王軍

到2020年年底，中國已有3700組動車組奔跑在38000公里的高鐵線路上，并保持著商業(yè)運行最高時速350公里的世界紀錄，日臻成熟的中國高鐵正以前所未有的速度和廣度走向世界。中國高鐵經(jīng)歷了從“跟跑”“并跑”再到“領(lǐng)跑”的過程。

作為“高鐵夢”的牽引者之一，坐落于成都市西北角的西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室的創(chuàng)新故事與助推中國高鐵及軌道交通產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展休戚相關(guān)。走入實驗室，機車車輛滾動振動試驗臺、牽引傳動試驗臺、高頻激振試驗臺和疲勞試驗臺的轟鳴聲不絕于耳，猶如一首首高鐵研發(fā)的交響曲。這里有針對機車車輛動力學(xué)和結(jié)構(gòu)可靠性的理論分析平臺、臺架試驗到線路試驗完整的測試系統(tǒng)，幾乎每一種奔馳在高鐵線上的動車組車型都要在這里進行仿真和臺架試驗，模擬動車組真實運行環(huán)境，評估其高速運行性能和安全可靠性，為高鐵安全運行保駕護航。從“和諧號”動車組走向“復(fù)興號”動車組殊為不易，這背后是實驗室多個科研勁旅的艱辛付出，動力學(xué)與強度研究團隊（以下簡稱“動強組”）就是其中一個。

我國高速動車組經(jīng)歷了引進、消化、吸收再創(chuàng)新的發(fā)展過程，而走行部即轉(zhuǎn)向架是動車組的核心，決定了動車組能否高速平穩(wěn)和安全可靠運行，在引進、消化、吸收階段，動強組是轉(zhuǎn)向架技術(shù)的“接盤俠”，在再創(chuàng)新階段，動強組則是中堅力量，為中車各企業(yè)的軌道車輛轉(zhuǎn)向架尤其是高速轉(zhuǎn)向架創(chuàng)新研發(fā)提供了重要技術(shù)支持。

助力“復(fù)興號”跑出最高速

2017年6月26日，由中國鐵路總公司牽頭組織研制、具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)、達到世界先進水平的中國標準動車組“復(fù)興號”由北京南站和上海虹橋站雙向首發(fā)。2012年年底開始研發(fā)、2014年完成方案設(shè)計、2015年下線、2017年正式亮相，“復(fù)興號”的誕生充滿艱辛，西南交大的多個科研團隊曾深度參與其中。

早在2013年年初，曾京教授領(lǐng)導(dǎo)的動強組就在中國鐵路總公司統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)下，與長春軌道客車股份有限公司、中車青島四方機車車輛股份有限公司一起，開展中國標準動車組研制的聯(lián)合攻關(guān)，羅仁、王勇兩位副研究員，以及黃彩虹、李凡松、干鋒、魏來、石懷龍、高浩博士等人對兩個型號的動車組開展了動力學(xué)方面的系統(tǒng)研究和持續(xù)攻關(guān)，他們系統(tǒng)梳理“和諧號”動車組運行中出現(xiàn)的與動力學(xué)有關(guān)的各類問題，尋找解決方案，提出提高“復(fù)興號”動車組運行速度的措施，有力支撐了最復(fù)雜的走行系統(tǒng)的自主創(chuàng)新。在國內(nèi)外最先進的滾動振動試驗臺上對“復(fù)興號”動車組進行了試驗，最高試驗速度達到600km/h;在軌道交通國家實驗室（籌）的結(jié)構(gòu)振動試驗臺上，宋燁博士完成了對動車及拖車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架最完整的疲勞試驗;在新建車體疲勞試驗臺上，劉潮濤博士完成了對CR400BF動車組車體疲勞的研究性試驗，該試驗也是世界上第一次將牽引力、慣性力、氣動載荷同時加載的試驗。

正式開通前，王建斌、屈升、李大地、張大福、魏來他們就在大西、鄭徐、京滬等線路上不分晝夜地忙碌，先后進行了兩個型號動車組轉(zhuǎn)向架動力學(xué)和車下懸吊設(shè)備的120萬公里跟蹤試驗以及車體和構(gòu)架工作模態(tài)試驗，為“復(fù)興號”動車組的長期安全平穩(wěn)運行提供了理論與試驗支撐?？梢哉f，“復(fù)興號”動車組的研制成功進一步奠定了西南交通大學(xué)在高速動車組系統(tǒng)動力學(xué)和結(jié)構(gòu)可靠性研究方面的重要地位。

