中国高铁：“三基”突围正当时

中国高铁技术先进、安全可靠，其成本具有竞争优势。

国务院总理*

结果是可喜的，但我们应该着眼于更远更高的方向。我们将尽快扭转中国“三基”产业发展滞后于主机、固化于产业链中低端的现状。

——中国工程院副院长干勇

本报记者程哥通讯员邓

中国南车开发的CRH380A高速动车组在京沪高速铁路阳澄湖段运行。

最近，“中国高铁”频繁出现在国际外交舞台上，向世界发出了一个信号，即中国已经掌握了从高铁系统设计、技术集成、线路建设到运营管理的成套技术，已经成为一些高铁技术进口国成套技术的出口国。

然而，对于中国高铁技术的可持续发展，仍存在“隐性担忧”。有些部分尚未完全本地化。其原因是轨道交通设备的基本部件、基本技术和被称为“三基”的基本材料的发展落后于整机的快速发展。

2011年11月，国家工业和信息化部发布了机械基础零部件、基础制造工艺和基础材料产业发展“十二五”规划。根据该计划，经过多年的努力，中国的“三基”产业已经形成了一个能够满足主机产业“一般需求”的生产体系。然而，高端“三基”产品已经跟不上主机发展的要求，成为制约中国大型高端设备发展的瓶颈。它已将20种机械基础零件、15种基本制造工艺和12种基本材料列为发展重点。

重心下移的“三个基地”之战在中国制造业悄然展开。举世瞩目的中国轨道交通装备行业能否率先“突破”？

11月21日，江苏常州。

由中国工程院和中国南车集团联合主办的中国首届轨道交通设备制造“三大基础”技术创新论坛在此举行。、刘、、、饶芳泉、钟珏、谭、郭重渝、等院士出席了论坛。

“三基地”产业跟不上主机发展的主要原因是产业技术基础薄弱，共性技术研究体系缺失，基础和共性技术研究薄弱，新产品和新技术推广应用困难。”中国南方机车公司总裁刘华龙开门见山地说道。

以一台8节CRH380A高速动车组为例，整机的性能、质量和可靠性直接受到其上数万个部件、加工精度是否一致、技术水平是否先进、材料寿命是否合格的影响。在全球采购已经实现的时代，竞争更加激烈。

中国工程院副院长干勇引用分析报告指出，与美、德、日等发达工业国家相比，中国制造业总体差距不小。要支持世界领先的高速铁路技术和产品，难度可想而知。

尽管如此，轨道交通设备行业仍然受到各界专家的期待。肯定成绩，正视差距，“夯实基础，夯实基础”，率先“突破”，已成为与会专家的共识和共同愿望。

“‘三基’技术的完善是高速铁路‘走出去’战略成功的基本保证。“刘华龙对前总理的积极推动和院士及专家团队的支持深表感谢。”必须着眼于轨道交通高端设备的配套要求，以提高机械基础部件的性能、可靠性和使用寿命为主攻方向，以先进绿色制造技术为发展重点，在发展高品质结构材料和工艺材料的基础上，加快“三基”技术创新和产业发展。"

70米/秒，国产高速齿轮传动满足测试

“齿轮箱中的齿轮以每秒70米的速度旋转。不允许有任何错误。总经理王指着位于常州市戚墅堰区戚墅堰机车车辆技术研究所有限公司(以下简称戚墅堰研究所)车间生产现场自主研发的CRH380A齿轮箱。

常州是中国两大齿轮产业集群之一。1959年，戚墅堰研究所的前身——原铁道部戚墅堰铸造技术研究所在这里诞生。2000年成为中国南方机车集团下属的机车车辆制造技术研究开发机构。2008年，它被转变为一个股份系统。其电动车组的齿轮传动装置是目前唯一的国有品牌。

高速列车的齿轮传动装置由齿轮、箱体、轴承和润滑机构组成，就像列车的“关节”，将牵引力传递给车轮，驱动列车快速行驶。一般来说，线速度超过每秒25米的齿轮称为高速齿轮。当火车的速度从每小时200公里增加到每小时380公里时，从动齿轮的线速度将从每秒35米增加到每秒70米。如此高的速度对齿轮本身的性能、齿轮之间的啮合以及箱体的可靠密封提出了巨大的挑战。

CRH380A齿轮传动项目组技术总监王表示，小齿轮(主动齿轮)最难的是变位精度，大齿轮(从动齿轮)最难的是热处理工艺。从CRH1到CRH380，已经装载在“和谐”高速电动车组上的齿轮是从欧洲和日本进口的，或者仅在中国组装。

