“抗冻”科技守护“中国速度”

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动车组在运行时对外界环境比较“敏感”，一旦温度、风力等不利于高速行驶，列车便会自动降速。这依靠的是在高铁沿线设置的自然灾害及异物监测系统。该系统配有各类传感器，可以利用红外线扫描等判断风速、积雪厚度等。
为期40天的2023年春运已经正式落下帷幕。本次春运期间，我国东北地区先后经历多次寒潮天气，最低气温约零下50摄氏度。
但在这样的极寒环境中，一列列高铁列车仍在飞速驰骋，将旅客安全送达目的地。其中，既有已经安全运行了十个年头的世界首条高寒高铁——哈大高速铁路（以下简称哈大高铁），也有刚投入运行的我国最北端高寒地区复兴号高寒智能动车组。
在多项“抗冻”科技的守护下，“中国速度”正不断拓展着高速铁路的运行疆域。
极寒环境下运行面临三大考验
本月中旬，黑龙江省迎来了降雪天气，最高气温在零摄氏度上下，空气仿佛都要被冻住。如何给需要穿越严寒、满身精密设备的列车“保暖”，成为运行在黑龙江省的复兴号高寒智能动车组面临的重要问题。
中国铁路哈尔滨局集团有限公司车辆部副主任田金刚告诉科技日报记者，动车组在极寒环境下运行主要面临三大难题。
首先是车辆底部的积雪问题。列车在高速行驶过程中，受到低温影响，卷起的飞雪会冻结在车辆底部。车辆底部通常装有设备舱、转向架等。设备舱积雪会导致设备故障、车厢通风换热困难，同时雪水融化后还易造成电气短路。而转向架区域大量积雪结冰，则会导致机械部件卡滞、减振失效、制动盘及闸片异常磨耗等问题，直接影响运行安全。
其次是车体结构低温防冻裂、循环系统防冻堵难题。冷凝水在低温环境下结冰，会使车体枕梁等关键承载部位出现结构破裂，给安全运行带来极大隐患；而车体内部的水循环系统及厕所用水在低温下产生冻堵则会给旅客带来不便，直接影响乘车体验。
最后是列车在低温条件下易出现空转滑行问题。列车在零下40摄氏度启动和运行时，容易出现空转滑行，引起轮对擦伤。
针对上述关键难题，不久前投入运行的复兴号高寒智能动车组均进行了具有针对性的改进设计。
在车辆底部抗积雪方面，复兴号高寒智能动车组采用全新设计的设备舱侧部裙板，设置了“高寒专属”滤网。其内部结构包括菱形滤网、气液滤网、钢丝网、平纹滤网、高密平纹滤网等共计9层结构，在保证实现通风功能的同时，还能够有效防止冰雪从过滤网区域进入设备舱内部。
而为了保证车辆用水正常，防止出现冻堵现象，列车的水箱、污物箱、水管都“穿”上了厚厚的“棉衣”。“棉衣”中间有电伴热线，污物箱底部还增加了电热“暖宝宝”，让水循环系统在天寒地冻时依旧可以正常运行，保证旅客的正常使用。
在更为重要的车辆制动方面，复兴号高寒智能动车组还首次大规模使用自动化防冻结功能。车辆在静止时，每节车厢依次激活防冻结功能，使制动闸片和制动盘每分钟松开55秒、抱住5秒，以确保制动系统安全可靠。
田金刚表示，总体来说，复兴号高寒智能动车组所使用的材料、电气元件以及车体、转向架、供风制动等系统部件均进行了耐低温设计，使动车组具备了更强的抗寒性能，能够承受零下40摄氏度的低温以及冰雪天气等极端恶劣运行条件的考验。
高铁线路也在帮助列车御寒
在高寒地区行车，车辆不仅在工作时要注意“保暖”，“下班”后同样需要精心养护，以确保安全运行。