正像習(xí)近平總書記說的，科研工作者要把論文寫在祖國的大地上。動強組的每一名成員，面向鐵路建設(shè)主戰(zhàn)場開展科學(xué)研究，腳踏實地，勇于創(chuàng)新，為“復(fù)興號”動車組的安全運行貢獻了自己的青春和智慧。

一個前沿實驗室

在我國軌道交通大發(fā)展的背景下，牽引動力國家重點實驗室適時站在了時代的浪尖上，參與和見證了中國高速列車的每一步發(fā)展。實驗室于1989年開始籌建，1995年通過國家驗收，是軌道交通第一個國家重點實驗室。2003—2018年共進行了4次國家評估，其兩次被評為優(yōu)秀國家重點實驗室，被評價為構(gòu)建了軌道交通裝備現(xiàn)代化發(fā)展的應(yīng)用基礎(chǔ)研究平臺，有力支撐了我國鐵路提速和高速的發(fā)展，在學(xué)科發(fā)展和趕超世界先進水平方面發(fā)揮了重要的引領(lǐng)和示范作用。實驗室旨在瞄準軌道交通領(lǐng)域的國際前沿，把握技術(shù)發(fā)展趨勢，以高速列車、重載列車、磁浮列車和城市軌道車輛為核心，開展基礎(chǔ)理論研究、關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新和系統(tǒng)集成創(chuàng)新，為現(xiàn)代軌道交通的發(fā)展提供基礎(chǔ)理論和創(chuàng)新技術(shù)支持。實驗室主要研究方向為軌道車輛設(shè)計理論、輪軌關(guān)系、動力學(xué)及可靠性研究，新型軌道車輛和牽引傳動等新技術(shù)開發(fā)，以及檢測和試驗技術(shù)等。實驗室自建立以來，共獲得國家科技進步獎一等獎2項、二等獎3項，所支撐的交通運輸工程學(xué)科在全國學(xué)科評估中連續(xù)4次排名第一。

在平臺建設(shè)取得一系列重大突破的同時，沈志云、翟婉明、錢清泉等一批老院士帶領(lǐng)實驗室又組建起了一支老中青相結(jié)合的高素質(zhì)研究隊伍。瞄準軌道交通領(lǐng)域的國際前沿，根據(jù)軌道交通發(fā)展趨勢和技術(shù)特點，重點開展以高速列車、重載列車、城市軌道交通等方面的基礎(chǔ)理論和技術(shù)創(chuàng)新研究，在列車系統(tǒng)動力學(xué)、輪軌關(guān)系、弓網(wǎng)關(guān)系、流固關(guān)系、疲勞可靠性、磁懸浮技術(shù)、牽引傳動技術(shù)及檢測和試驗技術(shù)等方面取得重要成果。尤其針對高速列車，實驗室開展了大量的基礎(chǔ)理論、技術(shù)創(chuàng)新和檢測技術(shù)的研究工作，支撐了我國高速列車的創(chuàng)新設(shè)計，為高速列車的運行性能提供了保證。

一支強勁團隊

動強組成立于2000年7月，隸屬牽引動力國家重點實驗室，當(dāng)時沈志云院士的3個弟子——曾京、戴煥云和鄔平波走到了一起，在沈志云院士的關(guān)心下，在張衛(wèi)華教授、王開云研究員兩任主任和其他領(lǐng)導(dǎo)的大力支持下，如今已發(fā)展成有26位老師、20名專業(yè)技術(shù)工人和近百名碩博研究生的科研團隊，加上團隊成立前核心成員10余年的專業(yè)研究，動強組從事系統(tǒng)動力學(xué)研究已有30余年。

