后于主机并被固化在产业链中低端的现状。

　　中国南车研制的CRH380A型高速动车组运行在京沪高铁阳澄湖段。近一段时期，“中国高铁”在国际外交舞台频频亮相，向全世界传达了一个讯号：中国已掌握从高铁的系统设计、技术集成、线路施工到运营管理的成套技术，从部分高铁技术引进国一跃成为成套技术的输出国。然而，中国高铁技术的持续发展依然存在“隐忧”。某些零部件还未完全实现国产化。究其原因，被称为轨道交通装备 “三基”的基础零部件、基础工艺和基础材料的发展步伐“滞后”于整机的迅猛发展。2011年11月，国家工信部印发《机械基础件、基础制造工艺和基础材料产业“十二五”发展规划》。《规划》称，经多年努力，我国“三基”产业已形成能满足主机行业“一般需求”的生产体系，但高端“三基”产品却跟不上主机发展的要求，已成为制约我国重大和高端装备发展的瓶颈，并将具标志性意义的20种机械基础件、15项基础制造工艺与12种基础材料列为发展重点。一场重心下移的“三基”攻坚战在中国制造业悄然打响。已令世界瞩目的我国轨道交通装备行业能否率先“突围”？11月21日，江苏常州。由中国工程院与中国南车联合主办的我国首届轨道交通装备制造“三基”技术创新论坛在此间举行，干勇、刘友梅、王立鼎、饶芳权、钟掘、谭建荣、郭重庆、丁荣军等数位院士悉数到场。“三基产业之所以跟不上主机发展步伐，主要是产业技术基础仍然薄弱，共性技术研究体系缺位，基础型与共性技术研究弱化，新产品、新技术的推广应用困难等所致。”中国南车总裁刘化龙开门见山，直陈要害。以一辆8节编组的CRH380A高速动车组为例，其上的零部件数以万计，加工精度是否一致，工艺水平是否先进，材料寿命是否合格，都直接影响着整机的性能、质量和可靠性。在一个已实现全球化采购的时代，竞争更加激烈。中国工程院副院长干勇引述分析报告指出，与美、德、日等工业发达国家相比，我国制造业总体上的差距不小。要支撑起世界领先的高铁技术和产品，其难度可想而知。尽管如此，轨道交通装备行业仍被各路专家寄予厚望。肯定成绩，正视差距，“固本强基”，率先“突围”，成为与会专家的普遍共识和共同心愿。“三基技术的完善是高铁走出去战略取得成功的基础保障。”前有总理积极推介，后有院士专家团队支持，刘化龙深感责任重大。“我们必须围绕轨道交通高端装备配套需求，以提高机械基础件性能、可靠性和寿命为主攻方向，以先进、绿色制造工艺为开发重点，以发展高品质结构材料和工艺材料为基础，加快“三基”技术创新和产业发展。”每秒70米，国产高速齿轮传动迎大考“齿轮箱里的齿轮以每秒70米的线速度飞速旋转，不允许有任何误差。”在位于常州市戚墅堰区的南车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司（以下简称戚墅堰所）车间里，总经理王文虎指着生产现场自主研制的CRH380A型齿轮箱告诉记者。常州是我国两大齿轮产业聚集区之一。1959年，在这里诞生了戚墅堰所的前身原铁道部戚墅堰铸工工艺研究所，2000年成为中国南车集团旗下专攻机车车辆制造工艺的研发机构，2008年股份制改造，其生产的动车组齿轮传动装置是目前唯一的国有品牌。高速列车齿轮传动装置由齿轮、箱体、轴承及润滑机构等组成，就好比列车的“关节”，把牵引动力传送到车轮上带动列车飞速奔驰。一般而言，线米每秒的齿轮即可称为高速齿轮。当列车时速从200公里提升到380公里时，从动齿轮的线米。如此高的转速，对齿轮本身的性能、齿轮间的啮合、箱体的密封可靠等，都提出了极大挑战。据CRH380A型齿轮传动装置项目组技术负责人王文涛介绍，小齿轮（主动齿轮）最难的是修形精度，大齿轮（从动齿轮）最难的是热处理工艺。此前从CRH1到CRH380，“和谐号”各型高速动车组已装车的齿轮，均从欧洲和日本进口，或仅在我国进行组装。为尽快研制出国产高速齿轮，戚墅堰所诚邀我国著名精密机械专家、大连理工大学王立鼎院士加盟。“能为我国的高铁事业做点事”，王老十分高兴。他多次前往该所，指导齿形设计，并协助开展可靠性分析，提出工艺改进建议。最终，小齿轮的修形精度达到了CRH380A的精度要求。