世界铁路发展状况及其关键力学问题.doc

世界铁路发展状况及其关键力学问题一全国结构工程学术会议特邀报告一 摘 要：论述了世界部分发达国家和我国铁路发展情况、铁路运输的优点及其在经济建设中所发挥的作用。介绍了世界发达国家和我国铁路发展历史和未来轨道交通发展方向。详细讨论了现有铁路运输存在的问题和未来高速铁路亟待解决的关键力学问题。它们主要是：(1) 弓网/列车/轨道(桥梁)大系统耦合动力学； (2) 车辆结构强度和可靠度问题：(3) 轮轨关系(脱轨、粘着、滚动接触疲劳和波浪形磨损、轮轨噪声)：(4) 高速列车弓网动力学和高速受流条件下摩擦磨损：(5) 轨道结构关键力学和严酷环境下轨道工程破坏问题。这些问题直接危及到行车的安全和运行品质。并提出今后解决这些问题的主要方向。 关键词：高速铁路 安全 轮轨滚动接触 轨道 弓网系统力学 1世界铁路发展历史和未来 1825年9月27日，世界上第一条铁路在英国Stockton和Darlington之间开通，利用蒸汽机车牵引列车，最初的速度为4.5 hl/h，后来达到24l(m/h，运行距离为36 km。铁路运输远远早于汽车运输。到了191世纪末20世纪初，铁路运输业进入第一个兴旺发达时期。全球铁路总长超过120万公里1。进入20世纪以后，汽车、航空、水运和管道运输迅速发展，汽车的短途客货运输量逐渐超过了铁路运输量。尤其是高速公路网的形成，不仅吸引了大量的中短途旅客，而且大型集装箱的运输能快捷方便的达到目的地。各国铁路客货运输量逐年下降趋势，尤其是发达国家出现了大幅度下降，连年经营亏损。当然，这里不排除国家统管铁路机制条件下的管理不善和过于将铁路作为全社会福利和公益性利益的原因。到了20世纪50年代，在发达国家铁路运输业成了夕阳产业。 1964年10月，日本建成世界第一条现代化高速铁路东海新干线，运营速度为210-230 km/h。这条高速线在几十年的运营中，吸引了东京至大阪90的乘客，列车运行时间误差低于1分钟，耗能为汽车的1/5，无废气排放，取得了举世瞩目的成就1。由此，铁路运输尤其高速铁路运输引起世界各国的高度重视。近二十年来，一些经济技术发达国家相继修建了高速铁路。日本继东海新干线后，又建成山阳、上越、东北等新干线，总长度达1835公里。目前，日本高速列车客运量为世界之最，2000年客运周转量为712亿人公里。1983年法国开通第一条现代化高速铁路-巴黎东南新干线，最大运营速度为270 km/h，1989年建成大西洋干线，最高运营速度300 km/h。法国现已建成高速铁路1281公里，高速列车TGV运行速度为300050公里，最高试验速度为515.3公里，他们计划修建连接邻国的高速铁路网总长达4500公里以上：意大利的高速铁路已初步形成网；德国从1985年开始研究ICE高速列车，1991年投入运营，已有高速铁路700多公里，ICE高速列车最高运行速度达330 km/h。1991年瑞典开通了X2000摆式列车，1992年，西班牙引进法、德两国的技术建成了471公里长的马德里至塞维利准高速铁路。1994年英吉利海峡隧道把法国与英国连接在一起，开创了第一条高速铁路国际联接线。1997年，从巴黎开出的“欧洲之星”又将法国、比利时、荷兰和德国连接在一起，很快对该区间的航空运输形成了强大的竞争力，“欧洲之星”的客运份额就占了602。2001年开通巴黎至马赛740 km的TGV高速线，旅行时间只要3小时。穿越法意边界的阿尔卑斯山的长达52.7 km隧道，已于2002年五月开工，预计2012年建成开通，则阿尔卑斯山就不再成为发展欧洲高速铁路网的障碍。 在西欧国家，目前初步形成了高速铁路网，到2000年，欧洲高速客运量已接近日本的水平。西欧国家计划在15002000 km范围内夜间开行高速货运列车。到2010年，西欧铁路将超过6000 km，2020年增加到10000 km2。 目前世界20多个经济技术发达国家正在修建和筹建高速铁路线总共46条3总长约8000公里。 所以铁路世界运输业又进入了新的高峰发展时期。 高速铁路速度目标值一直在提高。过去运营速度已上了两个台阶4。