为了尽快发展国内高速齿轮，戚墅堰学院邀请中国著名精密机械专家、大连理工大学王丽丁院士加入我们的行列。“我可以为中国的高铁产业做点什么，”王老非常高兴。他多次到研究所指导牙齿设计，协助进行可靠性分析，并提出工艺改进建议。最终，小齿轮的修形精度达到了CRH380A的精度要求。

为了提高齿轮的抗疲劳强度，戚墅堰研究所还开展了渗碳淬火技术和渗碳模拟技术的研究，将大齿轮的渗碳层深度提高到7毫米，并采用了与日本住友等垄断企业不同的技术。

铸造是一项古老的工艺，但对于高速齿轮箱来说，它是一项复杂的系统工程。“就像热处理、焊接修复、清洁和抛光、磁粉检测一样，每个过程都直接影响铸件的质量，而且必须‘无缝’连接。”戚墅堰学院铸造技术工程系主任许告诉记者。

据介绍，齿轮箱由铸铁、铸钢和铸铝制成。戚墅堰研究所先后开发了球墨铸铁和铸钢齿轮箱。为了满足高速列车的轻量化要求，近年来，研究所开发了铸铝101，这是一种高强度韧性材料，其性能相当于欧洲ZLALSi7Mg。在此基础上，掌握了铝合金齿轮箱的铸造工艺。与日本新干线电动车组的铸钢齿轮箱相比，重量减轻了65.6%。

记者查阅文献发现，高速运转的齿轮会改变箱体内的气压分布，形成局部正压区和负压区。齿轮溅出的润滑油与箱壁剧烈碰撞，在箱内形成油雾，在高压区容易从箱壁泄漏出来，对齿轮箱的密封性能提出了更高的要求。

20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”原理引入密封系统设计，发明了非接触式机械迷宫密封结构，解决了高速齿轮箱的润滑和密封问题，这在当时的发达国家也是很难“咀嚼”的。

此后，密封技术不断改进。21世纪初，戚墅堰主持开发了国家产业化项目“270 km/h高速动力汽车动力转向架传动齿轮箱”。齿轮箱以400 km/h的速度成功通过了高速牵引功率试验，运行平稳，密封可靠，最终实现了380 km/h和70 m/s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已陆续安装CRH380A进行运行检查。小齿轮已经完成了200多万公里的运行考核里程，大齿轮也在今年开始加载。一旦通过考核，将率先实现高速动车组齿轮传动装置的国产化更换。

"一代大型机，一代组件."谈到齿轮传动装置的研发过程，王对有许多感慨。在主机高端匹配需求的“推动”压力下，“主机与基本部件的关系其实是你推我，我推你，只有坚持不懈的自主创新。”王对说道。

从重型制动器到高速制动器

"重型和高速列车容易行驶，很难停下来。"谈到制动系统，南车株洲电力机车有限公司(以下简称南车株洲电力机车有限公司)首席专家、技术中心副主任刘玉祥坦言。

制动系统控制列车的减速和停止，通常称为“列车制动”，它直接关系到列车运行的安全。在制动系统中，由制动器“发出”的制动力被传递到基本制动装置，以完成减速制动动作。其中国产制动器和基础制动器分别由湖南株洲南车和常州戚墅堰开发。

1982年，诸暨公司实现了零突破，开发了DK-1型电空制动机。到目前为止，它已经为中国铁路装备了4000多辆电力机车。然而，随着我国铁路重载和高速要求的不断提高，开发制动精度更高、安全性能更强的新一代国产制动器的需求日益迫切。

重型制动器的关键技术长期以来一直掌握在德国诺尔(Knohl)和日本纳巴特斯科(NABTESCO)等少数跨国公司手中，市场几乎被它们垄断。自2004年底以来，中国第一条电气化重载铁路大秦线已经运营了1万吨的联合列车。克诺尔公司的CCBⅱⅱ型制动器仍在使用。

“如果不掌握这项技术，中国铁路车辆的安全将永远由他人控制。”刘宇翔说。早在2005年10月，前铁道部就启动了该项目。他带领团队独立开发DK-2新一代机车制动器。

“我们是最难解决的关键问题，最有价值、最被*的是刹车控制软件。”刘玉祥说，由于计算机网络控制技术起步较晚，在中国缺乏经验，“所有进口的东西都不是从国外转让的。我们不能依靠别人，必须独立发展。”

为此，诸暨公司成立了专门的控制软件团队，并从“零”开始独立开发核心制动控制单元和控制程序。经过两年的艰苦研究和啃啃这块“硬骨头”，新一代国产DK-2型机车电空制动机于2007年诞生，成功打破了国外重载列车高精度制动技术的垄断。同年，DK-2型制动器成功通过了第一台样机在运煤专用线的装车考核，并在专用线万吨联合列车上正式装车运行。