为提高齿轮的抗疲劳强度，戚墅堰所又针对渗碳淬火工艺和渗碳模拟技术展开攻关，将大齿轮的渗碳层深推进到了7毫米，而且采取的是与日本住友等垄断企业不一样的工艺技术。铸造是一门古老的手艺，但对于高速齿轮箱来说，却不啻为一项复杂的系统工程。“像热处理、焊修、清理打磨、磁粉探伤，每道工序都直接影响着铸件质量，必须做到无缝连接。”戚墅堰所铸造技术工程部主任徐贵宝告诉记者。据介绍，齿轮箱的材料有铸铁、铸钢和铸铝三种。戚墅堰所曾先后研制出球墨铸铁、铸钢齿轮箱。为满足高速列车的轻量化要求，近年来该所研发出与欧洲ZLALSi7Mg性能相当的高强韧度材料铸铝101，在此基础上全面掌握了铝合金齿轮箱铸造技术。和日本新干线动车组上的铸钢齿轮箱体相比，重量减轻了65.6%。记者查阅文献发现，高速运转下的齿轮将改变箱体内的空气压力分布，形成局部正压区和负压区，齿轮飞溅出来的润滑油与箱壁剧烈碰撞，在箱体内形成油雾，在高压区极易渗出箱壁，对齿轮箱的密封性能提出了更高要求。上世纪90年代初，时任项目组组长的周平创造性地将“锥面泵油”和“重力回油”的原理引入密封系统的设计中，发明出一种非接触式机械迷宫密封结构，解决了当时发达国家也非常难“啃”的高速齿轮箱润滑密封难题。这之后，密封技术继续改进。21世纪初，戚墅堰所主持国家产业化项目“时速270公里高速动力车动力转向架传动齿轮箱”的研制，研制的齿轮箱顺利通过时速达400千米的高速牵引动力试验，运行平稳、密封可靠，终于实现在380公里列车时速、每秒70米线速度下润滑油的“零”泄漏。据了解，目前包括31种小件、小齿轮、大齿轮、箱体、箱盖在内的齿轮传动装置均已陆续装上CRH380A，接受运行考核。小齿轮已完成运营考核里程超过200万公里，大齿轮也已于今年开始装车。一旦考核通过，将率先实现高速动车组齿轮传动装置的国产化替代。“一代主机，一代零部件。”谈到齿轮传动装置的研发历程，王文虎感慨良多，在被主机配套需求高端化“推着”的压力下，“主机和基础零部件的关系，实际上是你推着我，我推着你，唯有坚持不懈自主创新。”王文虎说。从重载制动机到高速制动闸片“重载、高速列车跑起来容易，停下来难。”谈到制动系统，南车株洲电力机车有限公司（以下简称株机公司）首席专家、技术中心副主任刘豫湘坦言。制动系统控制着列车的减速和停车，通称“火车的刹车”，直接关乎列车的运行安全。在制动系统中，制动机“发出”的制动力，传导到基础制动装置上，完成减速刹车动作。其中，国产制动机和基础制动装置分别由中国南车位于湖南株洲的株机公司和位于常州的戚墅堰所主持研发。1982年，株机公司实现零的突破，研制出DK-1型电空制动机，迄今已装备中国铁路电力机车4000余台。但随着我国铁路重载、高速要求的不断提高，研制制动精度更高、安全性能更强的新一代国产制动机的需求日益迫切。重载制动机的关键技术，长期掌握在德国克诺尔、日本NABTESCO等少数几家跨国公司手中，市场几乎被其垄断。我国第一条电气化重载铁路大秦线年底开行万吨级组合列车至今，采用的仍是克诺尔公司的CCBⅡ制动机。“如果没有掌握这一技术，中国铁路机车车辆的运行安全将永远受制于人。”刘豫湘说。早在2005年10月，由原铁道部立项，他带领团队开始自主研制DK-2型新一代机车制动机。“我们最难攻关，最值钱、国外封锁最厉害的是制动控制软件。”刘豫湘介绍，国内由于计算机网络控制技术起步晚，经验不足，“所有引进的东西，国外都不转让软件，我们依靠不了别人，必须自主研发。”为此，株机公司组建起一套专攻控制软件的班子，从“零”开始，自主研发最核心的制动控制单元及控制程序。经两年艰苦攻关啃下这块“硬骨头”后，2007年，国产新一代DK-2型机车电空制动机诞生，成功打破国外对重载列车高精度制动技术的垄断。同年，在某运煤货运专线制动机顺利通过首台套样机装车考核，随后在该专线万吨级组合列车上正式装车运行。由于实现了数字化与网络化，DK-2型制动机的制动力输出精度更高，可把当今业界最难控制的普通长大编组客车的制动精度，提高到动车组的等级，同时解决了长大重载组合列车制动同步性与一致性的难题。2013年8月，装载该制动机的我国首台大功率交流传动客运电力机车HXD1D（和谐1D型电力机车），顺利通过运行考核，填补了我国在大功率交传快速客运电力机车领域的空白。