20世纪60年代到80年代初，列车速度由2lO km/h提高到250 kn4h以上，80年代中到90年代末，列车速度由250 km/h提高到300 km/h。到现在为止，国际上高速列车和线路运行速度达到350 km/h已是成熟的技术。许多国家即将修建的高速铁路大多瞄准这个目标值。 铁路运输另一个发展方向是：货物重载5。在高速客运取得成功不久，世界许多国家发展铁路重载运输技术。20世纪70年代，美国、加拿大和墨西哥三国进行了大规模路网合理化改造和建设，消除运营壁垒，完成一体化进程，同时开始发展以提高轴重、加大列车编组数量为特征的重载技术。通过开行了重载单元列车提高运输能力，降低了运输成本，提高了生产效率。从1980年到1999年，重载运输成本降低了65，铁路货运在全部货运市场占有份额从37.5增加到40.3，2000年增加到41，事故率降低了64，目前北美一级重载铁路货运已达到历史上货运收入最高水平81亿美元。1973年澳大利亚采用了重载运输技术后，劳动生产率逐年提高，成本逐年下降。2000年与1980年相比，燃油消耗下降了43，每100万吨矿石运输所需人力从30人下降到5人，劳动生产率高达6000万吨公里/人，居世界之首。机车车辆利用率提高了36。2000年，澳大利亚BHP矿山公司年利润达500亿澳元。2001年6月，BHP公司开行了总达99734吨重载列车，用8台机车牵引682辆运煤敞车，全长达7300m，创造了重载列车世界之最。南非在上世纪70年代末开始采用重载技术，2000年与1980年比，两条主要重载线铁矿运量分别从900万吨提高到2600万吨和1900万吨提高到6800万吨。其它国家，如瑞典、巴西、挪威、俄罗斯和印度在重载铁路技术研究和应用方面也取得快速进展。由于铁路采用了重载运输技术取得了良好的效益，1986年7月，在澳人利亚召开了第一届国际重载铁路技术、运营和管理方面的会议，200多名专家出席了会议，会上气氛热烈，专家们对大陆国家发展铁路重载运输给予了充分的肯定。现在国际重载委员会每隔4年召开一次国际铁路重载技术交流会。这充分说明了铁路重载运输在经济建设中所发挥的作用。在本世纪，北美、澳大利亚重载铁路的轴重将普遍采用33吨，甚至35吨。美国正在试验39吨轴重的可行性。 目前，缓解世界许多国家大中城市交通拥挤堵塞状况的另一个有效措施是城市轨道交通。这些轨道交通类型目前有8：(1) 城市市郊快速铁道：(2) 地下铁道；(3) 轻轨交通；(4) 单轨交通；(5) 新交通系统(由电器牵引，具有特殊导向、操纵和转辙方式的胶轮车辆，单车和数辆编组运行在轨道梁上的轨道运输系统。) (6) 线性电机牵引的轨道交通系统；(7) 有轨电车。城市轨道交通促进了城市向多中心发展，使城市的功能变得更加完善，商贸旅游变得更加活跃，有效地降低了城市污染和噪声。 从英国伦敦建成第一条地下铁道以来，地下铁道已有一百多年的历史9、10。地下铁道具有运量大、速度大、安全、准时等一系列优点。现在世界上已有44个国家和地区，115个城市修建了地下铁道，总运营线路6000多公里，主要集中在英国、法国、德国、瑞典、西班牙、俄罗斯、美国和日本，其运营里程占42。但由于地铁的建设费用庞大，建设周期长，许多城市难以建设这项工程。但有轨电车运输系统造价相对较低。上世纪世界许多大城市以有轨电车作为主要交通工具。1920年，英国拥有5000 km，1.4万辆有轨电车，美国拥有2.5万公里线路，前苏联莫斯科95以上的客运任务是由有轨电车来承担的。日本到1955年，拥有有轨电车线路1436km。在欧洲和我国的主要大城市，也建成有轨电车线路。后来，由于汽车工业的发展、普及以及使用的灵活性和方便，逐步取代有轨电车。但过度地发展汽车交通，导致大中城市汽车流量大，几乎所有的道路拥挤不堪，汽车排放大量二氧化氮，严重污染城市环境。人们不得不寻求发展城市新的交通途径。在德国，首先改造城市有轨电车，考虑城市的已有的建筑和发展，部分线路可移植地下。这种线路叫做“半地铁”或“准地铁”或“过渡地铁”。在加拿大叫做“轻型快速轨道交通”，在日本叫做“轻快电车”。这种交通系统在全世界范围内得到较快的发展。1978年国际公共交通联盟正式命名为Light Rai l Transit。 