傾情助力中國高速動車組的發展——記西南交通大學牽引動力國家重點實驗室動力學與強度研究團隊

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。中國高鐵經歷了從“跟跑”“并跑”再到“領跑”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牽引動力國家重點實驗室的創新故事與助推中國高鐵及軌道交通產業的飛速發展休戚相關。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的交響曲。這里有針對機車車輛動力學和結構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，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。

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

助力“復興號”跑出最高速

高速列車滾振試驗

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權、達到世界先進水平的中國標準動車組“復興號”由北京南站和上海虹橋站雙向首發。2012年年底開始研發、2014年完成方案設計、2015年下線、2017年正式亮相，“復興號”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，曾京教授領導的動強組就在中國鐵路總公司統一領導下，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合攻關，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方面的系統研究和持續攻關，他們系統梳理“和諧號”動車組運行中出現的與動力學有關的各類問題，尋找解決方案，提出提高“復興號”動車組運行速度的措施，有力支撐了最復雜的走行系統的自主創新。在國內外最先進的滾動振動試驗臺上對“復興號”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）的結構振動試驗臺上，宋燁博士完成了對動車及拖車轉向架構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向架動力學和車下懸吊設備的120萬公里跟蹤試驗以及車體和構架工作模態試驗，為“復興號”動車組的長期安全平穩運行提供了理論與試驗支撐。可以說，“復興號”動車組的研制成功進一步奠定了西南交通大學在高速動車組系統動力學和結構可靠性研究方面的重要地位。

正像習近平總書記說的，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，面向鐵路建設主戰場開展科學研究，腳踏實地，勇于創新，為“復興號”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，其兩次被評為優秀國家重點實驗室，被評價為構建了軌道交通裝備現代化發展的應用基礎研究平臺，有力支撐了我國鐵路提速和高速的發展，在學科發展和趕超世界先進水平方面發揮了重要的引領和示范作用。實驗室旨在瞄準軌道交通領域的國際前沿，把握技術發展趨勢，以高速列車、重載列車、磁浮列車和城市軌道車輛為核心，開展基礎理論研究、關鍵技術創新和系統集成創新，為現代軌道交通的發展提供基礎理論和創新技術支持。實驗室主要研究方向為軌道車輛設計理論、輪軌關系、動力學及可靠性研究，新型軌道車輛和牽引傳動等新技術開發，以及檢測和試驗技術等。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科在全國學科評估中連續4次排名第一。

在平臺建設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實驗室又組建起了一支老中青相結合的高素質研究隊伍。瞄準軌道交通領域的國際前沿，根據軌道交通發展趨勢和技術特點，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理論和技術創新研究，在列車系統動力學、輪軌關系、弓網關系、流固關系、疲勞可靠性、磁懸浮技術、牽引傳動技術及檢測和試驗技術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理論、技術創新和檢測技術的研究工作，支撐了我國高速列車的創新設計，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，在沈志云院士的關心下，在張衛華教授、王開云研究員兩任主任和其他領導的大力支持下，如今已發展成有26位老師、20名專業技術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余年的專業研究，動強組從事系統動力學研究已有30余年。

動強組團隊無論是規模還是科研經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，構建了仿真分析、實驗室臺架試驗和線路試驗閉環研究體系，在設計階段進行動力學仿真分析，優化和確定懸掛系統參數；在樣機研制完成后進行臺架試驗，驗證理論分析，發現問題并進行改進，再進行線路試驗。團隊開展了一系列理論研究和技術創新研究，所做工作有力地支撐了我國軌道交通車輛的發展，是我國機車車輛動力學研究的領頭羊。

“雖然我們也做了一些新型城軌車輛的研究，但有創新的代表性的成果主要還在高速列車上。”曾京說，要對高速列車進行性能預測首先要建立一個非常精確的動力學模型，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性能的演化分析評估技術上，團隊做了一些創新工作，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性能及演化規律和性能的退化機制。另外，考慮到穩定性不夠列車會被降速的問題，在實現列車運動穩定性技術提升方面團隊也做了相關研究，因為掌握了列車在復雜服役環境下的演化規律，所以團隊在此基礎上，提出了以改善輪軌接觸關系為目標的車輪踏面的優化設計方法，提高了車輛運動穩定性。除此，在運行安全性和平穩性技術提升方面，團隊還研制了無損的輪軌作用力的連續測量技術，可以實現對運營時輪軌的連續測量和對脫軌安全性的監測。通過開展這三方面工作，團隊實現了高速列車在長期服役運行中平穩性、安全性的全面提升。

