永磁时代, 竞跑者胜

累计1000万次试验,积累150G 数据,许峻峰历时11 年不懈坚持,终于做成了一件大事——永磁同步牵引系统技术被成功攻克并掌握完全自主知识产权,成为中国高铁制胜市场的一大战略利器。

  累计1000万次试验,积累150G 数据,许峻峰历时11 年不懈坚持,终于做成了一件大事——永磁同步牵引系统技术被成功攻克并掌握完全自主知识产权,成为中国高铁制胜市场的一大战略利器。

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  人物档案

  许峻峰

  中车株洲所电气技术与材料工程

  研究院基础与平台研发中心主任

  中车株洲所永磁牵引系统技术带头人之一,

  先后主持“地铁车辆永磁同步牵引系统研究”、

“永磁同步电机牵引传动系统”、“城市轨道交通电气

系统新技术开发及应用”等重大项目

  获授权发明专利20 余件,

重要期刊发表科技论文30 余篇,

  主持完成项目获得中国中车科学技术特等奖、

中国专利优秀奖、第68 届国际专利展金奖、

  湖南省技术发明一等奖,本人荣获

茅以升铁道科学技术奖、茅以升铁道工程师奖…

  博士毕业后,29 岁的许峻峰来到中车株洲所电气技术与材料工程研究院,因博士论文方向与永磁有关,从入院起,便跟着现任中车株洲电力机车研究所有限公司副总经理、总工程师冯江华,埋头于永磁牵引技术研究,一做就是11 年。

  凭借着对技术研究的超高敏锐度,永磁牵引技术的决策者冯江华引领着整个永磁牵引技术的研究方向。“初生牛犊”的许峻峰则被他委任参与永磁牵引技术的攻关,与团队冲锋陷阵。

  “帮助年轻人实现科技创新的梦想,并推动科技进步,是令我最开心的事。”冯江华常说。而在许峻峰的记忆里,这“不怕虎”地一路闯下来,“着实也挺不容易的。”

  老虎吃天,无从下口

  牵引传动系统在业内被称为“列车之心”,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,是技术升级的关键。

  “在中国,永磁牵引技术有着无可比拟的优势。”中车株洲所的研究专家们早已认识到,只要技术研发能和国际比肩,中国最大优势就是拥有丰富的永磁材料稀土资源。

  然而,21 世纪初的“交流传动时代” 里,国内的交流异步牵引系统的应用已经比国外落后近20 年,永磁牵引技术属于前瞻性核心技术,别说没有接触过,就连研究的对象也只是一个概念。

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  “轨道交通领域里,这完全是一项全新的技术,没有所谓的‘引进、消化、吸收、再创新’路径供我们选择,即使知道国外或许有人在研究,却也找不到任何技术上的相关报道,更谈不上交流与合作。”

  事实上,2003 年,行业内对于是否开展永磁牵引技术研究发生过一番争论,鲜有人看好这项看似超前太多的研究项目。“那处于一个‘可做可不做’ 的状态,可以立刻起跑跟国外同台较量,也可以等国外做出成果后再学习借鉴。”

  许峻峰和他的研究团队所进行的,无疑是一场“老虎吃天,无从下口”的战斗。“如同开一辆没有车灯的汽车,在黑灯瞎火的山路上奔跑,方向稍有把握不准,后果不仅仅是跑偏。”他这样比喻。

  永磁牵引的研究过程中有太多的不顺利,很多时候甚至像是走进了死胡同一般被堵在墙角。许峻峰回忆:“2003 年,我在写博士论文时就开始接触永磁技术研究,从毫无目标的开始,到逐步将基本原理理解透彻摸索前行,技术的持续进步源于一步步‘摸着石头过河’,没人可以准确预判出未来某个时间段内‘能做到什么’。”

  非淡泊无以明志,非宁静无以致远。纯理论基础性研究的头几年,许峻峰只有两三个人的研究团队,辅以少量的资金和资源支持,每当其他方向的课题组传来捷报,不管是取得研究的突破性进展,还是成功拿下订单,总似石锤般大力敲击着这些年轻人的神经。

