中國高鐵技術先進，安全可靠，成本具有競爭優勢。

                                    ——國務院總理 李克強

成績是喜人的，但我們應該著眼于更遠、更高的方向。盡快扭轉當前我國“三基”產業發展滯后于主機并被固化在產業鏈中低端的現狀。

                                    ——中國工程院副院長 干勇

近一段時期，“中國高鐵”在國際外交舞臺頻頻亮相，向全世界傳達了一個訊號：中國已掌握從高鐵的系統設計、技術集成、線路施工到運營管理的成套技術，從部分高鐵技術引進國一躍成為成套技術的輸出國。

然而，中國高鐵技術的持續發展依然存在“隱憂”。某些零部件還未完全實現國產化。究其原因，被稱為軌道交通裝備 “三基”的基礎零部件、基礎工藝和基礎材料的發展步伐“滯后”于整機的迅猛發展。

2011年11月，國家工信部印發《機械基礎件、基礎制造工藝和基礎材料產業“十二五”發展規劃》。《規劃》稱，經多年努力，我國“三基”產業已形成能滿足主機行業“一般需求”的生產體系，但高端“三基”產品卻跟不上主機發展的要求，已成為制約我國重大和高端裝備發展的瓶頸，并將具標志性意義的20種機械基礎件、15項基礎制造工藝與12種基礎材料列為發展重點。

一場重心下移的“三基”攻堅戰在中國制造業悄然打響。已令世界矚目的我國軌道交通裝備行業能否率先“突圍”？

11月21日，江蘇常州。

由中國工程院與中國南車聯合主辦的我國首屆軌道交通裝備制造“三基”技術創新論壇在此間舉行，干勇、劉友梅、王立鼎、饒芳權、鐘掘、譚建榮、郭重慶、丁榮軍等數位院士悉數到場。

“‘三基’產業之所以跟不上主機發展步伐，主要是產業技術基礎仍然薄弱，共性技術研究體系缺位，基礎型與共性技術研究弱化，新產品、新技術的推廣應用困難等所致。”中國南車總裁劉化龍開門見山，直陳要害。

以一輛8節編組的CRH380A高速動車組為例，其上的零部件數以萬計，加工精度是否一致，工藝水平是否先進，材料壽命是否合格，都直接影響著整機的性能、質量和可靠性。在一個已實現全球化采購的時代，競爭更加激烈。

中國工程院副院長干勇引述分析報告指出，與美、德、日等工業發達國家相比，我國制造業總體上的差距不小。要支撐起世界領先的高鐵技術和產品，其難度可想而知。

盡管如此，軌道交通裝備行業仍被各路專家寄予厚望。肯定成績，正視差距，“固本強基”，率先“突圍”，成為與會專家的普遍共識和共同心愿。

“‘三基’技術的完善是高鐵‘走出去’戰略取得成功的基礎保障。”前有總理積極推介，后有院士專家團隊支持，劉化龍深感責任重大。“我們必須圍繞軌道交通高端裝備配套需求，以提高機械基礎件性能、可靠性和壽命為主攻方向，以先進、綠色制造工藝為開發重點，以發展高品質結構材料和工藝材料為基礎，加快“三基”技術創新和產業發展。”

每秒70米，國產高速齒輪傳動迎大考

“齒輪箱里的齒輪以每秒70米的線速度飛速旋轉，不允許有任何誤差。”在位于常州市戚墅堰區的南車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司（以下簡稱戚墅堰所）車間里，總經理王文虎指著生產現場自主研制的CRH380A型齒輪箱告訴記者。

常州是我國兩大齒輪產業聚集區之一。1959年，在這里誕生了戚墅堰所的前身——原鐵道部戚墅堰鑄工工藝研究所，2000年成為中國南車集團旗下專攻機車車輛制造工藝的研發機構，2008年股份制改造，其生產的動車組齒輪傳動裝置是目前唯一的國有品牌。