与制动机难在控制软件不同，基础制动装置则难在新材料的研发和应用。“我国列车基础制动装置的发展，大致经历了三代变迁。”在江苏常州戚墅堰所有着50多年历史的铸造楼办公室里，徐贵宝告诉记者。据介绍，时速160公里以下的基础制动一般采取闸瓦紧压车轮踏面的方式停车即可，俗称闸瓦制动。上世纪90年代中期，铁路系统大提速后，盘形制动方法得到运用，即通过在车轴上安装制动盘，再用制动夹钳使两个闸片紧压制动盘，使列车减速停车。由于高速制动时制动盘会承受很高的热应力，研究人员经研究采用蠕墨铸铁作为制动盘材料，并不断提高材料的纯净度、抗裂纹和冷热疲劳性能，成功研制出满足时速200公里内需求的制动盘，目前市场占有率已在80%以上。2005年，原铁道部引进时速200公里以上高速动车组技术，基础制动装置的研制难度进一步加大。扎了近50年铸造材料和工艺研究“马步”的戚墅堰所，先后“消化吸收”300多份技术文件，仅用一年首先实现了制动夹钳的国产化，并成功运用于CRH2型高速动车组。随后，研究人员瞄准了技术难度更大的制动盘和闸片。当时，国内行业整体仍处于铸铁盘水平，价格约是铸铁盘5倍的铸（锻）钢盘才刚刚起步。这一次，戚墅堰所与中南大学黄伯云院士团队合作，将后者航空制动用炭炭复合材料技术引进到动车组上，承担国家“863”项目“高速列车用制动盘和闸片材料及其制备技术的研究”。2009年，可满足时速300公里要求的高速动车组铸钢制动盘研制成功。同年3月，开始攻关粉末冶金制动闸片材料及制备技术。2010年，锻钢制动盘研制成功，目前即将在CRH6型城际动车组上装车试验。2011年6月，研究人员又盯住最新的陶瓷基复合材料，开始研制更高制动性能的C/C-SiC陶瓷基复合材料制动盘和匹配闸片。据透露，戚墅堰所最新开发出的制动闸片最高已可承受瞬时温度达950℃，可适用于时速350公里以下的高速列车，新型制动盘也正在接受装车运行考核，一旦成功，依赖进口的局面将有望打破。工业“核芯”IGBT如何“弯道超车”IGBT，绝缘栅双极型晶体管，这个工业控制领域的核心电子元器件外界知之甚少，也不属于工信部“三基”产业规划的机械基础件之列，但无论是轨道交通还是电动汽车，乃至智能电网、新能源发电均离不开它。就是这块巴掌大的芯片，曾扼住我国大功率牵引变流技术的“咽喉”达十余年之久。如果说以变流器为中心的牵引系统，是为电力机车提供动力的“心脏”，IGBT则是“心脏”的“核芯”。牵引变流器正是通过IGBT器件，实现电流直转交的变换和控制，使外部输送的高压电得以为列车所用。由于电子工业基础薄弱、技术门槛高等原因，我国大功率IGBT器件一度开发滞后，相关技术长期被ABB、英飞凌、三菱等国外公司控制，轨道交通用IGBT曾一度全部依赖进口。为突破国外长期封锁的局面，在南车株洲电力机车研究所（以下简称株洲所）所长丁荣军院士带领下，我国轨道交通装备行业率先瞄准了这块硬骨头。“生产IGBT器件技术难度高，需攻克芯片、封装、测试、驱动控制等一系列技术和工艺。”株洲所总工程师冯江华告诉记者，“就拿芯片工艺来说吧，IGBT芯片的元胞尺寸小、分辨率要求高，同时数以万计的元胞要性能一致并同步开关控制，要求必须具备很强的工艺控制能力。”7年前，株洲所承担起国家“863”项目“7.5MVA IGBT变流器系统研制”，成功研制出当时国内最大功率等级的变流器，并成功应用。2007年，株洲所率先启动国家“高压IGBT元件研制”项目，并成立中国轨道交通领域的第一家微电子实验室，开发大功率IGBT技术，为后续自主创新奠定了基础。2008年，株洲所跨出国门，收购英国知名半导体公司丹尼克斯公司，在国际业界引起极大震动，使我国成功跻身世界大功率IGBT器件技术一流梯队。有了上述基础，株洲所迅速加快IGBT技术研发。2010年在英国成立功率半导体海外研发中心，联合国内研发机构组建起全球研发团队，专注新一代IGBT芯片技术的开发与应用,终使我国结束了国外长期垄断这一高技术的历史。2012年12月，株洲所自主研制的“轨道交通用3300伏电压等级IGBT芯片”通过了湖南省科技厅组织的科技成果鉴定。