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鐵路運輸已近兩百年歷史,雖然經歷大起大落發展階段,但至今仍然是全世界的主要運輸方式之一。在能源和環境問題日益突出的21世紀,由于鐵路運輸相對其他交通方式具有諸如運量大、速度快、安全、舒適、準時、綠色、受環境氣候制約小等優勢,再次迎來其發展的高潮。我國現有普速鐵路(200 km/h以下)10萬多km;城市軌道交通總里程4 000多km(主要輪軌交通制式),2020年將達6 000多km,全國近50個大中城市修建地鐵。我國的高速鐵路雖然起步較晚,但在“堅持原始創新、集成創新和引進消化吸收再創新”的戰略方針指導下,關鍵技術水平躍升至世界領先,取得了輝煌的發展成就。目前我國已經建成了“四縱四橫”的高速鐵路(200 km/h以上)網絡,運營總里程超過2.5萬km,占世界高鐵運營總里程的7成以上。新一代具有完全自主知識產權的“復興號”中國標準動車組,已經在京滬高鐵線路上以350 km/h正式運營,我國已成為全世界上高速列車商業運營速度較快的國家。
我國雖然在高鐵建造、裝備制造和運營管理等關鍵技術方面實現諸多突破,但是,隨著高鐵網絡的建成和高鐵建設向中西部轉移,新的問題和挑戰仍然會不斷出現。僅就較基礎性的輪軌關系來說,中國高鐵開通運營十年來就出現了鋼軌波磨和車輪多邊形等問題,嚴重影響了列車高速運行的品質和安全,增加了養護維修的成本。所謂鋼軌波磨和車輪多邊形是指鋼軌和車輪在相互循環碾壓下,鋼軌頂部沿其縱向(圖1)、車輪沿其周向即在其滾動圓上(圖2),出現一種規律性的類似波浪形狀的不均勻磨損。我國某高速鐵路開通后的第二年,出現了鋼軌扣件彈條的斷裂,當時舉國上下一片惶恐。中國鐵路總公司趙國堂團隊率先查明了鋼軌波磨時空分布特征,發現了列車通過波磨段鋼軌時的輪軌振動帶動扣件彈條產生共振,彈條振動加速度是非波磨區的數倍,導致彈條產生異常振動斷裂。隨后在其他高速鐵路線路上也出現了類似的波磨問題。在同樣區段采用改變了固有頻率的新型扣件,避開了共振區,再沒有產生彈條斷裂問題。在揭示扣件彈條斷裂機理的基礎上,項目團隊聚焦鋼軌波磨的產生機理并開始研究。從技術路線上,首先關注輪軌系統振動的異常變化。如果車輪是圓順的,輪軌間的振動則主要源于軌道不平順的激勵,這個不平順就可能是引起波磨的主要原因。除了考慮初始不平順影響外,項目團隊還對鋼軌材料特性進行了研究。鋼軌作為高碳鋼,含碳量是影響表面強度和硬度的主要因素。一旦鋼材在冶煉過程中,氧氣進入與碳結合生成一氧化碳析出,便在鋼軌表面形成脫碳層,導致強度和硬度降低。通過金相分析和硬度測試,脫碳層厚度越大,則其硬度越低。盡管高速鐵路要求開通前要對鋼軌進行預打磨,但初期開通的高速鐵路鋼軌預打磨的厚度較小,鋼軌表面存留了一定厚度的脫碳層,導致鋼軌表面硬度不均勻,當車輪通過時會產生不均勻磨耗,成為鋼軌波磨的誘因。這些鋼軌波磨研究成果已經在我國高速鐵路上得到應用。將新鋼軌預打磨厚度提高到消除脫碳層水平;并通過對打磨工藝的優化,減少了表面初始不平順。到目前為止,高速鋼軌波磨問題基本得到解決。
高速鐵路開通以后,隨著鋼軌波磨問題的出現和解決,車輪全壽命周期里不同階段(半徑在不斷縮小)也出現了不同程度多邊形磨耗問題(圖2b)日益凸現。實際上將車輪上的多邊形展開,就是和鋼軌波磨相似的周期性不均勻磨損。在速度300 km/h運行速度條件下,產生的激勵頻率為580 Hz左右強烈的振動,此激勵頻率也與某扣件的固有頻率相近,同樣產生了彈條共振斷裂。多邊形產生機理是否和鋼軌波磨一樣?目前西南交通大學金學松團隊在進行研究。建議在技術路線上,還是要從初始圓順度、車輪材質和車輛軌道結構耦合系統共振研究入手,把車輪偏心和鏇輪后的圓順度查找清楚,同時考慮車輪鋼一般為中碳合金鋼,其硬度在245 HB以上,比鋼軌標準的硬度260HB要小,如果考慮鋼軌疲勞硬化,譬如波磨鋼軌波峰段的硬度實測值可達到500~600 HB,比車輪硬度要高1倍。車輪行駛在如此強硬的鋼軌上,自然會產生較大的磨耗。高速輪軌試驗表明,輪軌硬度比為1.15時,系統磨耗量較小,即車輪硬度比鋼軌硬度高15%,可以使鋼軌有適量的磨耗,減少表面疲勞層的累積,有利于控制鋼軌傷損和波磨;同時減少了車輪磨耗量,可減緩多邊形的產生。
鋼軌波磨和車輪多邊形問題實際上已經研究了100多年,現在被我們更加關注,是因為列車速度達到350 km/h以后對安全的重視。將事故風險降低到零,保證運營安全是科研人員的使命,但是提高列車運營品質、降低建造和運營成本也是我們努力追求的目標。要努力實現它們,鐵路軌道交通運輸發展過程中仍然面臨許多問題需要解決,而智能化必然是技術上的發展方向。智能化列車和智能化線路工程的技術和理論的研究及應用,期望做到列車和線路在任何環境下和任何狀態下,對系統結構和部件的行為得到全面監控,并能準確預報行為和狀態的變化趨勢和發展規律,這一點不僅要依賴智能技術(精確的傳感測試技術、快速的信息處理技術以及高效傳輸技術)發展和應用,還需要結合考慮列車軌道耦合大系統動力學和行為可靠準確的分析模型和高效率數值方法(行為和狀態分析計算和預測、結構和材料安全界域和閾值的確定),以及智能材料綜合利用等。目**車軌道耦合系統行為建模和行為分析方面還不夠完善,分析內容主要放在低頻多剛體動力學行為和特性上,結構的高頻柔性行為、材料破壞行為分析以及發展環境下更多因素耦合作用效應,不能做到同步耦合分析。列車軌道大系統結構中新型材料研究和應用需要進一步加強,提高結構材料抗疲勞、抗磨損、環境適應的性能,這是保證列車長期安全運營的根本問題之一。新型安全可靠材料的應用,能夠有效地幫助列車減重節能。列車軌道耦合大系統進一步減振降噪問題的研究、關鍵結構和部件全壽命周期問題研究、科學的運維策略研究,都是當務之急、有待解決的重要問題。本專輯論文對這些問題進行了探討,具有實用價值和前瞻性。若要完全解決這些問題,需要持久地、全面地、系統地、深入地開展研究工作。