1、高速列車安全服役關(guān)鍵基礎(chǔ)問題研究 2009年主要內(nèi)容一.國家重大需求分析及擬解決的 關(guān)鍵科學(xué)問題二.主要研究?jī)?nèi)容和預(yù)期目標(biāo)三.總體研究方案和創(chuàng)新點(diǎn) 四.工作基礎(chǔ)和研究條件一. 國家重大需求分析及擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問題發(fā)展高速鐵路是國家需求 4.18鐵路大提速250km/h高速鐵路 13億人口和960萬平方公里國土的需求 能源、環(huán)保、和諧、可持續(xù)發(fā)展的要求 高速列車國家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要 優(yōu)先主題 高速軌道交通高速鐵路路網(wǎng)規(guī)劃速度目標(biāo)250350km/h建設(shè)計(jì)劃2010年：7000公里2020年：12000公里世界高速鐵路1964年，6400公里中國高速鐵路的大國、高速技術(shù)的強(qiáng)國中國5年

2、世界40年（2004年1月20日通過）“速度”是交通的靈魂 飛機(jī)鐵路城軌公路0100200300400500600700800900真空管道磁懸浮磁懸浮水運(yùn)速度 / km/h軌道交通發(fā)展趨勢(shì)客運(yùn)高速化貨運(yùn)快捷、重載城際交通公交化高速磁懸浮城市軌道交通提速和高速列車200km/h動(dòng)車組擺式列車1997年4月1日中華之星321.5km/h2002年11月重載列車萬噸列車磁懸浮列車無接觸，無磨耗，使用成本低高溫超導(dǎo)低速常導(dǎo)高速常導(dǎo)城市輕軌線性驅(qū)動(dòng)廣州獨(dú)立輪對(duì)低地板大連單軌列車重慶低速磁懸浮上海北京、上海、廣州深圳、南京、武漢成都、杭州、哈爾濱鐵路的發(fā)展完成“八縱八橫”路網(wǎng)建設(shè)。以北京、上海、廣州為中

3、心的提速客運(yùn)網(wǎng)300500km左右實(shí)現(xiàn)“朝發(fā)夕至”12001500km左右實(shí)現(xiàn)“夕發(fā)朝至”20002500 km左右實(shí)現(xiàn)“一日到達(dá)”。在建9條客運(yùn)專線，里程3000多公里，最高設(shè)計(jì)速度350km/h。“十一五規(guī)劃”存在問題提速、高速、城軌 安全問題脫軌鋼軌波浪型磨耗、壓潰和接觸疲勞裂紋車軸冷切斷裂（每年幾十次）結(jié)構(gòu)疲勞火災(zāi) 1998 年德國高速列車脫軌101人死亡，88人重傷。2002年美國快速列車發(fā)生脫軌，死傷160余人。2003年日本特快列車脫軌死傷：約60人。高速列車脫軌我國的脫軌事故2005年7月14日遼寧撫順列車脫軌2005年8月28日隴海線列車脫軌 2005年3月17日從貴州興義開

4、往廣西南寧的一列貨運(yùn)列車脫軌事故 2005年5月11日一列火車在寶成鐵路發(fā)生脫軌事故 2005年7月29日資中火車站貨場(chǎng)發(fā)生一起列車出軌事故 2005年8月1日一運(yùn)煤列車在東營境內(nèi)發(fā)生脫軌事故 2005年 7月31日由西安至長(zhǎng)春的K127次列車，在哈大線上四節(jié)車廂脫軌， 2004年08月29日北京地鐵列車脫軌2005年10月13 日長(zhǎng)春輕軌列車發(fā)生脫軌事故脫軌事故頻繁地鐵事故恐怖事件莫斯科莫斯科地鐵爆炸案，造成38人死亡，101人受傷的悲劇。 韓國韓國東部城市大邱市地鐵縱火災(zāi)難，造成至少130人死亡、99人失蹤的慘劇， 英國倫敦發(fā)生多起地鐵和公共汽車自殺式爆炸，警方已確認(rèn)死亡人數(shù)為56名。 結(jié)

5、構(gòu)破壞軸箱處斷裂：翻車!軸箱斷軸開裂后 果 第一批提速車，sh160，sw160， cw160，ss8，z8g等均產(chǎn)生嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)可靠性問題而淘汰。200km/h等級(jí)高速列車SH200，“藍(lán)箭”、“大白鯊”也存在大量可靠性問題。廣州、上海地鐵列車轉(zhuǎn)向架出現(xiàn)類似的問題。導(dǎo)致鐵道部對(duì)200km/h以上等級(jí)機(jī)車車輛全部采用進(jìn)口。嚴(yán)重影響行車安全我國2020年交通科技發(fā)展戰(zhàn)略 軌道交通最基本的要求是安全。安全是軌道交通研究的永恒課題 提出具體的科技目標(biāo)：通過技術(shù)進(jìn)步，降低交通事故死亡率，減少與交通運(yùn)輸有關(guān)的經(jīng)濟(jì)損失，形成較為完善的應(yīng)急體系，具備對(duì)重大災(zāi)害及突發(fā)事件處理的能力。安全運(yùn)行是高速鐵路的根本41