中国铁路哈尔滨局集团有限公司动车段副段长温元尊向科技日报记者介绍，经过多年实践摸索，公司已经形成了一套应对严寒、冰雪天气的运营安全措施。该公司自主研发的HTK-CBX01型高寒高铁融冰除雪装置，能够通过图像智能识别技术，自动识别转向架积雪结冰状况。在动车组“下班”入库后，即可靶向对重点部位进行低压温水喷扫，快速剥离、融解转向架积雪结冰。
“以往需要16人、耗时4小时才能完成一组动车组列车的融冰除雪作业，如今仅需要2人操作1小时便可完成，极大压缩了动车组除冰作业时间，加快列车周转效率。”温元尊表示。
最新投入运行的复兴号高寒智能动车组则吸取前期各车型的经验，不仅在“抗冻”方面进行了结构性的优化与功能的提升，还大大降低了日常检修维护的技术难度。
例如，复兴号高寒智能动车组新加的“高寒专属”滤网，相比此前车型，其裙板的开关检查操作更加简便，大大减少了工作量。除此之外，由于东北地区雨雪、雾霾天气较多，复兴号高寒智能动车组采用了高压部件集成车顶高压箱方案，能够减少因雨雪等天气造成的高压设备额外维护，进而减少工作量、降低维护成本。
除了列车自身性能的不断加强，高铁线路也在帮助列车“御寒”。
温元尊介绍，动车组在运行时对外界环境比较“敏感”，一旦温度、风力等不利于高速行驶，列车便会自动降速。这依靠的是在高铁沿线设置的自然灾害及异物监测系统。该系统配有各类传感器，可以利用红外线扫描等判断风速、积雪厚度等。
不仅能够协助列车穿越风雪，高铁线路本身也具备强大的“抗寒”能力。
例如，在连续降雪后，钢轨、道岔等被冰雪覆盖，积雪融化后易结冰，将道岔冻结，会造成道岔尖轨尖端与钢轨贴合不密。为此，铁路部门改进了道岔融雪装置，在道岔岔尖位置加装电热融雪板，采用电加热方式和自动感温、自动控制技术，快速融化、烘干积雪，保证道岔转换自如。
攻克多年冻土区施工难题
基础不牢，地动山摇。这句话同样适用于动车“抗寒”，“保暖”工作要从解决冻土问题做起。
“道路路基稳定耐久是实现陆地交通功能的决定因素。”东北林业大学寒区科学与工程研究院教授、院长单炜在接受科技日报记者采访时表示，我国东北地区地处欧亚多年冻土区南缘，面积广阔，从南至北，跨越10个纬度，夏季最高气温达到45摄氏度，冬季极端低温可达零下53摄氏度。除此之外，东北地区地质条件复杂，古老地层分布广泛，受特殊气候条件影响，地表层风化程度高，黏土覆盖范围广，北方森林覆盖为多年冻土发育和赋存提供了良好条件。其中，多年冻土相态变化给交通线路建设带来的挑战异常严峻。
在低温环境下，冻土会随着温度的降低体积发生膨胀，建在冻土之上的路基和钢轨会因冻土膨胀而被顶起。到了夏季，冻土发生融化、体积缩小，动车下的路基、钢轨随之沉降。冻土的反复冻结、融化就会使路基产生不均匀变形，导致钢轨出现波浪起伏、高低不平的现象，造成路堑边坡涎流冰和边坡滑塌等，严重影响线路稳定与行车安全。
“由于动车行车速度快，对路面、轨道平整度要求非常严格，需要完全消除多年冻土相态变化对路基变形的影响，才能保证路基稳定、道路运营安全和工程耐久。”单炜介绍道。
因此，中铁五局集团有限公司哈牡高铁项目部总工程师王志强介绍，在哈牡高速铁路建设过程中，为了克服冻土热胀冷缩难题，建设单位创造性地采用一系列新技术，例如在路基坡脚两侧设置“保温层”，对路基起到保温作用，有效防止了路基冻胀变形。