高速列車齒輪傳動裝置由齒輪、箱體、軸承及潤滑機構等組成，就好比列車的“關節”，把牽引動力傳送到車輪上帶動列車飛速奔馳。一般而言，線速度超過25米每秒的齒輪即可稱為高速齒輪。當列車時速從200公里提升到380公里時，從動齒輪的線速度將從每秒35米躍升至每秒70米。如此高的轉速，對齒輪本身的性能、齒輪間的嚙合、箱體的密封可靠等，都提出了極大挑戰。

據CRH380A型齒輪傳動裝置項目組技術負責人王文濤介紹，小齒輪（主動齒輪）最難的是修形精度，大齒輪（從動齒輪）最難的是熱處理工藝。此前從CRH1到CRH380，“和諧號”各型高速動車組已裝車的齒輪，均從歐洲和日本進口，或僅在我國進行組裝。

為盡快研制出國產高速齒輪，戚墅堰所誠邀我國著名精密機械專家、大連理工大學王立鼎院士加盟。“能為我國的高鐵事業做點事”，王老十分高興。他多次前往該所，指導齒形設計，并協助開展可靠性分析，提出工藝改進建議。最終，小齒輪的修形精度達到了CRH380A的精度要求。

為提高齒輪的抗疲勞強度，戚墅堰所又針對滲碳淬火工藝和滲碳模擬技術展開攻關，將大齒輪的滲碳層深推進到了7毫米，而且采取的是與日本住友等壟斷企業不一樣的工藝技術。

鑄造是一門古老的手藝，但對于高速齒輪箱來說，卻不啻為一項復雜的系統工程。“像熱處理、焊修、清理打磨、磁粉探傷，每道工序都直接影響著鑄件質量，必須做到‘無縫’連接。”戚墅堰所鑄造技術工程部主任徐貴寶告訴記者。

據介紹，齒輪箱的材料有鑄鐵、鑄鋼和鑄鋁三種。戚墅堰所曾先后研制出球墨鑄鐵、鑄鋼齒輪箱。為滿足高速列車的輕量化要求，近年來該所研發出與歐洲ZLALSi7Mg性能相當的高強韌度材料鑄鋁101，在此基礎上全面掌握了鋁合金齒輪箱鑄造技術。和日本新干線動車組上的鑄鋼齒輪箱體相比，重量減輕了65.6%。

記者查閱文獻發現，高速運轉下的齒輪將改變箱體內的空氣壓力分布，形成局部正壓區和負壓區，齒輪飛濺出來的潤滑油與箱壁劇烈碰撞，在箱體內形成油霧，在高壓區極易滲出箱壁，對齒輪箱的密封性能提出了更高要求。

上世紀90年代初，時任項目組組長的周平創造性地將“錐面泵油”和“重力回油”的原理引入密封系統的設計中，發明出一種非接觸式機械迷宮密封結構，解決了當時發達國家也非常難“啃”的高速齒輪箱潤滑密封難題。

這之后，密封技術繼續改進。21世紀初，戚墅堰所主持國家產業化項目“時速270公里高速動力車動力轉向架傳動齒輪箱”的研制，研制的齒輪箱順利通過時速達400千米的高速牽引動力試驗，運行平穩、密封可靠，終于實現在380公里列車時速、每秒70米線速度下潤滑油的“零”泄漏。

據了解，目前包括31種小件、小齒輪、大齒輪、箱體、箱蓋在內的齒輪傳動裝置均已陸續裝上CRH380A，接受運行考核。小齒輪已完成運營考核里程超過200萬公里，大齒輪也已于今年開始裝車。一旦考核通過，將率先實現高速動車組齒輪傳動裝置的國產化替代。

“一代主機，一代零部件。”談到齒輪傳動裝置的研發歷程，王文虎感慨良多，在被主機配套需求高端化“推著”的壓力下，“主機和基礎零部件的關系，實際上是你推著我，我推著你，唯有堅持不懈自主創新。”王文虎說。

從重載制動機到高速制動閘片

“重載、高速列車跑起來容易，停下來難。”談到制動系統，南車株洲電力機車有限公司（以下簡稱株機公司）首席專家、技術中心副主任劉豫湘坦言。

制動系統控制著列車的減速和停車，通稱“火車的剎車”，直接關乎列車的運行安全。在制動系統中，制動機“發出”的制動力，傳導到基礎制動裝置上，完成減速剎車動作。其中，國產制動機和基礎制動裝置分別由中國南車位于湖南株洲的株機公司和位于常州的戚墅堰所主持研發。