专家组一致认为，该芯片代表了轨道交通用高电压等级IGBT器件技术的最高水平，填补了国内在该领域的空白，为我国建立起从芯片研制、模块封装测试到系统应用的完整产业链，突破了最关键的节点。国产列车的“心脏”，终于有了自己的“核芯”。掌握核心技术是第一步，推动产业化运营则更为关键。2009年，中国南车在株洲建立国内第一条小批量大功率IGBT模块封装线，开始生产能满足轨道交通牵引应用要求的大功率IGBT。2011年，中国南车进一步加大大功率IGBT产业化力度，在株洲所启动了我国首条8英寸IGBT芯片生产线项目。“投产后的IGBT模块，陆续在国内200余辆城市轨道车辆、大功率电力机车上实现装车、考核和应用，其表现与同功率等级国外产品处于同等水平。”冯江华说。2013年10月，从株洲所传来最新消息，该所大功率IGBT产销突破6万只。至此，我国不仅完全掌握该技术，而且成功实现产业化，开始大批量国产装车。不仅满足了轨道交通装备对大功率电子元器件的需求，更使我国众多战略性新兴产业发展态势为之一振。为掌握未来竞争中的主动权，如今株洲所又与中科院微电子所强强联合，共同组建新型电力电子器件联合研发中心，开展以碳化硅为基材的新型IGBT技术研发。截至目前，新型碳化硅IGBT的芯片样品和封装模型均已研制成功。下一轮创新之路如何走？“我们已掌握齿轮传动装置、基础制动装置、IGBT等大部分核心零部件关键技术，不过基础材料、制造工艺还未取得实质性突破。”中国南车副总裁王军向记者坦言。此外，“一些零部件在样件试制时往往没问题，但在批量化生产和产业化过程中，产品质量就会发生变化，性能不稳定”。诚然，面对着数十年的整体差距，转变并非一蹴而就。如果材料科学的基础研究成果一天得不到转化，制造行业的工艺水准一天得不到提升，零部件产品的性能质量一天得不到有效控制，“三基”产业就仍将“滞后”于高端装备的发展。唯有进一步深化科技创新体制，共同扭转产业链整体格局。2012年8月10日，就在中国工程院与国资委达成央企技术创新战略合作不到一个月后，中国工程院与中国南车在湖南签署院企合作协议，开启了我国国家工程科技思想库与轨道交通装备领军企业的历史性合作。在这次签署仪式上，时任中国南车董事长的赵小刚公开表示，未来中国本土科技型企业的自主创新模式将发生重大变化，引进消化吸收再创新的模式将退居末位，集成创新将成主流，原始创新的比重将大幅提升。随后，来自国内知名高校、科研院所的院士专家团队陆续加入，与中国南车合力攻坚。在轨道交通装备行业，一个更开放的产学研合作局面正在形成。与此同时，中国南车也加紧了自身的研发体系部署。2013年4月16日，中国南车中央研究院在京成立，王军出任院长。新成立的中央研究院负责联系和管理集团已有的技术专家委员会、技术标准化委员会、焊接技术委员会、无损检测技术委员会及材料与工艺研究中心，加上旗下子公司已建成的4个国家级研发机构、7个国家级企业技术中心、10个省级研发机构和8个省级企业技术中心，一个覆盖全集团的新研发体制初现雏形。“要提升轨道交通装备产业三基水平，需国家、行业、企业的共同努力。”王军在常州“三基”论坛上最后表示。他建议，瞄准“三基”领域共性技术，以企业为主体建设国家级技术创新平台，将轨道交通装备领域具备条件的研究项目列入国家重大科技计划，并考虑优先立项。“不仅装备制造业应率先加强“三基”研究，客户也应对国产装备的试验考核和装车运行提供优先支持，以共同提高轨道交通基础配套产业的国产化率。”结语在高速、重载时代伊始，曾领衔研制国产准高速列车“中华之星”的南车株机专家委员会主任刘友梅院士，现在已将重点瞄准了下一代绿色列车。2012年8月，由刘友梅主持研制的世界首列储能式轻轨样车在株洲下线，这种采用超级电容作为主动力、全程不依赖电网、可实现能量回收和循环利用的新型列车，甫一亮相便引起了世界各国的关注，被认为有望开启轨道交通的绿色时代。目前，该型列车已完成工程化试制和产业化准备，最快将于明年在广州投入商业运营。值得注意的是，超级电容作为储能式列车的核心零部件，一开始就全部依靠我国自主研发。2013年9月，7500法拉的世界最大功率超级电容单体在中国南车实现批量生产，首批超级电容产品交付完成。这再次说明，谁掌握了基础，谁就赢在了起点。