高速列車的關鍵物理力學問題

劉煒琦

摘要：隨著社會經濟水平的不斷提高和科學技術的不斷進步，我國高速列車的研發技術已經處于世界領先地位，為全球高速列車發展做出了重要貢獻。為了不斷提高高速列車的運行穩定性和安全性，需要對高速列車的關鍵物理力學問題進行分析和研究，本文就以此為主題進行了分析，主要對軌道平穩性問題、機車重量問題、主要零件損耗問題、空氣阻力問題、材料接觸力學等五大部分進行了分析闡述。

關鍵詞：高速列車；力學；物理

我國的高速鐵路發展起步較晚，但是發展迅速，目前已經達到世界先進水平。高速鐵路以其運行速度快、運行感受舒適、安全系數高等優點，快速在國內各個省份發展。并且，中國先進的高鐵技術已經走出國門，走向世界，在很多外國國家開展高鐵建設，為世界鐵路運輸做出巨大貢獻。目前，我國已經自主研發的高鐵機車“復興號”已經開始投入使用，相信不遠的將來，我國的高速鐵路機車會逐漸普及我國自主研發的“復興號”高鐵機車。在研制“復興號”高鐵機車的過程中，需要解決大量的復雜的技術問題，其中包括很多物理力學問題需要解決，本文對高速列車的關鍵物理力學問題進行分析，請不同意觀點者批評指正。

1 軌道平穩性問題

我們知道，高速鐵路軌道并非是一整條完整的鋼鐵，而是由短的鋼軌通過焊接的方式相連成一根長的鋼軌，那么，在鋼軌連接處會出現連接痕跡，可能存在一定的顛簸。由于我國高速鐵路運輸的速度普遍在300km/h以上，較高的運行速度對鋼軌的平穩性的要求更高，高速運行的列車對輕微的顛簸也會有很大的震動，因此，鋼軌的鋪設這對于鋼鐵焊接技術是一個不小的考驗。列車的平穩運行不僅對乘車舒適感有影響，還關乎乘客的乘車安全，通過軌道平穩感受能夠對列車的運行安全作出判斷，穩定的運行也對列車結構綜合性能和承載能力產生非常大的影響。因此，在高鐵列車不斷提速過程中，必須重視列車運行的平穩性問題，深入研究線路條件和基礎設施建設問題，并且提出配套的軌道養護方案，最大限度保障列車平穩運行。

在高速列車不斷提速的過程中，也要加強對線路的研究和改造。大量的實踐經驗和數據證明，有線軌道技術改造列車按照設計速度投入運行之后，行車的安全性是能夠得到保障的，這說明對線路的改造技術能夠達到行車安全和行車速度兩方面的要求。造成列車運行平穩失衡的原因有很多，包括線路設施建設缺陷，施工質量達不到標準并且后期很難進行補償，后期維護管理不到位等原因導致列車運行失穩。

2 機車重量問題

高速列車的機車重量對高鐵運輸也存在一定影響，質量比較輕的機車能夠降低摩擦，提高機車運行能源使用效率。高速列車機車輕量化在高速列車機車結構設計中屬于基礎性要求，質量較輕的機車能夠改善列車運行時的動力學性能。解決機車車身重量問題，需要考慮兩個方面的問題：一是使用材料的問題，另一個是結構強度設計問題。較輕的機車重量雖然能夠降低能源消耗，提高機車運行效率，但是對車體強度造成一定的消極影響，因此，對機車車身的強度、使用壽命及其可靠性綜合分析，才能保證高速列車的穩定運行。由于列車高速運行，車體的彈塑性強迫振動頻率和幅度會增大，導致疲勞破壞加速，因此，對于高速列車的車身質量需要進行研究。

3 主要零件損耗問題

在高鐵運行過程中，由于高速列車運行時常較長，服役時間較長，雖然大部分高速列車只有白天時段運行，夜晚時段進行檢修，但是高速列車的主要零部件仍然有較大的損傷，需要加強零部件的維護和檢修，才能保證列車的安全運行。只要存在摩擦就會導致磨損，高速列車由于運行速度快，承受的壓力較大，在運行中受到嚴重磨損。并且，鋼軌在列車運行中承受到的壓力更大，對鋼鐵性能提出了更高的要求，特別是鋼軌接縫處，由于長期經受高質量的列車運行的壓迫，更加容易產生變質和老化，對列車運行安全問題存在嚴重隱患。

4 空氣阻力問題

機車車身暴露在空氣中高速運行，需要抵抗較大的空氣阻力，并且隨著高速列車車速的不斷提高，列車遇到的空氣阻力也隨之增大，隨著高速列車運行速度的提升，列車所受到的空氣阻力與運行速度的二次方成正比，當運行車速達到250km/h時，全部阻力有75%80%；來源于空氣阻力，目前我國高速列車的運行速度大多在300km/h以上，因此，空氣阻力對列車運行的影響是非常嚴重的。并且，當列車在隧道中運行時，會遇到強大的壓力沖力，對行車安全造成威脅，因此，需要對高速列車空氣運動學進行研究。目前已經比較成熟的空氣動力學研究，比如飛起起飛前的空氣動力學和汽車運行過程中的空氣動力學在高速鐵路運行中的空氣動力學并不適用，高速列車的空氣動力學逐漸成為一個學科門類，培養更多的專業人才，解決高速鐵路空氣動力學問題。

5 材料接觸力學

高速列車運行過程中，與軌道的接觸面積比較小，但是列車載滿乘客時重量大大增加，對軌道的磨損比較嚴重，在列車運行與軌道接觸過程中會產生大量并且嚴重的摩擦，考慮到輪軌彈性及表面幾何不平順，需要對輪軌建立力學模型，對高速列車運行過程中機車與鐵軌的接觸力學進行研究，主要研究兩點接觸、非赫茲接觸等，通過對車輪尺寸及其實驗研究，驗證理論模型，綜合試驗研究結果，得出最具有代表性的低摩擦性能的鐵軌制造參數和車輪制造參數。并且對服役中的軌道及高速列車提出可行性保養措施，定期檢修列車機車性能及軌道平穩性能，保證機車運行安全穩定。

6 總結

隨著科學技術的不斷進步，高速列車的發展速度飛快，我國大部分地區已經通上了高速列車，高速列車網絡的覆蓋面積逐漸增大，為我國經濟發展起到了很大的促進作用。本文針對高速列車關鍵物理力學問題進行了分析，以此能夠提升高速列車的運行穩定性和安全性。

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