1982年，株機公司實現零的突破，研制出DK-1型電空制動機，迄今已裝備中國鐵路電力機車4000余臺。但隨著我國鐵路重載、高速要求的不斷提高，研制制動精度更高、安全性能更強的新一代國產制動機的需求日益迫切。

重載制動機的關鍵技術，長期掌握在德國克諾爾、日本NABTESCO等少數幾家跨國公司手中，市場幾乎被其壟斷。我國第一條電氣化重載鐵路——大秦線自2004年底開行萬噸級組合列車至今，采用的仍是克諾爾公司的CCBⅡ制動機。

“如果沒有掌握這一技術，中國鐵路機車車輛的運行安全將永遠受制于人。”劉豫湘說。早在2005年10月，由原鐵道部立項，他帶領團隊開始自主研制DK-2型新一代機車制動機。

“我們最難攻關，最值錢、國外封鎖最厲害的是制動控制軟件。”劉豫湘介紹，國內由于計算機網絡控制技術起步晚，經驗不足，“所有引進的東西，國外都不轉讓軟件，我們依靠不了別人，必須自主研發。”

為此，株機公司組建起一套專攻控制軟件的班子，從“零”開始，自主研發最核心的制動控制單元及控制程序。經兩年艱苦攻關啃下這塊“硬骨頭”后，2007年，國產新一代DK-2型機車電空制動機誕生，成功打破國外對重載列車高精度制動技術的壟斷。同年，在某運煤貨運專線上，DK-2制動機順利通過首臺套樣機裝車考核，隨后在該專線萬噸級組合列車上正式裝車運行。

由于實現了數字化與網絡化，DK-2型制動機的制動力輸出精度更高，可把當今業界最難控制的普通長大編組客車的制動精度，提高到動車組的等級，同時解決了長大重載組合列車制動同步性與一致性的難題。

2013年8月，裝載該制動機的我國首臺大功率交流傳動客運電力機車HXD1D（和諧1D型電力機車），順利通過運行考核，填補了我國在大功率交傳快速客運電力機車領域的空白。

與制動機難在控制軟件不同，基礎制動裝置則難在新材料的研發和應用。“我國列車基礎制動裝置的發展，大致經歷了三代變遷。”在江蘇常州戚墅堰所有著50多年歷史的鑄造樓辦公室里，徐貴寶告訴記者。

據介紹，時速160公里以下的基礎制動一般采取閘瓦緊壓車輪踏面的方式停車即可，俗稱閘瓦制動。上世紀90年代中期，鐵路系統大提速后，盤形制動方法得到運用，即通過在車軸上安裝制動盤，再用制動夾鉗使兩個閘片緊壓制動盤，使列車減速停車。

由于高速制動時制動盤會承受很高的熱應力，研究人員經研究采用蠕墨鑄鐵作為制動盤材料，并不斷提高材料的純凈度、抗裂紋和冷熱疲勞性能，成功研制出滿足時速200公里內需求的制動盤，目前市場占有率已在80%以上。

2005年，原鐵道部引進時速200公里以上高速動車組技術，基礎制動裝置的研制難度進一步加大。扎了近50年鑄造材料和工藝研究“馬步”的戚墅堰所，先后“消化吸收”300多份技術文件，僅用一年首先實現了制動夾鉗的國產化，并成功運用于CRH2型高速動車組。

隨后，研究人員瞄準了技術難度更大的制動盤和閘片。當時，國內行業整體仍處于鑄鐵盤水平，價格約是鑄鐵盤5倍的鑄（鍛）鋼盤才剛剛起步。這一次，戚墅堰所與中南大學黃伯云院士團隊合作，將后者航空制動用炭—炭復合材料技術引進到動車組上，承擔國家“863”項目“高速列車用制動盤和閘片材料及其制備技術的研究”。