動強組團隊無論是規(guī)模還是科研經(jīng)費在實驗室的所有團隊里都排名第一，與實驗室的科研大方向保持高度一致，針對高速列車、重載列車、新型城軌車輛，構(gòu)建了仿真分析、實驗室臺架試驗和線路試驗閉環(huán)研究體系，在設(shè)計階段進行動力學(xué)仿真分析，優(yōu)化和確定懸掛系統(tǒng)參數(shù);在樣機研制完成后進行臺架試驗，驗證理論分析，發(fā)現(xiàn)問題并進行改進，再進行線路試驗。團隊開展了一系列理論研究和技術(shù)創(chuàng)新研究，所做工作有力地支撐了我國軌道交通車輛的發(fā)展，是我國機車車輛動力學(xué)研究的領(lǐng)頭羊。

“雖然我們也做了一些新型城軌車輛的研究，但有創(chuàng)新的代表性的成果主要還在高速列車上?！痹┱f，要對高速列車進行性能預(yù)測首先要建立一個非常精確的動力學(xué)模型，還要采用一些有效的分析方法，所以在高鐵長期服役動力學(xué)性能的演化分析評估技術(shù)上，團隊做了一些創(chuàng)新工作，包括開展整車臺架試驗、線路跟蹤實驗。通過這些工作，團隊探明了高速動車組長期服役動力學(xué)性能及演化規(guī)律和性能的退化機制。另外，考慮到穩(wěn)定性不夠列車會被降速的問題，在實現(xiàn)列車運動穩(wěn)定性技術(shù)提升方面團隊也做了相關(guān)研究，因為掌握了列車在復(fù)雜服役環(huán)境下的演化規(guī)律，所以團隊在此基礎(chǔ)上，提出了以改善輪軌接觸關(guān)系為目標的車輪踏面的優(yōu)化設(shè)計方法，提高了車輛運動穩(wěn)定性。除此，在運行安全性和平穩(wěn)性技術(shù)提升方面，團隊還研制了無損的輪軌作用力的連續(xù)測量技術(shù)，可以實現(xiàn)對運營時輪軌的連續(xù)測量和對脫軌安全性的監(jiān)測。通過開展這三方面工作，團隊實現(xiàn)了高速列車在長期服役運行中平穩(wěn)性、安全性的全面提升。

在動力學(xué)仿真分析方面，團隊主要進行高速轉(zhuǎn)向架懸掛參數(shù)優(yōu)化、輪軌匹配關(guān)系以及動力學(xué)性能預(yù)測，完成了我國各系列動車組如“和諧號”CRH2、CRH3、CRH5、CRH380和“復(fù)興號”CR300、CR400等的動力學(xué)分析及懸掛參數(shù)優(yōu)化，支撐了我國高速轉(zhuǎn)向架的創(chuàng)新設(shè)計。在臺架試驗方面，利用整車滾動振動試驗臺進行臨界速度、運行平穩(wěn)性、振動模態(tài)等的測試，開展了各型動車組動力學(xué)性能的比選和優(yōu)化及故障狀態(tài)安全評估，最高試驗速度達到600km/h。

在京廣、京滬、哈大、蘭新等客專線上，團隊還對CRH1、CRH2、CRH3、CRH5、CRH6、“復(fù)興號”（四方、長客、唐山）等20多列動車組開展了長期跟蹤試驗。據(jù)統(tǒng)計，測試規(guī)模已達3000多個通道，折算運行里程累計8000萬公里，測試數(shù)據(jù)600T，測試車輪10萬余片。為高速列車的運行安全和智能運維提供了依據(jù)。

那么做這些試驗到底有什么用處？“可以對列車的性能做一些預(yù)測，進而提出一些避免問題發(fā)生的措施和解決方案”，曾京回答，“例如：找出車身抖動的機理，我們就能通過計算機把這種現(xiàn)象模擬出來，然后去改變列車的一些相應(yīng)參數(shù)，避免抖動發(fā)生;另外，我們還可以從改善輪軌接觸關(guān)系的角度來解決問題，設(shè)計出的新型車輪踏面，目前已在數(shù)百列動車組上安裝，解決了列車異常振動的問題。還有車輪異常磨耗的問題，跑到一定程度，車輪就不圓了，這會導(dǎo)致列車的振動頻率和強度增高，車上的一些零部件會因此被振裂。與國外不同，中國的高速鐵路運營距離長，而列車的運行速度相對恒定，持續(xù)運營的話，由于激擾頻率比較固定，容易導(dǎo)致輪軌系統(tǒng)共振，形成車輪多邊形。對于此問題，我們探明了車輪多邊形磨耗形成機制，也提出了相應(yīng)解決方案，如采用跨線或變速運行方式，將列車的振動頻率改變，車輪多邊形問題也會得到緩解?！?/p>