2 我国铁路发展历史和未来 中国铁路建设起步较晚。1881年，由清政府洋务派的主持修建的唐山至胥各庄铁路，成为中国的第一条铁路。唐胥铁路自唐山起至胥各庄(今丰南县)止，全长9.7公里。采用1435毫米的轨距和每米15公斤的钢轨。这条铁路是为了开发开平煤矿，在清政府洋务派主持下，由开平矿务局负责集资修建。1 886年，成立开平铁路公司，收买唐胥铁路后开始独立经营铁路业务。开平铁路公司是中国自办的第一个铁路公司。1887年，唐胥铁路展筑至芦台，1888年展筑至天津，1894年天津至山海关间通车，改称津榆铁路。1881年6月9日中国制造出第一辆蒸气机车-叫做“龙号”。旧中国铁路建设混乱落后，各帝国主义国家在华修建的铁路与官办、商修的铁路标准不一，装备杂乱，铁路的安全状况很差。 1949年，只有2.2万公里的铁路，其中由中国自己修建的铁路不足40，而且近一半由于战争破坏而处于瘫痪状态，能通车的只有1万多公里，并且事故不断。中华人民共和国成立后，中央人民政府铁道部统一管理全国铁路的运输生产、基本建设和机车车辆工业。1949年一年共抢修恢复了8278公里铁路。到1949年底，全国铁路营业里程共达218l0公里。 1966年到1980年，相继建成贵昆、成昆、襄渝、焦枝、太焦、砂通等铁路干线，全国铁路营运里程增加到52479公里。“六五”期间以旧线改造为主，提高了晋煤、豫煤外运能力，加强了沿海港口后方铁路的运输能力。“七五”期间，开展了“南攻衡广，北战大秦，中取华中”三大战役。进入20世纪90年代，以京九、南昆和浙赣、兰新复线等12项工程为重点展开的大会战，揭开了铁路历史性大发展新局面。到2001年全国铁路营业里程已达到7万多公里，是建国初期的3.2倍。2002年起，开始兴建青藏铁路。这样，我国各省、自治区、直辖市均有铁路通达，基本形成了横贯东西、沟通南北、联结亚欧、四通八达的铁路运营网络。 目前我国的铁路高速和重载技术的研究和运用与世界发达国家相比，要落后20到30年。1994年我国建成第一条深广准高速铁路，列车运营速度为160 km/h，开行摆式列车最高时速达200 km/h。2003年秦沈高速客运专用线建成，设计运营速度200220 km/h。1994年12月，我国生产的第一列内燃机车牵引、时速为160公里的准高速列车在广深线正式运营。2001年我国第一列交流传动动力分散动车组“先锋号”研制成功，试验时速292公里，2002年装备国产交直交传动系统的集中动力动车组“中华之星”研制成功，在秦沈客运专线的试验速度达到321.5km/h，拉开了我国高速列车发展的序幕。 1992年，我国第一条重载铁路大同至秦皇岛全线建成通车，全长653 km，单机牵引6千吨，双机牵引1万吨。当时煤运量为5500万吨/年，2002年年运量达10340万吨/年。大秦线目前已达到了当时的设计运量，运输能力基本饱和。而到2010年，大秦线源端地区煤的外运输量达2亿吨/6。因此大秦线的技术改造和大幅度提高运量势在必行。开行2万吨列车才能完成运煤任务。 我国铁路运输已基本形成网络，十年前平均客运速度在6080 km/h，货运平均速度低于60 km/h。从1997年至今，我国的主要干线经历了五次大提速，提速的范围基本覆盖了全国较大的城市和大部分地区，再加上已运营的深广准高速线和即将运营的秦沈准高速铁路，将要形成以北京、上海和广州为中心的三个提速圈，提速总里程达1.4万公里，提速干线旅客列车最高时速达160 km/h。但是由于国民经济的快速发展，我国的运输能力远远不能满足要求。运输难、乘车难、速度慢、设施旧和服务差仍然是铁路运输的主要问题。例如，目前我国铁路每日只能提供9万辆货车车皮，国家需要日装货运量为14万辆，运输能力远远不能满足要求。预计到2020年，铁路货运需求增加到现在的两倍，客运需求增加3倍，供需矛盾变得更加尖锐。所以，货运重载化和客运高速化是解决上述问题的有效途径，是国家现代化建设重要经济战略组成部分。 虽然改革开放以来，我国的航空运输和高速公路发展迅速，逐渐从铁路运输中分流了客货运量，并向铁路运输提出严峻的挑战。