2009年，可滿足時速300公里要求的高速動車組鑄鋼制動盤研制成功。同年3月，開始攻關粉末冶金制動閘片材料及制備技術。2010年，鍛鋼制動盤研制成功，目前即將在CRH6型城際動車組上裝車試驗。2011年6月，研究人員又盯住最新的陶瓷基復合材料，開始研制更高制動性能的C/C-SiC陶瓷基復合材料制動盤和匹配閘片。

據透露，戚墅堰所最新開發出的制動閘片最高已可承受瞬時溫度達950℃，可適用于時速350公里以下的高速列車，新型制動盤也正在接受裝車運行考核，一旦成功，依賴進口的局面將有望打破。

工業“核芯”IGBT如何“彎道超車”

IGBT，絕緣柵雙極型晶體管，這個工業控制領域的核心電子元器件外界知之甚少，也不屬于工信部“三基”產業規劃的機械基礎件之列，但無論是軌道交通還是電動汽車，乃至智能電網、新能源發電均離不開它。就是這塊巴掌大的芯片，曾扼住我國大功率牽引變流技術的“咽喉”達十余年之久。

如果說以變流器為中心的牽引系統，是為電力機車提供動力的“心臟”，IGBT則是“心臟”的“核芯”。牽引變流器正是通過IGBT器件，實現電流直轉交的變換和控制，使外部輸送的高壓電得以為列車所用。

由于電子工業基礎薄弱、技術門檻高等原因，我國大功率IGBT器件一度開發滯后，相關技術長期被ABB、英飛凌、三菱等國外公司控制，軌道交通用IGBT曾一度全部依賴進口。

為突破國外長期封鎖的局面，在南車株洲電力機車研究所（以下簡稱株洲所）所長丁榮軍院士帶領下，我國軌道交通裝備行業率先瞄準了這塊硬骨頭。

“生產IGBT器件技術難度高，需攻克芯片、封裝、測試、驅動控制等一系列技術和工藝。”株洲所總工程師馮江華告訴記者，“就拿芯片工藝來說吧，IGBT芯片的元胞尺寸小、分辨率要求高，同時數以萬計的元胞要性能一致并同步開關控制，要求必須具備很強的工藝控制能力。”

7年前，株洲所承擔起國家“863”項目“7.5MVA IGBT變流器系統研制”，成功研制出當時國內最大功率等級的變流器，并成功應用。2007年，株洲所率先啟動國家“高壓IGBT元件研制”項目，并成立中國軌道交通領域的第一家微電子實驗室，開發大功率IGBT技術，為后續自主創新奠定了基礎。

2008年，株洲所跨出國門，收購英國知名半導體公司丹尼克斯公司，在國際業界引起極大震動，使我國成功躋身世界大功率IGBT器件技術一流梯隊。

有了上述基礎，株洲所迅速加快IGBT技術研發。2010年在英國成立功率半導體海外研發中心，聯合國內研發機構組建起全球研發團隊，專注新一代IGBT芯片技術的開發與應用,終使我國結束了國外長期壟斷這一高技術的歷史。

2012年12月，株洲所自主研制的“軌道交通用3300伏電壓等級IGBT芯片”通過了湖南省科技廳組織的科技成果鑒定。專家組一致認為，該芯片代表了軌道交通用高電壓等級IGBT器件技術的最高水平，填補了國內在該領域的空白，為我國建立起從芯片研制、模塊封裝測試到系統應用的完整產業鏈，突破了最關鍵的節點。國產列車的“心臟”，終于有了自己的“核芯”。

掌握核心技術是第一步，推動產業化運營則更為關鍵。2009年，中國南車在株洲建立國內第一條小批量大功率IGBT模塊封裝線，開始生產能滿足軌道交通牽引應用要求的大功率IGBT。2011年，中國南車進一步加大大功率IGBT產業化力度，在株洲所啟動了我國首條8英寸IGBT芯片生產線項目。