在動力學仿真分析方面，團隊主要進行高速轉向架懸掛參數優化、輪軌匹配關系以及動力學性能預測，完成了我國各系列動車組如“和諧號”CRH2、CRH3、CRH5、CRH380和“復興號”CR300、CR400等的動力學分析及懸掛參數優化，支撐了我國高速轉向架的創新設計。在臺架試驗方面，利用整車滾動振動試驗臺進行臨界速度、運行平穩性、振動模態等的測試，開展了各型動車組動力學性能的比選和優化及故障狀態安全評估，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。據統計，測試規模已達3000多個通道，折算運行里程累計8000萬公里，測試數據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。

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測，進而提出一些避免問題發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象模擬出來，然后去改變列車的一些相應參數，避免抖動發生；另外，我們還可以從改善輪軌接觸關系的角度來解決問題，設計出的新型車輪踏面，目前已在數百列動車組上安裝，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，持續運營的話，由于激擾頻率比較固定，容易導致輪軌系統共振，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。”

作為國內動力學研究領域一支強勁的科研隊伍，動強組團隊不僅關注著列車運營中出現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，以及國家自然科學基金項目、國家自然科學高鐵聯合基金項目、原鐵道部科技研發計劃項目、中國鐵路總公司科技研發計劃項目等，針對更高速度等級動車組轉向架關鍵技術及裝備、智能高速列車系統關鍵技術及樣車、高速列車輪軌型面匹配與蛇行運動機理、380km/h以上高速輪軌關系深化研究、動車組防脫軌安全技術、高速列車輪軌型面匹配優化及適應性和高速動車組轉向架主動懸掛控制理論等問題開展了持續攻關，所做的大量開創性工作有力支撐了我國“和諧號”和“復興號”動車組的研制和安全運營。

因貢獻突出，研究成果“機車車輛-軌道耦合動力學理論體系、關鍵技術及工程應用”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用”獲2006年度國家科技進步獎二等獎，“高速列車系統動力學理論及其應用”獲2008年中國鐵道學會科學技術獎一等獎，“疲勞斷裂可靠性理論研究及在典型結構中的應用”獲2009年四川省科技進步獎一等獎，“高速列車動力學性能設計、優化與驗證”獲2013年中國鐵道學會科學技術獎一等獎。

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都是在試驗臺上經過千錘百煉的結果。所以要讓世界見證中國高鐵創造的一個又一個新的奇跡，作為它的塑造者只能躬身實干、風雨兼程。

奮楫揚帆 逐夢前行

動強組非常重視創新型人才隊伍的建設。曾京說，團隊中聰明的學生不少，但成為人才可能更需要對專業、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，還要有發現問題、解決問題的能力，有創新精神的同時，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。

動力學與強度研究團隊

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。除承擔了菲律賓、伊朗、泰國、印度、巴西的車輛動力學試驗及安全性試驗外，還與一些國外的大學和企業開展了理論及技術方面的合作研究。通過國家自然科學基金國際合作交流項目，在高速列車關鍵部件的監測和健康評估關鍵技術研究上，團隊正與英國哈德斯威爾大學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，與瑞士因特弗利特科技公司開展合作，團隊克服了傳統測量技術中的一些缺陷，掌握了無損無線連續測量技術，實現了技術水平與國外同步、在國內領先，并且技術已應用到國內的高鐵和地鐵相關測量中。

疫情是挑戰，也是機遇。2020年9月，中車大連出口尼日利亞的內燃動車組按計劃要到阿布賈現場做動力學型式試驗，黃立和李濤兩位老師帶領測試人員，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，王建斌、李大地、屈升他們挑燈夜戰，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，完成6條測力輪對的制作，按期發往澳大利亞。每一次面向西方發達國家的試驗項目都是對標國際權威的測試機構，都是挑戰最高水平測試技術，幾場硬仗下來，動力學型式試驗能力可以說是和國際接軌了，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，中車企業也沒有因此讓西方國家所謂的鐵路認證機構的權威難住。

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，后續各種型號動車組運行的安全性、可靠性、經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注這方面的研究，在課題組每周例會上，首要任務是對動車組現場測試結果進行討論，就像給動車組看病，要及時總結規律發現問題，提出整改措施以保運用安全，在這方面，戴教授不愧為經驗豐富的“老中醫”。

為了進一步提高高速鐵路運營速度，我國也將研究時速400公里的動車組技術提上了日程。如何攻克節能、減振、降噪、制動等技術難題，實現安全穩定、節能環保、平穩舒適、經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科研工作者面前的新問題。

為應對挑戰，在時速400公里動車組轉向架關鍵技術研究上，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公里高速列車轉向架的一些相關研究工作；在高速列車轉向架主動半主動懸掛技術這一未來主要發展方向的研究上，團隊計劃將原來不可改變的被動懸掛參數變成可變的，根據高速列車實際運行情況實時調整參數，使高速列車能適應不同的運營環境；在輪軌關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向架狀態監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工作。

奮楫揚帆，逐夢前行。雖然未來充滿挑戰，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。