但对我国地域辽阔、人口密度大、资源贫乏和可用土地少的国家来说，在任何时候铁路运输是不可代替的。在“十五”期间，国家将要加大对铁路的投资力度，国家修建新线6000公里，复线3000公里，地方铁路1000公里；总投资3500亿7；筹建京沪高速铁路；将在全国建立“八纵八横”铁路网主骨架，形成以北京、上海、广州为中心的提速客运网。做到在300500公里范围内实现“朝发夕至”，12001500公里范围内实现“夕发朝至”，20002500公里内实现“一日到达”11。高速列车的运行速度达到200300 km/h，试验速度将达到350 km/h以上。图1表示我国铁路最高运营速度与世界铁路最高运营速度增加情况，显然有较大的差距。 我国大中城市人口密度大，必须吸取发达国家过度发展汽车交通导致城市交通堵塞和严重污染的教训。在“十五”期间，大中城市开始或计划修建城市轻轨铁路10，有条件的城市同时发展地铁交通。目前我国大中城市己运营的城市轨道交通线路258 km，运营车辆180多辆，正在建设的16条线路共长330 km。在未来的10年内，我国预计在大中城市修建城市各种类型的轨道交通线路达到1000 km，需要的车辆达50006000辆。我国城市轨道交通将进入新的建设高潮时期。常导和超导磁悬浮轨道列车技术也在加紧研究之中。图1 我国和世界铁路最高运营速度和试验速度的增加情况 3 轨道交通运输系统的优越性 全世界铁路运输业已有一百多年的发展历史，经历大起大落阶段。一方面是来自快速发展的航空运输和高速公路运输的压力。另一个重要的原因是部分发达国家决策方面的失误，没有全面考虑到交通运输问题与整个社会发展大系统的关系以及可持续发展战略。交通运输直接和安全、土地利用、能源利用、环境影响、生态的发展以及人们的生活有着密切的联系，还要考虑到可持续发展问题。在20世纪60年代前，过度发展汽车工业和航空运输业导致世界发达国家石油危机、环境污染恶化、生态失衡严重等社会问题。80年代铁路运输进入低潮，尤其美国铁路网几乎濒临崩溃。表1为国际上部分国家客货运从1950到1980年周转量变化情况12。 表1 国际上部分国家铁路所占市场份额 上世纪80年代后，公路和航空运输的弊端逐渐暴露出来，公路交通堵塞，交通事故日益增多，空气污染和噪声日趋严重，航空运输成本居高不下。同时铁路运输的长处又重新被人们所认识。发达国家已经认识到铁路在陆地运输竞争中之所以处于劣势地位，其中主要原因之一是不平等竞争环境所致13。在环保领域里，公路运输影响最大，而承担的义务最小。公路运输产生很多问题而形成的外部成本，它是不用支付的，如噪音、拥挤、污染、事故等。 如果将这些外部成本进行量化并由公路运输系统来承担，其数目相当惊人。美国政府计算过，由于公路拥挤，美国每年损失840亿小时工作时间，每小时按最低工资8美元计算，结果为6720亿美元。欧盟曾经对17个成员交通运输外部成本进行量化分析，外部成本每年高达3100亿美元，其中公路占到92，而铁路运输仅占到2。全年公路阻塞导致的损失就达1184亿美元。约占欧盟GDP的2。东京每年因交通拥挤造成的经济损失约123000亿日元。美国联邦公路局研究中心计算出1988年美国公路事故成本，包括痛苦、受难的价值和生活品质的损失，达3580亿美元。 我国大中城市主要依赖于公路交通，城市拥挤不堪，车辆运行速度十分缓慢，大量车辆滞留在路面和街道上，浪费的时间无法统计，导致城市污染为世界之最。我国公路交通事故发生率惊人。但我国现在仍然存在盲目追求公路交通运输和过度发展汽车工业倾向。世界发达国家已经有了经验和教训，我们必须吸纳。根据我国的特点并从长远利益出发，在国家交通系统发展和规划过程中，努力取得平衡发展。在发展铁路交通和城市轨道交通，长处可归纳如下13：(1) 铁路运输(或城市轨道交通)安全、快速、运量大、方便、节能，相对公路、航空运输而言污染小，不受自然气候条件的制约：(2) 铁路的技术优势与可持续发展战略的一致性；(3) 铁路是陆上交通最重要的交通工具之一，仍然是国民经济和社会发展的基础。(4) 在国土开发、国际贸易、扶贫、解决劳动就业等方面发挥重要作用；(5) 铁路作为区域经济和城市经济一体化的重要组成部分，成为国家竞争优势的决定性因素之一。 