“投產后的IGBT模塊，陸續在國內200余輛城市軌道車輛、大功率電力機車上實現裝車、考核和應用，其表現與同功率等級國外產品處于同等水平。”馮江華說。

2013年10月，從株洲所傳來最新消息，該所大功率IGBT產銷突破6萬只。至此，我國不僅完全掌握該技術，而且成功實現產業化，開始大批量國產裝車。不僅滿足了軌道交通裝備對大功率電子元器件的需求，更使我國眾多戰略性新興產業發展態勢為之一振。

為掌握未來競爭中的主動權，如今株洲所又與中科院微電子所強強聯合，共同組建新型電力電子器件聯合研發中心，開展以碳化硅為基材的新型IGBT技術研發。截至目前，新型碳化硅IGBT的芯片樣品和封裝模型均已研制成功。

下一輪創新之路如何走？

“我們已掌握齒輪傳動裝置、基礎制動裝置、IGBT等大部分核心零部件關鍵技術，不過基礎材料、制造工藝還未取得實質性突破。”中國南車副總裁王軍向記者坦言。此外，“一些零部件在樣件試制時往往沒問題，但在批量化生產和產業化過程中，產品質量就會發生變化，性能不穩定”。

誠然，面對著數十年的整體差距，轉變并非一蹴而就。如果材料科學的基礎研究成果一天得不到轉化，制造行業的工藝水準一天得不到提升，零部件產品的性能質量一天得不到有效控制，“三基”產業就仍將“滯后”于高端裝備的發展。唯有進一步深化科技創新體制，共同扭轉產業鏈整體格局。

2012年8月10日，就在中國工程院與國資委達成央企技術創新戰略合作不到一個月后，中國工程院與中國南車在湖南簽署院企合作協議，開啟了我國國家工程科技思想庫與軌道交通裝備領軍企業的歷史性合作。

在這次簽署儀式上，時任中國南車董事長的趙小剛公開表示，未來中國本土科技型企業的自主創新模式將發生重大變化，引進消化吸收再創新的模式將退居末位，集成創新將成主流，原始創新的比重將大幅提升。

隨后，來自國內知名高校、科研院所的院士專家團隊陸續加入，與中國南車合力攻堅。在軌道交通裝備行業，一個更開放的產學研合作局面正在形成。

與此同時，中國南車也加緊了自身的研發體系部署。

2013年4月16日，中國南車中央研究院在京成立，王軍出任院長。新成立的中央研究院負責聯系和管理集團已有的技術專家委員會、技術標準化委員會、焊接技術委員會、無損檢測技術委員會及材料與工藝研究中心，加上旗下子公司已建成的4個國家級研發機構、7個國家級企業技術中心、10個省級研發機構和8個省級企業技術中心，一個覆蓋全集團的新研發體制初現雛形。

“要提升軌道交通裝備產業‘三基’水平，需國家、行業、企業的共同努力。”王軍在常州“三基”論壇上最后表示。他建議，瞄準“三基”領域共性技術，以企業為主體建設國家級技術創新平臺，將軌道交通裝備領域具備條件的研究項目列入國家重大科技計劃，并考慮優先立項。“不僅裝備制造業應率先加強“三基”研究，客戶也應對國產裝備的試驗考核和裝車運行提供優先支持，以共同提高軌道交通基礎配套產業的國產化率。”

結語

在高速、重載時代伊始，曾領銜研制國產準高速列車“中華之星”的南車株機專家委員會主任劉友梅院士，現在已將重點瞄準了下一代綠色列車。

2012年8月，由劉友梅主持研制的世界首列儲能式輕軌樣車在株洲下線，這種采用超級電容作為主動力、全程不依賴電網、可實現能量回收和循環利用的新型列車，甫一亮相便引起了世界各國的關注，被認為有望開啟軌道交通的綠色時代。目前，該型列車已完成工程化試制和產業化準備，最快將于明年在廣州投入商業運營。

值得注意的是，超級電容作為儲能式列車的核心零部件，一開始就全部依靠我國自主研發。2013年9月，7500法拉的世界最大功率超級電容單體在中國南車實現批量生產，首批超級電容產品交付完成。

這再次說明，誰掌握了基礎，誰就贏在了起點。（來源：《中國科學報》)