作為國內(nèi)動力學(xué)研究領(lǐng)域一支強勁的科研隊伍，動強組團隊不僅關(guān)注著列車運營中出現(xiàn)的一個個實實在在的問題，對一些超前問題的研究同樣不遺余力。

通過承擔(dān)原國家“973”、“863”和科技支撐計劃課題，國家先進軌道交通重大專項，以及國家自然科學(xué)基金項目、國家自然科學(xué)高鐵聯(lián)合基金項目、原鐵道部科技研發(fā)計劃項目、中國鐵路總公司科技研發(fā)計劃項目等，針對更高速度等級動車組轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵技術(shù)及裝備、智能高速列車系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及樣車、高速列車輪軌型面匹配與蛇行運動機理、380km/h以上高速輪軌關(guān)系深化研究、動車組防脫軌安全技術(shù)、高速列車輪軌型面匹配優(yōu)化及適應(yīng)性和高速動車組轉(zhuǎn)向架主動懸掛控制理論等問題開展了持續(xù)攻關(guān)，所做的大量開創(chuàng)性工作有力支撐了我國“和諧號”和“復(fù)興號”動車組的研制和安全運營。

因貢獻突出，研究成果“機車車輛-軌道耦合動力學(xué)理論體系、關(guān)鍵技術(shù)及工程應(yīng)用”獲2005年度國家科技進步獎一等獎，“鐵道機車車輛走行部理論研究與應(yīng)用”獲2006年度國家科技進步獎二等獎，“高速列車系統(tǒng)動力學(xué)理論及其應(yīng)用”獲2008年中國鐵道學(xué)會科學(xué)技術(shù)獎一等獎，“疲勞斷裂可靠性理論研究及在典型結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用”獲2009年四川省科技進步獎一等獎，“高速列車動力學(xué)性能設(shè)計、優(yōu)化與驗證”獲2013年中國鐵道學(xué)會科學(xué)技術(shù)獎一等獎。

雖然以往所獲成果很輝煌，但團隊中每個成員都清楚，中國高鐵的每一個精彩細節(jié)都是在試驗臺上經(jīng)過千錘百煉的結(jié)果。所以要讓世界見證中國高鐵創(chuàng)造的一個又一個新的奇跡，作為它的塑造者只能躬身實干、風(fēng)雨兼程。

奮楫揚帆 逐夢前行

動強組非常重視創(chuàng)新型人才隊伍的建設(shè)。曾京說，團隊中聰明的學(xué)生不少，但成為人才可能更需要對專業(yè)、對科研有真正的熱愛，因為興趣是最好的老師，有興趣才有動力，有動力才不怕吃苦，才能堅持把路走下來。另外，還要有發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，有創(chuàng)新精神的同時，做事情還要踏實，不能急功近利。更重要的是，還要有合作精神，尤其是在世界已變成“雞犬之聲相聞”的地球村的大背景下，開展與國外團隊的合作尤為必要。

在與國外開展合作上，動強組團隊也一直走在實驗室的前列。除承擔(dān)了菲律賓、伊朗、泰國、印度、巴西的車輛動力學(xué)試驗及安全性試驗外，還與一些國外的大學(xué)和企業(yè)開展了理論及技術(shù)方面的合作研究。通過國家自然科學(xué)基金國際合作交流項目，在高速列車關(guān)鍵部件的監(jiān)測和健康評估關(guān)鍵技術(shù)研究上，團隊正與英國哈德斯威爾大學(xué)鐵路研究中心開展合作，目前各項工作進展順利。為提升輪軌作用力的測量技術(shù)，與瑞士因特弗利特科技公司開展合作，團隊克服了傳統(tǒng)測量技術(shù)中的一些缺陷，掌握了無損無線連續(xù)測量技術(shù)，實現(xiàn)了技術(shù)水平與國外同步、在國內(nèi)領(lǐng)先，并且技術(shù)已應(yīng)用到國內(nèi)的高鐵和地鐵相關(guān)測量中。