6、1120064052005341120043352003371320025611200160152000572119995129199846181997險(xiǎn)性事故重大事故年度 合計(jì) 139次 455次高速列車的安全服役依靠誰中國5年=世界40年可行？安全？高速技術(shù)？引進(jìn)技術(shù),消化吸收,再創(chuàng)新基礎(chǔ)研究？靠自己系統(tǒng)集成？靠自己安全保障？靠自己高速列車的安全服役依靠誰需要從源頭上開展創(chuàng)新研究，解決基本科學(xué)問題 某動(dòng)車組輪重減載率超過限值提出線路平順性的要求保證安全性無法回避的現(xiàn)實(shí)：鋼軌波浪型磨損百年不解我國換鋼軌80億/年結(jié)構(gòu)疲勞事故不斷英國1999/2000年度斷軌近千次列車脫軌無法準(zhǔn)確評(píng)判（德、法

7、、日）高速脫軌世界高速鐵路歷經(jīng)40年發(fā)展脫軌事故的影響因素性能失效人為環(huán)境災(zāi)害204060高速帶來的安全問題不平穩(wěn)不穩(wěn)定疲勞摩擦磨損接觸疲勞失效脫軌相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的提高振動(dòng)的加劇線路接觸網(wǎng)氣流速度帶來的基礎(chǔ)問題線路車輛受電弓接觸網(wǎng)氣流的相互作用明顯加劇大系統(tǒng)的耦合振動(dòng)流固耦合振動(dòng)（氣流：阻力、顛覆列車）結(jié)構(gòu)彈塑性振動(dòng)復(fù)雜非線性系統(tǒng)穩(wěn)定性高速脫軌（跳軌）諸多假設(shè)不復(fù)存在多剛體、彈性和線性、靜態(tài)和穩(wěn)態(tài)車線耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)輪軌滾動(dòng)接觸模型J. J. Kalker穩(wěn)態(tài)、彈性脫軌評(píng)判準(zhǔn)則Nadal（1896年）穩(wěn)態(tài)多剛體假設(shè)車線耦合動(dòng)力學(xué)模型翟孫模型柔性體剛性體連續(xù)體離散體堆積體彈性體流體高速鐵路系統(tǒng)高速列

8、車耦合大系統(tǒng)動(dòng)力學(xué) 擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問題1. 高速輪軌系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為與性能演變規(guī)律2. 復(fù)雜運(yùn)動(dòng)和多場(chǎng)作用下結(jié)構(gòu)復(fù)合失效機(jī)制與相互演化規(guī)律3. 高速脫軌機(jī)理及其邊界特性的影響規(guī)律高速列車安全服役高速列車耦合大系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論國外研究計(jì)劃英國1999/2000年度斷軌事故為949次，為此英國投入1億英鎊研究對(duì)策，以期突破。美國啟動(dòng)鐵路服役可靠性項(xiàng)目TRAIN II， 在過去20年間投資200億美元用于鐵道設(shè)施的改進(jìn)，從而使事故率降低了74%。歐洲2004年2月1啟動(dòng)了稱為MODTRAIN的鐵路研究項(xiàng)目，總預(yù)算投資3.04億。 日本1995年開發(fā)了新干線計(jì)算機(jī)安全-維修-運(yùn)營系統(tǒng)(COSMOS)。國

9、外研究的特點(diǎn)重運(yùn)營安全-維修-運(yùn)營 重可靠性可靠性、維修性和有效性(RAM)重管理系統(tǒng)管理和網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)重軟件分析動(dòng)力學(xué)與有限元設(shè)計(jì)分析重經(jīng)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)分析 基礎(chǔ)研究機(jī)理和機(jī)制的研究成果不多匯 報(bào) 提 綱一.國家重大需求分析及擬解決的 關(guān)鍵科學(xué)問題二.主要研究?jī)?nèi)容和預(yù)期目標(biāo)三.總體研究方案和創(chuàng)新點(diǎn) 四.工作基礎(chǔ)和研究條件科學(xué)問題1. 高速輪軌系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為與性能演變規(guī)律復(fù)雜系統(tǒng)建模系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為服役過程模擬系統(tǒng)性能演變二. 主要研究?jī)?nèi)容和預(yù)期目標(biāo)科學(xué)問題2. 復(fù)雜運(yùn)動(dòng)和多場(chǎng)作用下結(jié)構(gòu)復(fù)合失效機(jī)制與相互演化規(guī)律高速滾動(dòng)輪軌高速滑動(dòng)弓網(wǎng)緊配合微動(dòng)輪軸結(jié)構(gòu)振動(dòng)構(gòu)架力熱磁電磨損疲勞燒蝕腐蝕失效機(jī)制二. 主要研