  永磁牵引技术属于较为冷门的专业,尽管院里领导很看重,但新方向不可能成为主流,创造利润才能有回报。在没有好成绩之前,所研无所出在某种程度上就意味着得到的奖金、评级和荣誉都相对少很多,不可避免。比起别人的“热闹”,许峻峰和他的研发团队确实显得有些落寞,“有过迷茫,想过放弃。”

  彷徨期里,许峻峰一边努力调整着自己的情绪,一边想方设法开导伙伴们沉心做事。“这是一支创新的团队,需要交流和学习的机会。逢上国外有相关的论坛,许主任都尽量跟院里争取,带着我们这些刚毕业的孩子一起出去学习新东西。”许峻峰的团队成员说。

  办公室里,一副“板凳要坐十年冷,文章不写半句空”的对联映衬着研究人员攻坚克难的决心和毅力。寂寥灯光下,无畏的年轻人们始终耐心在冷清的环境中坚持了下来,“从来没有人中途离场。”

  努着劲儿往前冲

  2008 年,刚刚从西南交通大学研究生毕业的文宇良成为了许峻峰研究团队的第三人,负责永磁电机控制和系统规划研究。半年后,刘雄也加入了进来。

  两人加入团队时,正赶上许峻峰和另一名电机专家将一台功率仅为5 千瓦的永磁电机开发成功。此后,100 千瓦的永磁驱动系统亦顺利实现了批量装车。这是许峻峰和他的团队在默默研究近五年后第一次尝到了自主创新的甜头。“永磁电机在电动大巴上试验成功时,我们都特别高兴!”文宇良说。

  随后,他们开始把目光瞄准到技术难度更大、更为复杂的地铁领域,甚至是高铁上。

  刘雄记得,沈阳地铁项目中标后,团队除了把好技术关,研制出各种电子设备,还需要负责公关内容。“我们需要其他团队的协助,但别人并没有太多精力帮助我们做系统,很多时候只能自己亲力亲为,沟通并串联好实验过程中所需要的一切环节,反复实验,基本上每天都泡在实验室里。几年时间攻克一个产品,无论身体和心理都很疲劳。”

  试制,试验,讨论;再试制,再试验,再讨论……试验室的灯亮得越来越早,也熄得越来越晚。

  团队成立的第八年,永磁牵引系统在沈阳地铁成功装车,并实现“零故障”载客运行7 万公里的安全记录。他们拼出来一份精彩的答卷。

  然而,他们的科研之路并没有从此一帆风顺起来。2011 年,株洲所受命参与国家“863 计划”之“高速铁路重大关键技术及装备研制重点项目”,承担高速动车组用永磁牵引系统的研发工作。

  从“小功率”转向“大功率”,从“地铁用”转向“高铁用”,许峻峰遇到了极大的挑战,“反反复复弄了半年,大家都快失去信心,甚至一些人想就此放弃。”

  “电机控温是项目进展最大的瓶颈。”许峻峰介绍,为避免水、灰尘、铁屑等腐蚀电机内部永磁体,电机采用全封闭结构,但由于电机功率太大,发热过高,永磁材料在高温、振动和反向强磁场等条件下,可能发生不可恢复性失磁的严重风险。“如果列车在高速运行时失磁,后果不可想象。”

  为了解决控温难题,不少数据仍要依靠原始的笨方法。

  正是株洲的八月天,潮湿、闷热的环境里,整个实验室仿佛一个巨大的蒸笼,最高温度可达40 多摄氏度。 “桑拿房”里,许峻峰和团队伙伴们日夜轮流蹲守,电机温升试验一做就是五六个小时,需要详细记录下每一个细节和数据。

  令刘雄印象深刻的,他们曾经连续连轴转了三天两夜,“通宵后的早上六点,许主任抹了一把脸上的汗,让大家回去睡一会儿,三小时后继续干,直到下一个清晨的到来。”

  没有市场压力,亦缺少明显的进度压力的前提下,当时的刘雄心里,并不大理解许峻峰的“拼命三郎”精神,“生活里他是个很温和的人,可是在技术攻关中,却是个‘不通情理’的急性子。”然而,在许峻峰看来,“懒懒散散地做,几个月不一定有效果。努着劲