根据中国统计年鉴，2001年我国交通运输消耗石油5692.9万吨，占全国石油消耗量的24.9，根据国务院发展研究中心预测，如不采取有效措施，到2020年我国交通运输的石油消耗量达2.56亿吨。巨人的能源消耗，使已经被污染的生活环境将变得更糟，导致昂贵经济成本和环境治理成本，也可能对我们的生活环境和生存条件构成严重的威慑。对目前的主要交通工具在耗能和污染指数方面进行统计分析，见图2所示，铁路运输或轨道交通运输是解决上述问题的根本途径。可以说轨道交通运输工具是本世纪最好的环境友好的绿色交通工具之一。图2 各种交通运输工具耗能和污染指标分布情况 4 高速重载列车/轨道的关键力学问题 我国从现在到2020年，将是高速重载铁路和城市轨道交通发展的高峰时期。虽然它们的优越性不可否认，但有许多关键技术问题有待进一步解决1,15。而这些关键问题的解决基于力学理论和试验16,17，包含于车辆/轨道结构中的关键力学问题可用图3来表示。图3 高速列车/轨道关键力学问题 4.1弓网/列车/轨道(桥梁)大系统耦合动力掌 列车的动力学行为直接影响到行车的安全(脱轨)、旅客乘坐舒适度(振动强度)、整个系统各零部件的使用寿命和居民的居住和生活环境。车辆动力学行为和行车速度、装载量、系统结构特性和工程质量有密切的联系。目前还不能进行弓网/车辆/轨道(桥梁)这样一个完整的大系统动力学仿真。只能考虑到车辆/轨道(或桥梁)垂向和横向耦合动力学仿真分析18,19，忽略了系统的纵向动力学、空气动力、各部件的柔性变形的影响，这对于低速运行的车辆可以接受，但对高速运行的车辆，这些问题都不应该忽略。因为高速列车在启动加速和紧接制动时，在纵向系统的惯性在短时间内发生急剧的变化，零部件的变形率高：速度越高，空气阻力越大，各部分结构弹性和刚性振动加速度也越大。虽然在模型中，能将钢轨模拟成欧拉梁或铁木辛科梁，钢轨的弯曲翻转变形得到考虑，但钢轨的相当部分振动频率(尤其高频部分)不能被真实反映出来。用有限元法来模拟钢轨是有效的方法，但由于计算机的容量和数值方法的不完善，模型中还不能结合有限元方法，包括有限元法建立其它零部件由于高速重载引起的结构柔性变形计算模型。在这个大系统中，弓网局部系统的刚柔大滑动强磨损动力学问题也被目前的计算模型所忽略。尽管弓网的动力作用对车辆/轨道系统动力学行为影响不大，但是反过来情况就不同了，弓网的动态环境主要由车辆/轨道动力学行为决定。车辆在高速运行条件下，大系统另一个重要的力学问题是空气动力学问题20。研究表明，车速达160 km/h时，空气阻力大约列车总阻力的5016，200 km/h时大约为70-75，300 km/h时约为80-90。高速列车贴地运行时具有强烈的“地面效应”，与飞机在空中飞行时空气动力行为有较大的区别，并具有较大的细长比。列车运行过程中将会遇到会车压力波，过隧道时遇到“活塞气动效应”。因此高速列车的空气动力学问题显然是个典型的非恒定、非等熵、可压缩和有限域的流固耦合问题。在高速列车空气动力学问题里，要解决列车关键技术问题：列车头型的选择、车厢密封性能、气动压力和阻力作用下结构强度、较低的气动噪声等。 能进行弓网/列车/轨道(桥梁)大系统耦合动力学数值仿真，并考虑到上述相关的因素，才能算掌握铁路大系统动力学行为和规律，才能确定或模拟各零部件或结构材料服役动态环境。 4.2 车辆结构强度和轻量化 我国列车在经过几次大提速后，车辆结构出现了严重的问题。例如，提速客车转向架209HS的联系梁、吊杆、牵引座的疲劳；提速客车转向架CW160的吊杆、构架和横向控制杆的断裂疲劳问题；提速客车转向架SWl60因旁承磨损引起的脱轨；提速机车转向架SS8的转向架端梁断裂，蓝箭动力车的牵引座、电机吊座以及提速货车转向架Z8A(改)的交叉杆系统的疲劳破坏问题等。其中一件令人吃惊的事是：还没有正式使用的高速列车“先锋号”(250 km/h)和“中华之星”(270 km/h)，出现了抗蛇行减振器座开裂和群板折断等结构强度问题。 由于高速化后，列车运行的振动加剧，各部件的服役环境恶化，转向架、轮轴和车体等结构强度问题研究十分重要，特别是在高速列车所要求的结构轻量化后，结构强度问题将更加突出。