DK-2型制动器由于实现了数字化和网络化，具有较高的制动力输出精度，可以将行业中最难控制的普通长大编组客车制动精度提高到多台机组的水平，同时解决长大重载组合列车制动的同步性和一致性问题。

2013年8月，我国首台装有制动器的大功率交流传动客运电力机车HXD1D(和谐1D电力机车)顺利通过运行考核，填补了我国大功率交流传动快速客运电力机车领域的空白。

与制动控制软件不同，基本制动装置很难开发和应用新材料。"中国列车基本制动装置的发展经历了三代变化."许在江苏常州戚墅堰办事处对记者说，常州已有50多年的历史。

据介绍，时速低于160公里的基本制动器可以通过将制动蹄压在车轮踏面上来停止，通常称为制动蹄制动器。在20世纪90年代中期，在铁路系统大大加速之后，采用了盘式制动方法，即通过将制动盘安装在车轴上并用制动钳将两个制动盘紧紧地压在制动盘上来使列车减速和停止。

由于高速制动时制动盘上的热应力较高，研究人员通过研究采用蠕墨铸铁作为制动盘材料，不断提高材料的纯净度、抗裂性和冷热疲劳性能，成功研制出一种时速在200公里以内的制动盘。目前，市场份额超过80%。

2005年，原铁道部引进了时速超过200公里的高速动车组技术，使得基本制动装置的开发更加困难。戚墅堰研究所从事铸造材料和技术研究已近50年，已“消化”了300多份技术文件。仅用了一年时间，它就首次实现了制动钳的国产化，并成功应用于CRH2高速动车组。

后来，研究人员瞄准了技术难度更大的刹车盘和刹车片。当时，整个国内工业仍处于铸铁板的水平，成本大约是铸铁板五倍的铸造(锻造)钢板刚刚起步。此次，戚墅堰学院与中南大学黄博云院士团队合作，将后者的碳碳复合材料航空制动技术引入动车组，承担了国家“863”项目“高速列车制动盘和制动片材料及其制备技术研究”。

2009年，能够满足时速300公里要求的高速动车组铸钢制动盘研制成功。同年3月，开始对粉末冶金刹车片材料及制备技术进行重点研究。2010年，成功开发了锻钢制动盘，并将在CRH6城际电动车组上进行测试。2011年6月，研究人员将重点放在最新的陶瓷基复合材料上，开始开发碳碳碳化硅陶瓷基复合制动盘以及具有更高制动性能的匹配制动盘。

据了解，戚墅堰新开发的刹车片能承受高达950℃的瞬时温度，适用于时速低于350公里的高速列车。新型制动盘也正在进行加载操作测试。一旦成功，依赖进口的局面有望被打破。

工业“核心”IGBT如何“曲线立交桥”

IGBT，绝缘栅双极晶体管，工业控制领域的核心电子元件，外界知之甚少，不属于工业和信息化部“三基地”工业规划的机械基础。然而，它对于轨道交通、电动汽车、智能电网和新能源发电是不可或缺的。十多年来，正是这个手掌大小的芯片紧紧抓住了中国大功率牵引变流器技术的“咽喉”。

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”，那么IGBT就是“心脏”的“核心”。牵引变流器通过IGBT装置实现直流输电的转换和控制，使列车可以使用外部传输的高压。

由于电子工业基础薄弱，技术门槛高，中国大功率IGBT器件的发展一度滞后。相关技术长期被ABB、英飞凌、三菱等外国公司控制，IGBT的轨道交通一度全部进口。

为了突破国外长期*的局面，在南车株洲电力机车研究所(以下简称株洲所)所长丁荣军院士的领导下，中国轨道交通装备行业率先瞄准了这块硬骨头。

“IGBT器件的生产在技术上很困难，需要一系列技术和工艺，如芯片、封装、测试和驱动控制。”株洲研究所总工程师冯江华告诉记者:“以芯片技术为例。IGBT芯片具有小单元尺寸和高分辨率要求。同时，数以万计的电池必须具备强大的过程控制能力，才能实现一致的性能和同步开关控制。”

7年前，株洲承担了国家“863”工程“750万伏安IGBT换流器系统开发”，成功开发了当时全国功率水平最高的换流器并成功应用。2007年，株洲研究所率先启动国家“高压IGBT元器件开发”项目，并在轨道交通领域建立中国首个微电子实验室，开发大功率IGBT技术，为后续自主创新奠定基础。

2008年，株洲走出国门，收购了英国著名的半导体公司丹尼克斯公司，这在国际上引起了巨大的震动，使我国成功跻身世界一流的大功率IGBT器件技术梯队。

在上述基础上，株洲研究所迅速加快了IGBT技术的研发。2010年，英国成立了功率半导体海外研发中心，并与国内研发机构组建了全球研发团队，致力于新一代IGBT芯片技术的开发和应用，最终结束了中国长期以来对这一高科技领域的外国垄断。