  儿往前冲,或许柳暗花明未可知。”技术研究的每一个环节,他也几乎从未缺席。生产一线制模时,许峻峰常常一早跑到工厂,默默地站在工人后面看着,以便及时发现问题并纠正。

  到了周末,许峻峰和每个研发人员都要完成一份当周周报,并于工作日上班时进行分享交流。“不管对与错,许主任都允许我们进行大胆尝试,遇到分歧用科学说话,按照各自思路重新做一遍分析,再比对结果。”,文宇良说到。

  连续两个星期的技术研讨会议,两套解决方案,100 余天不间断的试验和数据对比,许峻峰和他的团队终于研究出最优方案重新装机并提前完成任务。“这次高速动车组在试验轨道上以时速380 公里跑了一整天,没有出任何问题。”文宇良的话语中充满敬佩之情。

  竞跑者必赢得世界仰望

  伴随着大量理论分析、仿真研究、三维虚拟设计以及不下百万次的地面试验而来,11 年坚守与付出后,许峻峰和他日益壮大的研究团队最终换来了成功的喜悦。

  2014 年秋,首辆装有永磁牵引系统高铁在中车青岛四方整车下线,进入考核试验阶段。据许峻峰介绍,“原来一列8 节车厢的列车,需要6 节车厢装备动力;采用永磁同步牵引系统后,则只需要4 节车厢装备动力即可,从而节省2 节车厢的牵引系统成本。”

  许峻峰举例称,虽然目前单个的高铁用永磁电机成本比现在普遍服役的交流异步电机成本略有增加,不过由于永磁电机具有高功率密度的特点,通过降低动拖比可使得安装永磁电机的整列车牵引系统成本反而会降低。高效节能是永磁牵引系统最突出的优势,“利用永磁电机高效率特点,还可提高列车牵引效率,节省大量电能,降低列车的全寿命周期成本。”数据显示,许峻峰团队所研发的690 千瓦永磁同步电机,比目前主流的异步电机功率提高60%,电机损耗降低70%。

  “接到永磁高铁研发项目时,我们的任务是600 千瓦,但实际上我们做到了690 千瓦。”文宇良透露,目前,“永磁高铁”项目的试验车正每日空车往返于成都和重庆之间,已经进入最后30 万公里考核阶段。

  “顺利的话,中国高铁很快就能全面用上永磁牵引系统,不仅更节能,也更稳定,更安全。”株洲所首席设计专家李益丰称。

  尽管永磁牵引系统的研发与产业化应用还处于起步阶段,但一份业内分析报告显示,到2020 年前后,全国将建设约100 条城市轨道交通线路。如果新建线路60% 采用永磁牵引系统,预期的产值将达到100 亿元,全国每年新线运营能耗将节约6 亿元以上。“一般而言,牵引系统能耗约占轨道交通系统总能耗的40% 至50%。但根据我们在长沙地铁1 号线永磁同步牵引系统载客运营时的实测数据,永磁同步牵引系统相比于异步牵引系统可实现节能30%。”许峻峰表示。

  “永磁电机的应用场景有很多,从新能源汽车到轨道交通,再到超高速永磁驱动离心商用空调、风力发电等领域,甚至是军工装备产业。”许峻峰认为,这不仅仅是创造经济效应,“更加关键的,从公司、行业乃至国家层面来看,我国成为了世界上少数几个掌握高铁永磁牵引系统技术的国家之一,这是花钱也买不到的核心技术。”

  “平台太重要了!”在许峻峰看来,中车株洲所给了科研人员安心搞科研的好环境。“正是有了老一辈科学家传承的科学精神,有一起团结搞科研的和谐氛围,才有株洲所今日的崛起,才有永磁同步电机牵引系统技术的成功攻克。”

  同时,让许峻峰感到欣慰的是,“做科研是件枯燥又辛苦的工作,需要良好的悟性和敏锐的‘嗅觉’,更需要耐住性子,忍住寂寞,多年专注于一件事,让株洲所培养了一批能独当一面的优秀科研人才。”

  在许峻峰眼中,发挥工匠精神的前提,应当是交付给科研人员安心沉下来做事的环境,让他们能够专注地去做一件事。


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