传统的结构强度研究，包括静强度研究和疲劳寿命研究，研究的方法包括理论分析和试验，强度研究的计算和试验标准均采用简化的载荷和工况，根本无法正确地表征结构件的服役环境，往往使计算或试验的结果和实际运用后结果相差很远。随着列车的高速化和轻量化，结构件服役环境的确定和表征是高速列车动强度研究的基础，再根据服役环境进行强度仿真研究。 研究具体内容包括结构件服役环境的建立，材料疲劳特性的确定，计算和试验方法的研究，结构动强度分析和结构的优化等等。在振动条件下，材料失效问题研究，除了结构的疲劳破坏，还有摩擦磨损、腐蚀和材料特性退化等。由于列车的高速化应考虑到车辆撞击安全性问题，所以还要研究车体、车钩等接触部件抗撞击破坏的能力和结构的优化设计。 4.3 轮轨关系的问题 4.3.1轮轨三维弹塑性滚动接触理论和相应的数值方法 轮轨关系问题的研究基础是轮轨三维弹塑性滚动接触理论17。Carter、Johnson、Kalker和沈志石等人的轮轨蠕滑率/力模型都是基于Hertz法向接触理论、弹性无限半空间和Coulomb摩擦定律建立的，它们仅适合于车辆和轨道动力学的研究，也就是说在车辆和轨道动力学的建模中可用来作为轮轨力的模型21,26。Kalker于上世纪90年代初完成的三维弹性滚动接触理论和相应的数值程序(CONTACT)27，应用于分析轮轨滚动接触时，轮轨的塑性变形、轮轨接触斑以外约束条件、接触面的状态因素和接触斑以外轮轨几何型面的影响不得不被忽略幅乳驯，因而其应用受到限制。西南交通大学牵引动力国家实验室研究人员推广了Kalker的三维弹性滚动接触理论30,31，考虑到了轮轨几何型面和边界条件因素的影响。目前这些理论还不能向轮轨粘着、脱轨、轮轨噪音、轮轨滚动接触波浪型磨损、滚动接触疲劳等问题的研究提供精确的轮轨界面力。Wriggers P利用物体空间位形系列的变换、连续介质力学的平衡方程和增广拉格朗日乘子法，建立了弹塑性滚动接触的数学模型m一引。考虑物体的滚动接触行为和惯性力的效应。经有限元离散和线性化处理，实现了二维弹塑性稳态滚动接触情形下的数值解，而惯性力和接触物体刚性运动的蠕滑率对接触力学行为的影响被忽略。接触表面摩擦控制条件是Coulomb摩擦定律。但轮对和钢轨之间的滚动接触行为十分复杂，左右轮轨的接触斑相互影响、特殊的几何型面、轮对相对钢轨的高速滚动和滑动、轮对和轨道的结构变形34,35、轮轨接触表面的粗糙度和“第三介质”(如水、油、沙子等)3638、轮轨材料缺陷和在反复碾压下的轮轨材料棘轮效应的强化准则39、轴重、车速等因素对轮轨滚动接触力学行为影响十分大40，这些因素在轮轨滚动接触理论模型和数值方法中应当考虑到，方可适用轮轨关系问题的精确分析，完全做到这一点，目前存在相当大的困难。但上述因素的影响恰恰反映在亟需研究的高速轮轨关系问题上。 4.3.2 轮轨滚动接触疲劳和磨损 轮轨滚动接触疲劳和磨损一直是铁路运输业难以解决的老问题。人们采取了各种方法和措施来阻止和减少它，如发展轮轨新材料、优化轮轨型面匹配以减少轮轨接触应力和改善轨道和车辆结构性能来减少轮轨之间的动力作用等，但效果不显著4043。随着铁路客货运量的增大和列车速度的提高，轮轨滚动接触疲劳破坏变得越来越严重，尤其是高速重载线路，情况十分严重。我国现在每年因更换和维修破坏轮轨，大约花费80多亿人民币。它不仅大大增加了铁路的运营成本，而且直接危害行车的安全。1998年6月3日，德国从汉堡开往慕尼黑ICE高速列车弹性车轮疲劳断裂导致脱轨，造成101人死亡，84人重伤，经济损失约2亿马克。轮轨滚动接触疲劳破坏现象主要为轮轨接触表面剥离、压溃、龟裂、波浪形磨损、轮缘磨损和钢轨侧磨及断裂等，几种典型的破坏现象如图4所示，这些破坏现象和很多因素有关，如轮轨的运动行为、轮轨之间的作用力、摩擦系数、接触界面的“第三介质”、接触表面的粗糙度、轮轨材料、加工留下的“先天性”缺陷和车辆轨道结构形式等。有些破坏现象的机理至今尚未搞清楚，对有些问题的破坏机理认识不统一。如钢轨波浪形磨损问题，在目前的所有的理论分析模型中，还不能考虑轮轨接触面材料的塑性变形和磨损同时对钢轨波磨形成和发展的影响H引。