2012年12月，株洲研究所自主研发的“3300伏IGBT轨道交通芯片”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高压IGBT器件技术的最高水平，填补了中国在该领域的空白，为中国建立了从芯片开发、模块封装和测试到系统应用的完整产业链，并突破了最关键的节点。国产列车的“心脏”终于有了自己的“核心”。

掌握核心技术是第一步，而促进工业运营更为关键。2009年，南车在株洲建立了第一条小批量大功率IGBT模块包装线，并开始生产能够满足轨道交通牵引应用要求的大功率IGBT。2011年，南车进一步加大大功率IGBT的产业化力度，在株洲启动首个8英寸IGBT芯片生产线项目。

已投产的IGBT模块已在国内200多辆城市轨道车辆和大功率电力机车上加载、测试和应用，其性能与国外同功率等级产品处于同一水平冯江华说道。

2013年10月，最新消息来自株洲，大功率IGBT的生产和销售超过6万台。到目前为止，我国不仅完全掌握了这一技术，而且成功地实现了产业化，开始大量装载国产汽车。它不仅满足了轨道交通设备对大功率电子元器件的需求，也推动了中国许多战略性新兴产业的发展趋势。

为了在未来的竞争中抢占先机，株洲研究所和中国科学院微电子研究所正在联合建立新型电力电子器件研发中心，开展基于碳化硅的IGBT新技术研发。到目前为止，新的碳化硅IGBT芯片样品和封装模型已经成功开发。

下一轮创新是什么？

“我们已经掌握了齿轮传动装置、基本制动装置和IGBT等大多数核心部件的关键技术，但基本材料和制造工艺还没有取得实质性突破。”中国南车集团副总裁王军向记者坦言。此外，“有些零件在样品试制过程中往往没有问题，但在大规模生产和产业化过程中，产品质量会发生变化，性能会不稳定。”

诚然，面对数十年的总体差距，这种转变不是一蹴而就的。如果材料科学的基础研究成果不能转化，制造业的技术标准不能提高，零部件的性能和质量不能得到有效控制，“三基”产业仍将“落后”高端设备的发展。只有进一步深化科技创新体系，才能共同扭转产业链的整体格局。

2012年8月10日，在中国工程院和SASAC达成*企业技术创新战略合作不到一个月后，中国工程院和中国南车集团在湖南签署了两个机构之间的合作协议，开启了中国国家工程科技思想库与领先轨道交通设备企业之间的历史性合作。

在签字仪式上，时任中国南车董事长的赵晓刚公开表示，中国本土科技企业的自主创新模式未来将发生重大变化。引进、消化和再创新模式将退居二线。集成创新将成为主流，原创创新的比重将大大提高。

随后，国内知名大学和研究机构的院士和专家团队纷纷加入，与企业社会责任携手应对。在轨道交通装备行业，一个更加开放的产学研合作格局正在形成。

与此同时，南车也加快了自身研发系统的部署。

2013年4月16日，中国南方机车中心研究院在北京成立，王军任院长。新成立的*研究院负责联系和管理集团现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以及材料和工艺研究中心。此外，其子公司还建立了4个国家研发机构、7个国家企业技术中心、10个省级研发机构和8个省级企业技术中心。覆盖整个集团的新研发体系正在形成。

“提高轨道交通装备行业的‘三基’水平，需要国家、行业和企业的共同努力。”王军在常州“三个基础”论坛结束时说。他建议针对“三基”领域的共性技术，构建以企业为主体的国家技术创新平台，将轨道交通设备领域的合格研究项目纳入国家重大科技计划，并考虑优先项目。“不仅设备制造业应率先加强“三基”研究，客户也应优先支持国内设备的测试和检验以及装车作业，共同提高轨道交通基础设施配套产业的国产化率。”

结论

在高速重载时代开始之际，引领国内准高速列车“中华之星”发展的华南铁路厂机专家委员会主任刘院士院士，现在把目光投向了下一代绿色列车。

2012年8月，在刘的支持下，世界上第一辆储能轻轨原型车在株洲下线。这种新型列车以超级电容器为主要动力，整个过程不依赖电网，可以实现能量回收和循环利用，一经推出就引起了世界各国的关注，被认为将开启轨道交通的绿色时代。目前，该型列车已完成工程试生产和产业化准备，并将于明年初在广州投入商业运营。

值得注意的是，超级电容器作为储能列车的核心部件，从一开始就依赖于中国自主研发。2013年9月，中国南车大规模生产了7500法拉世界上最大的超级电容器单体，并交付了第一批超级电容器产品。

这再次表明，谁掌握了基础，谁就能在起点赢。

中国南方动车组制造车间

《中国科学日报》(2013年12月18日出版，第8版)