10、究?jī)?nèi)容和預(yù)期目標(biāo)科學(xué)問題2. 復(fù)雜運(yùn)動(dòng)和多場(chǎng)作用下結(jié)構(gòu)復(fù)合失效機(jī)制與相互演化規(guī)律損傷失效機(jī)制不同失效共存競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制 復(fù)雜運(yùn)動(dòng)表征材料設(shè)計(jì)方法 二. 主要研究?jī)?nèi)容和預(yù)期目標(biāo)科學(xué)問題3. 高速脫軌機(jī)理及其邊界特性的影響規(guī)律動(dòng)態(tài)脫軌機(jī)理服役安全域脫軌充要條件二. 主要研究?jī)?nèi)容和預(yù)期目標(biāo)邊界特征表征線路橋梁風(fēng)地震建立高速列車耦合大系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論掌握高速列車的動(dòng)態(tài)行為和高速脫軌機(jī)理揭示不同運(yùn)動(dòng)模式和多場(chǎng)耦合作用的失效機(jī)制穩(wěn)定一支高水平、高素質(zhì)的鐵路基礎(chǔ)科學(xué)研究隊(duì)伍二. 主要研究?jī)?nèi)容和預(yù)期目標(biāo) 保證我國高速鐵路的快速發(fā)展和安全服役匯 報(bào) 提 綱一.國家重大需求分析及擬解決的 關(guān)鍵科學(xué)問題二.主要研究?jī)?nèi)容和預(yù)

11、期目標(biāo)三.總體研究方案和創(chuàng)新點(diǎn) 四.工作基礎(chǔ)和研究條件五.研究隊(duì)伍和學(xué)術(shù)骨干1. 技術(shù)路線三. 總體研究方案和創(chuàng)新點(diǎn)系統(tǒng)建模服役模擬系統(tǒng)行為多場(chǎng)作用失效機(jī)制脫軌機(jī)理邊界條件安全服役載荷模擬運(yùn)動(dòng)方式模擬強(qiáng)外場(chǎng)和環(huán)境模擬零部件試驗(yàn)輪 軌弓 網(wǎng)輪 軸構(gòu) 件高速滑動(dòng)緊配合微動(dòng)高速滾動(dòng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)動(dòng)態(tài)行為改善服役工況在線檢測(cè)脫軌預(yù)防失效鏈影響度服役模擬脫軌機(jī)理試驗(yàn)技術(shù)仿真技術(shù)載荷譜高速輪軌系統(tǒng)實(shí)物試驗(yàn)運(yùn)行邊界模擬電、磁場(chǎng)溫 度 場(chǎng)環(huán) 境力 場(chǎng)風(fēng)載荷地震波線路狀態(tài)失效機(jī)制 研究方案框圖 材料失效模型結(jié)構(gòu)損傷模型參數(shù)時(shí)變模型數(shù)學(xué)模型輪軌滾動(dòng)弓網(wǎng)滑動(dòng)輪軸微動(dòng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)課題6：高速脫軌機(jī)理及控制課題1：高速輪軌系統(tǒng)的

12、動(dòng)態(tài)行為與性能演變規(guī)律課題2：高速輪軌滾動(dòng)失效機(jī)制及優(yōu)化匹配課題3：高速弓網(wǎng)載流滑動(dòng)失效機(jī)制與材料設(shè)計(jì)課題4：多模式耦合復(fù)雜微動(dòng)失效機(jī)制及防護(hù)課題5：復(fù)雜載荷下金屬材料的超高周(Gigacycle)疲勞損傷機(jī)理及壽命預(yù)測(cè)2. 課題設(shè)置三. 總體研究方案和創(chuàng)新點(diǎn)科學(xué)問題1科學(xué)問題3科學(xué)問題2課題關(guān)系三. 總體研究方案和創(chuàng)新點(diǎn)課題1課題2/3/4/5課題6服役載荷失效模型脫軌模型服役條件安全性課題1：高速輪軌系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為與性能演變規(guī)律 建立復(fù)雜多體多態(tài)的輪軌系統(tǒng)模型 開展服役過程模擬性能演變過程廣義失效過程（材料、結(jié)構(gòu)、參數(shù)、性能） 掌握動(dòng)態(tài)行為與性能演變規(guī)律三. 總體研究方案和創(chuàng)新點(diǎn)課題2：高