轮轨破坏现象机因复杂，因而，它的研究涉及到许多学科，如轮轨材料、轮轨几何型面、车辆轨道结构、路基性能、滚动接触力学、动力学、摩擦学、固体力学、传热学等。图4轮轨踏面几种典型的疲劳破坏现象 4.3.3 高速轮轨粘着特性 轮轨作用面间的粘着特性制约铁路牵引动力、制动效果，影响机车车辆轨道动力学行为和轮轨材料使用寿命等，也和安全行车有密切的联系。在低速条件下，轮轨间的粘着系数大约变化在0.20.4之间16。图5 11高速轮轨粘着试验装置 在实际运行条件下，发现高速列车的粘着系数会急剧下降，以200 km/h速度为例，法国TGV的可利用粘着系数最小值为0.09，试验粘着系数为0.047。牵引动力国家重点实验室利用11试验装置进行高速滚动接触条件下的轮轨粘着系数试验，发现在水污接触表面上，车轮滚动速度越高，粘着系数越小45,46。图5为西南交通大学牵引动力国家重点实验室11高速轮轨粘着试验装置。高速下粘着系数下降而运行阻力成倍增长，构成了高速运输的特殊矛盾。这个问题的机理目前世界还尚未弄清楚。正如前面在滚动接触理论方面所讨论，轮轨间的粘着问题研究的影响因素包括接触表面的几何形状、接触表面的粗糙度和“第二介质”、材料强度、环境温度、轮轨之间的相对滚动滑动速度等。高速滚动、接触表面的粗糙度和“第三介质”，如水、油和其他有机污染物会使轮轨的粘着力降低，利用增粘合剂，可提高粘着力。增粘剂的力学性质、在轮轨接触表面上使用方式等对轮轨滚动时的力学行为和轮轨材料破坏程度，目前还没有文献作这方面的理论和数值分析，仅凭经验和试验的结果而被应用于工程47,48。轮轨粘着问题研究的另一个方面就是在研究提高高速机车的牵引力和制动力时，要考虑到轮轨接触表面材料所能承受的强度，因为导致轮轨接触表面疲劳破坏的最重要的因素是轮轨的切向力49,50，一味地提高轮轨间的粘着效果，会损伤轮轨接触表面，严重时会时轮轨爆裂，酿成重大脱轨事故。所以在提高轮轨粘着和制动效果的同时，要考虑到轮轨材料强度的提高，要取得均衡发展。 4.3.4 脱轨 高速列车运行是绝对禁止发生脱轨，但目前还不能控制脱轨，国外高速列车脱轨时常发生。1998年6月3日，德国从汉堡开往慕尼黑ICE高速列车脱轨，造成101人死亡，84人重伤，经济损失约2亿马克。2002年4月18日美国快速旅客列车脱轨，6人死亡。2003年7月18日，日本特快车在长崎发生6节车厢脱轨，死伤60多人。2003年9月1日，陇海线上20节油罐列车在甘肃定西市内20节油罐车脱轨。这几次脱轨事故现场照片如图6所示。高速列车如在人口居住密集区发生脱轨，后果是不堪设想的。所以，运营高速列车是绝对不能发生脱轨事故的，但到目前还不能有效的预测和控制它。列车脱轨是个重要的又是难以解决的力学和摩擦学相结合的难题。图6 国际上几期重大脱轨事故现场照片 现在被广泛采用的脱轨安全性评定标准是著名的NADAI。公式，它是通过平面中的静力平衡原理导出的车轮爬轨脱轨的临界条件。但实际的轮轨相互作用问题已远非静力学所能够描述，大量的研究和试验也表明NADAL。公式有很大的局限性，偏于保守。后来不少学者考虑到轮轨滚动接触时接触斑上蠕滑力的影响。日本国铁应用了Hertz型轮轨滚动接触蠕滑理论分析了车辆轮对在稳态滚动条件下的准静态脱轨现象并进行了试验研究51，制定了日本铁路的脱轨安全性标准，通称为JNR标准。英国学者Gildirist A0和Brickle BV对单个车轮稳态滚动条件下的准静态脱轨问题进行了研究52。他们从轮轨的平面接触几何关系出发，采用英国铁路编制的DUVOROI。蠕滑力数表计算轮轨间的作用力，在假定轮轨为Hertz接触的情形下，详细地分析了轮轨冲角、纵向和自旋蠕滑、接触斑的形状及轮对载荷对脱轨的影响。得出的结论是：在没有纵向蠕滑力的情况下，Nadal公式所得的是一种静态情况下偏于保守的脱轨系数极限值。美国Sweet和Karmel用Kalker的滚动接触蠕滑理论作为轮轨力模型进行直线上轮对爬轨脱轨分析53,54和动载荷作用条件下脱轨理论分析55。他们将后者的研究称作动态脱轨理论。但动态脱轨理论的研究目前仍然处于初级阶段。文献56的作者利用原型尺寸试验装置和沈氏蠕滑理论进行了大量动态脱轨试验和数值仿真研究。