疫情是挑戰(zhàn)，也是機遇。2020年9月，中車大連出口尼日利亞的內(nèi)燃動車組按計劃要到阿布賈現(xiàn)場做動力學(xué)型式試驗，黃立和李濤兩位老師帶領(lǐng)測試人員，乘坐中土的包機飛向疫情肆虐的阿布賈，逆行背后是團隊老師高度的責(zé)任心，是踐行對大連公司的承諾。

中車四方股份出口美國芝加哥的地鐵列車，原來是德國西門子公司去做動力學(xué)型式試驗的，西門子公司借口疫情不去了，影響了四方股份的交車，動強組在認真查閱了西門子的試驗大綱后，毅然接受這一試驗任務(wù)，王建斌、李大地、屈升他們挑燈夜戰(zhàn)，按期完成了試驗。中車長客股份出口澳大利亞墨爾本地鐵項目一樣遇到瓶頸，原定由德國DB公司做動力學(xué)型式試驗測試，其也是借口疫情不去了，動強組再次出手，也是王建斌、李大地、張大福、黃立等人在短短21天內(nèi)，完成6條測力輪對的制作，按期發(fā)往澳大利亞。每一次面向西方發(fā)達國家的試驗項目都是對標國際權(quán)威的測試機構(gòu)，都是挑戰(zhàn)最高水平測試技術(shù)，幾場硬仗下來，動力學(xué)型式試驗?zāi)芰梢哉f是和國際接軌了，更重要的是，出了國門所做的事情就代表中國，動強組沒有給中國丟臉，中車企業(yè)也沒有因此讓西方國家所謂的鐵路認證機構(gòu)的權(quán)威難住。

自2008年開始運行的中國高鐵，第一批動車組使用壽命已過半，后續(xù)各種型號動車組運行的安全性、可靠性、經(jīng)濟性和維修性是擺在中國高鐵面前的頭等大事，戴煥云研究員一直非常關(guān)注這方面的研究，在課題組每周例會上，首要任務(wù)是對動車組現(xiàn)場測試結(jié)果進行討論，就像給動車組看病，要及時總結(jié)規(guī)律發(fā)現(xiàn)問題，提出整改措施以保運用安全，在這方面，戴教授不愧為經(jīng)驗豐富的“老中醫(yī)”。

為了進一步提高高速鐵路運營速度，我國也將研究時速400公里的動車組技術(shù)提上了日程。如何攻克節(jié)能、減振、降噪、制動等技術(shù)難題，實現(xiàn)安全穩(wěn)定、節(jié)能環(huán)保、平穩(wěn)舒適、經(jīng)濟可靠等動車組安全舒適運行新指標，成為擺在動強組及其他相關(guān)科研工作者面前的新問題。

為應(yīng)對挑戰(zhàn)，在時速400公里動車組轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵技術(shù)研究上，目前團隊正與中車合作，計劃在既有高速線這樣一個邊界條件上開展時速400公里高速列車轉(zhuǎn)向架的一些相關(guān)研究工作;在高速列車轉(zhuǎn)向架主動半主動懸掛技術(shù)這一未來主要發(fā)展方向的研究上，團隊計劃將原來不可改變的被動懸掛參數(shù)變成可變的，根據(jù)高速列車實際運行情況實時調(diào)整參數(shù)，使高速列車能適應(yīng)不同的運營環(huán)境;在輪軌關(guān)系的檢測與健康管理上，團隊將對高速動車組線路運行的適應(yīng)性做出改進，保證列車長期服役的性能。除此，在降低列車的運維成本及高速列車轉(zhuǎn)向架狀態(tài)監(jiān)測和智能運維研究上，動強組在未來也有一些計劃要開展相關(guān)工作。

奮楫揚帆，逐夢前行。雖然未來充滿挑戰(zhàn)，但在勾畫中國軌道交通精彩未來這件事上，動強組已做好了充足的準備，團隊有信心、也有實力擁抱更廣闊的未來。