13、速輪軌滾動(dòng)失效機(jī)制及優(yōu)化匹配 三. 總體研究方案和創(chuàng)新點(diǎn)建立高速輪軌彈塑性滾動(dòng)接觸力學(xué)模型 揭示高速輪軌失效機(jī)制 波浪形磨損、滾動(dòng)接觸疲勞機(jī)制磨損和疲勞競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制提出高速輪軌磨損和疲勞預(yù)防與減緩措施 課題3：高速弓網(wǎng)載流滑動(dòng)失效機(jī)制與材料設(shè)計(jì) 三. 總體研究方案和創(chuàng)新點(diǎn)揭示力、電、熱和自然環(huán)境耦合下弓網(wǎng)的摩擦磨損規(guī)律 掌握電弧形成和燒蝕機(jī)制 提出弓網(wǎng)材料匹配關(guān)系和材料設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 課題4：多模式耦合復(fù)雜微動(dòng)失效機(jī)制及防護(hù) 三. 總體研究方案和創(chuàng)新點(diǎn)揭示特殊微動(dòng)模式的界面動(dòng)力學(xué)特性及運(yùn)行機(jī)理 建立不同微動(dòng)模式接觸界面損傷機(jī)理及磨損與疲勞競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系 提出抗微動(dòng)失效的表面工程設(shè)計(jì)原理 課題5：復(fù)雜載荷下金屬

14、材料的超高周(Gigacycle)疲勞損傷機(jī)理及壽命預(yù)測(cè) 三. 總體研究方案和創(chuàng)新點(diǎn)建立變幅載荷和沖擊載荷作用下材料的超高周疲勞斷裂行為和損傷模型 提出材料的超高周疲勞可靠性設(shè)計(jì)和壽命預(yù)測(cè)方法 課題6：高速脫軌機(jī)理及控制 三. 總體研究方案和創(chuàng)新點(diǎn)揭示高速脫軌機(jī)理和充要條件 掌握邊界特性對(duì)高速列車脫軌的影響規(guī)律 軌道譜、線橋特性、風(fēng)載荷、地震波確定高速運(yùn)行的安全域提出高速脫軌評(píng)判方法和預(yù)防控制方法 高速列車耦合大系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論輪軌關(guān)系弓網(wǎng)關(guān)系流固耦合關(guān)系高速重載服役條件下的材料多場(chǎng)耦合復(fù)合失效機(jī)制輪軌滾動(dòng)摩擦與接觸疲勞機(jī)制電弧燒損與滑動(dòng)摩擦機(jī)制復(fù)合微動(dòng)疲勞機(jī)制三. 總體研究方案和創(chuàng)新點(diǎn)匯 報(bào)

15、提 綱一.國家重大需求分析及擬解決的 關(guān)鍵科學(xué)問題二.主要研究?jī)?nèi)容和預(yù)期目標(biāo)三.總體研究方案和創(chuàng)新點(diǎn) 四.工作基礎(chǔ)和研究條件五.研究隊(duì)伍和學(xué)術(shù)骨干牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室材料先進(jìn)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室軌道交通國家實(shí)驗(yàn)室西南交通大學(xué)四、研究條件和工作基礎(chǔ)牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（優(yōu)秀國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）人才的優(yōu)勢(shì)2名院士，4個(gè)特聘教授，4名杰出青年，7名跨世紀(jì)人才，4名優(yōu)秀博士論文獲得者群體優(yōu)勢(shì)2004年教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，2005年國家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體四、研究條件和工作基礎(chǔ)機(jī)車車輛整車模擬運(yùn)行試驗(yàn)臺(tái)和零部件失效試驗(yàn)臺(tái)先進(jìn)的材料微結(jié)構(gòu)檢測(cè)和分析設(shè)備 設(shè)備的優(yōu)勢(shì)四、研究條件和工作基礎(chǔ)機(jī)車車輛整車滾動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)目前世界上規(guī)模最大、功能最強(qiáng)、唯一可以進(jìn)行曲線模擬的機(jī)車車輛運(yùn)行模擬試驗(yàn)臺(tái)國家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)四、研究條件和工作基礎(chǔ) 成果的優(yōu)勢(shì)序號(hào)項(xiàng)目名稱獲獎(jiǎng)級(jí)別獲獎(jiǎng)時(shí)間相關(guān)性1機(jī)車車輛整車滾動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)國家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1999課題22鐵道機(jī)車車輛軌道耦合動(dòng)力學(xué)理論體系、關(guān)鍵技術(shù)及工程應(yīng)用國家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)2005課題1課題63微動(dòng)摩擦學(xué)研究國家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)2006課題44牽引供電自