铁路运输系统中若干急需解决的问题

2019-08-07 浏览次数:1847

铁路运输已近两百年历史,虽然经历大起大落发展阶段,但至今仍然是全世界的主要运输方式之一。在能源和环境问题日益突出的21世纪,由于铁路运输相对其他交通方式具有诸如运量大、速度快、安全、舒适、准时、绿色、受环境气候制约小等优势,再次迎来其发展的高潮。我国现有普速铁路(200 km/h以下)10万多km;城市轨道交通总里程4 000多km(主要轮轨交通制式),2020年将达6 000多km,全国近50个大中城市修建地铁。我国的高速铁路虽然起步较晚,但在“坚持原始创新、集成创新和引进消化吸收再创新”的战略方针指导下,关键技术水平跃升至世界领先,取得了辉煌的发展成就。目前我国已经建成了“四纵四横”的高速铁路(200 km/h以上)网络,运营总里程超过2.5万km,占世界高铁运营总里程的7成以上。新一代具有完全自主知识产权的“复兴号”中国标准动车组,已经在京沪高铁线路上以350 km/h正式运营,我国已成为全世界上高速列车商业运营速度最快的国家。

我国虽然在高铁建造、装备制造和运营管理等关键技术方面实现诸多突破,但是,随着高铁网络的建成和高铁建设向中西部转移,新的问题和挑战仍然会不断出现。仅就最基础性的轮轨关系来说,中国高铁开通运营十年来就出现了钢轨波磨和车轮多边形等问题,严重影响了列车高速运行的品质和安全,增加了养护维修的成本。所谓钢轨波磨和车轮多边形是指钢轨和车轮在相互循环碾压下,钢轨顶部沿其纵向(图1)、车轮沿其周向即在其滚动圆上(图2),出现一种规律性的类似波浪形状的不均匀磨损。我国某高速铁路开通后的第二年,出现了钢轨扣件弹条的断裂,当时举国上下一片惶恐。中国铁路总公司赵国堂团队率先查明了钢轨波磨时空分布特征,发现了列车通过波磨段钢轨时的轮轨振动带动扣件弹条产生共振,弹条振动加速度是非波磨区的数倍,导致弹条产生异常振动断裂。随后在其他高速铁路线路上也出现了类似的波磨问题。在同样区段采用改变了固有频率的新型扣件,避开了共振区,再没有产生弹条断裂问题。在揭示扣件弹条断裂机理的基础上,项目团队聚焦钢轨波磨的产生机理并开始研究。从技术路线上,首先关注轮轨系统振动的异常变化。如果车轮是圆顺的,轮轨间的振动则主要源于轨道不平顺的激励,这个不平顺就可能是引起波磨的主要原因。除了考虑初始不平顺影响外,项目团队还对钢轨材料特性进行了研究。钢轨作为高碳钢,含碳量是影响表面强度和硬度的主要因素。一旦钢材在冶炼过程中,氧气进入与碳结合生成一氧化碳析出,便在钢轨表面形成脱碳层,导致强度和硬度降低。通过金相分析和硬度测试,脱碳层厚度越大,则其硬度越低。尽管高速铁路要求开通前要对钢轨进行预打磨,但初期开通的高速铁路钢轨预打磨的厚度较小,钢轨表面存留了一定厚度的脱碳层,导致钢轨表面硬度不均匀,当车轮通过时会产生不均匀磨耗,成为钢轨波磨的诱因。这些钢轨波磨研究成果已经在我国高速铁路上得到应用。将新钢轨预打磨厚度提高到消除脱碳层水平;并通过对打磨工艺的优化,减少了表面初始不平顺。到目前为止,高速钢轨波磨问题基本得到解决。

高速铁路开通以后,随着钢轨波磨问题的出现和解决,车轮全寿命周期里不同阶段(半径在不断缩小)也出现了不同程度多边形磨耗问题(图2b)日益凸现。实际上将车轮上的多边形展开,就是和钢轨波磨相似的周期性不均匀磨损。在速度300 km/h运行速度条件下,产生的激励频率为580 Hz左右强烈的振动,此激励频率也与某扣件的固有频率相近,同样产生了弹条共振断裂。多边形产生机理是否和钢轨波磨一样?目前西南交通大学金学松团队在进行研究。建议在技术路线上,还是要从初始圆顺度、车轮材质和车辆轨道结构耦合系统共振研究入手,把车轮偏心和镟轮后的圆顺度查找清楚,同时考虑车轮钢一般为中碳合金钢,其硬度在245 HB以上,比钢轨标准的硬度260HB要小,如果考虑钢轨疲劳硬化,譬如波磨钢轨波峰段的硬度实测值可达到500~600 HB,比车轮硬度要高1倍。车轮行驶在如此强硬的钢轨上,自然会产生较大的磨耗。高速轮轨试验表明,轮轨硬度比为1.15时,系统磨耗量最小,即车轮硬度比钢轨硬度高15%,可以使钢轨有适量的磨耗,减少表面疲劳层的累积,有利于控制钢轨伤损和波磨;同时减少了车轮磨耗量,可减缓多边形的产生。

钢轨波磨和车轮多边形问题实际上已经研究了100多年,现在被我们更加关注,是因为列车速度达到350 km/h以后对安全的重视。将事故风险降低到零,保证运营安全是科研人员的使命,但是提高列车运营品质、降低建造和运营成本也是我们努力追求的目标。要努力实现它们,铁路轨道交通运输发展过程中仍然面临许多问题需要解决,而智能化必然是技术上的发展方向。智能化列车和智能化线路工程的技术和理论的研究及应用,期望做到列车和线路在任何环境下和任何状态下,对系统结构和部件的行为得到全面监控,并能准确预报行为和状态的变化趋势和发展规律,这一点不仅要依赖智能技术(精确的传感测试技术、快速的信息处理技术以及高效传输技术)发展和应用,还需要结合考虑列车轨道耦合大系统动力学和行为可靠准确的分析模型和高效率数值方法(行为和状态分析计算和预测、结构和材料安全界域和阈值的确定),以及智能材料综合利用等。目前列车轨道耦合系统行为建模和行为分析方面还不够完善,分析内容主要放在低频多刚体动力学行为和特性上,结构的高频柔性行为、材料破坏行为分析以及发展环境下更多因素耦合作用效应,不能做到同步耦合分析。列车轨道大系统结构中新型材料研究和应用需要进一步加强,提高结构材料抗疲劳、抗磨损、环境适应的性能,这是保证列车长期安全运营的根本问题之一。新型安全可靠材料的应用,能够有效地帮助列车减重节能。列车轨道耦合大系统进一步减振降噪问题的研究、关键结构和部件全寿命周期问题研究、科学的运维策略研究,都是当务之急、有待解决的重要问题。本专辑论文对这些问题进行了探讨,具有实用价值和前瞻性。若要完全解决这些问题,需要持久地、全面地、系统地、深入地开展研究工作。


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