列车脱轨和线路的不平顺度、车辆减振系统、轮轨表面状态有密切的关系，据我国铁路部门统计，从1988年到1997年间，我国总共发生了215次脱轨事故57，其中货车脱轨占总脱轨次数的85.1l，近几年来货车脱轨又以空车脱轨为主。客车和货车的结构形式和减振系统有较大的差别，而客车的减振性能远远优越于货车，这说明脱轨和车辆的减振系统有很大的关系、近年来空车脱轨事故增加是因为车速提高的缘故，速度因素是脱轨的重要因素；据文献58报道，夏天是列车脱轨事故的频发期。这又说明了轮轨接触表面状态和脱轨关系密切，轮轨接触表面状态包含了表面微观粗糙度、表面上的“第三介质(如雨水、油污、树叶等)、温度等因素，而这些因素的变化主要体现在轮轨界面的摩擦系数的改变。而现在能用于脱轨分析的轮轨滚动接触蠕滑理论却没有考虑这些因素。 4.3.5 轮轨噪声 高速列车轮轨噪音问题是个严重问题。据日本铁路同行介绍，现在高速列车轮轨降噪技术水平低于高速列车其它技术发展水平，因噪音问题不能很好地解决，高速列车行驶速度受到环保部门的限制。我国铁路以进入高速发展时期，人们对生活品质要求越来越高，因此，解决轮轨噪音问题是我国运营高速列车前需要解决的一项关键性技术问题。高速铁路噪音包含了轮轨噪音、车体结构振动噪音和空气噪音。在列车行驶速度低于300 km/h时，轮轨噪音占主要部分。轮轨噪音辐射出的轮轨噪声可以归纳为如下三类5961：1) 高频尖叫声：这是由于轮轨之间蠕滑机理引起。列车通过小半径曲线时，轮缘向高轨内侧贴靠和轮轨之间的较大冲角作用，轮轨之间纵横向蠕滑较大。当轮对在直线上作蛇形运动时，较大的摇头角和车轮贴靠时，轮轨接触斑处也会产生较大的纵横向蠕滑，这种粘滑作用会产生高频的尖叫声。2) 冲击噪声：由于轮轨表面波浪型磨耗、擦伤、轨道弹性不均匀和轮对过轨缝和道岔处，引起轮轨冲击振动而产生的噪声。3) 滚动噪声：这主要是轮轨接触表面粗糙度、轮轴偏心和擦伤等引起随机噪声。根据上述对噪声问题分类及产生原因的简单分析，可知噪声问题的研究涉及到许多领域，但其研究离不开轮轨蠕滑理论和滚动接触力学。目前解决轮轨噪音问题成功技术是弹性车轮的技术62，但是弹性车轮结构和强度存在严重问题，目前还不能用于高速列车(因ICE高速列车使用弹性车轮出了重大事故)。在理论和数值研究方面，欧洲国家铁路发达国家做了系列研究工作63，尤其是欧洲铁路研究所开发了分析轨道轮对相互作用的噪声软件TWINS64,65。该分析系统中着重考虑轮轨接触表面上1 cm50 cm波长范围内和峰值为050m所粗糙度在接触表面产生位移，而导致轮轨介质在空气环境产生高频振动并在空气中传播，产生声波。但环境稳态和非稳态声场还不能精确模拟，这就无法设计低噪音的轮轨最优结构。 4.4 弓/网刚柔动力学和摩擦磨损 由于我国石油供应十分紧张，再加上迅速发展的航空运输和汽车运输而导致环境严重污染，我国的铁路将要进一步电气化。当今世界运营的高速列车全都是通过电气化牵引。通过接触网受流是列车动力来源的关键。弓网稳定的受流质量关系到列车运行稳定性的品质。而影响弓网传受电流质量的因素有：弓网材料和状态(接触面几何状态、温度、滑动速度)、弓网接触压力、和车辆/轨道大系统动力学有关的弓网结构特性。我国列车弓网运行事故不断。在1994年到1995年期间，就发生14次弓网局部过热导致断网事故。提速后弓网电弧烧蚀频繁，磨耗加剧。统计研究表明，当车速提高到240km/h以上时，弓网磨损每过程中接触副材料电弧烧蚀引发的组织结构转变，以及对摩擦磨损过程的进一步影响。 为了改善减少弓网振动，提高受电弓的跟随性，利用主动悬挂技术，进行可控受电弓的研究，是高速受电弓的研究另一个重要课题。研究内容包括可控受电弓结构、控制策略、控制系统和执行机构。 4.5轨道工程的关键力学问题 轨道支撑并约束车辆的运行，承受车辆传给它的较大的动力。轨道工程结构动态特性和工程质量和稳定性，决定着车辆安全、舒适性和车辆/轨道结构使用寿命。而道路工程三个关键部位：桥梁68、隧道69,70和道岔钢轨接头处7172。这些工程存在相当复杂力学的问题。例如，现代铁路桥梁向长、轻、柔方向发展。则抗风振、抗地震