四川提名2019年国家科学技术奖励项目

1、四川省提名2019年国家科学技术奖励项目科技进步奖序号 ：16项目名称：重载列车与轨道相互作用安全保障关键技术及工程应用提名意见该项目针对重载铁路列车纵向冲动以及重载列车对线路破坏作用日益加剧等影响列车运行安全、轨道结构运用安全的重大工程问题，开展了重载列车与轨道相互作用安全保障关键技术及工程应用研究，意义十分重大。在国内外率先构建了重载列车与轨道动态相互作用的系统分析方法，创造性地提出了降低重载列车纵向冲动和保障运行安全的关键技术、及减轻重载列车与轨道动态相互作用和提高系统运用安全的关键技术，并在我国重载铁路10多个重点工程中得到了大规模的成功应用，近3年企业应用该成果而新增销售额累计62.

2、7亿元，新增利润5.37亿元。该项目解决了重载铁路中的列车运行安全、轨道结构运用安全等重大工程难题，为我国铁路货物运输由21t轴重向30t轴重的跃升作出了重要贡献。授权14项发明专利、9项实用新型专利，相关成果被纳入我国铁道行业标准。该项研究结束了将重载铁路机车、车辆、轨道隔裂开来研究的局面，研究成果在国际上产生了重要影响，相关论著被他人引用2395次（SCI他引307次，单篇他引最高次数为1513次），受到本领域权威专家高度评价，其研究方法被国际重载协会列入重载铁路运营最佳实践指南，称为中国经验。该项目技术难度大，创新显著，应用产生了重大的社会经济效益，有力地推动了我国重载铁路技术的进步，并

3、引领了重载铁路动力学学科发展。项目组成员王开云等10位同志在项目实施过程中做出了突出贡献，情况属实。推荐材料填写规范、真实有效。提名该项目为国家科学技术进步奖二等奖。项目简介本项目涉及机械工程、铁路机车车辆工程、轨道工程等学科，属交叉学科项目。 客运高速和货运重载运输是世界铁路两大发展方向，安全是铁路运输的生命线，我国在快速发展高速铁路的同时，也十分重视重载铁路的发展。随着列车编组不断扩大和轴重不断增加，重载铁路列车纵向冲动及列车对线路破坏作用加剧，由此而引发的重载铁路列车运行安全、轨道结构运用安全等问题更加严峻，成为制约重载铁路的技术瓶颈。对于上述重大安全问题，采用传统的列车纵向动力学或者车

4、辆三维动力学的研究方法，仅从列车（或机车车辆）系统研究，具有相当大的局限性。在此背景下，本项目历时12年，创造性地开展了重载列车与轨道相互作用安全保障关键技术及工程应用研究，取得了系统性创新成果。在技术研究方面，（1）在国内外率先创建了重载列车与轨道动态相互作用的系统分析方法，包括理论模型、计算方法及计算机模拟系统，为复杂系统重载铁路机车车辆动力性能与安全设计、列车运行安全与操纵控制、轨道结构低动力作用及安全运用设计等提供了新的方法和研究手段，被国际重载协会列入重载铁路运营最佳实践指南，称为中国经验；（2）提出了降低重载列车在轨道上运行时的纵向冲动关键技术，包括重载列车牵引模式、模式化操纵指导

5、系统、重载机车车钩摆角安全控制及关键结构参数合理匹配设计，保障了列车运行安全，相关成果被纳入我国铁道行业标准；（3）开发了减轻重载列车与轨道动力作用关键技术，包括重载机车车辆低动力作用设计、重载铁路轨道结构强化及其曲线钢轨非对称型面设计，全面提升了系统运用安全性。在工程应用方面，已在中车大同电力机车有限公司、齐齐哈尔车辆有限公司、北京二七车辆有限公司等单位的重载机车车辆性能与安全设计以及大秦、朔黄等重载铁路扩能改造安全保障工程中得到了大规模成功应用，典型有：我国两类主要的重载机车“HXD2C”与“HXD2”安全性能改进设计；我国最大轴重（30t）重载货车性能设计；我国主要运煤专线朔黄重载铁路开

6、行30t轴重列车的轨道结构安全强化与改造；朔黄铁路曲线钢轨型面的低轮轨动力作用与安全设计。取得了重大经济和社会效益，近3年企业应用本成果而新增销售额累计62.7亿元，新增利润5.37亿元。授权专利23项（其中发明专利14项）、软件著作权4项；参编铁道行业标准3部、暂行技术条件2部；出版专著1部，发表学术论文74篇，论著他引2395次，其中SCI他引307次，单篇他引最高次数为1513次，得到了国际同行的高度评价；培养博士研究生15人、硕士研究生36人，国家杰青1人，国家“万人计划”2人，教育部新世纪人才2人，四川省学术技术带头人1人，四川省有突出贡献专家2人，中国青年科技奖1人；本项目1项成果

7、曾获四川省科技进步一等奖。本项目突破了重载铁路安全保障技术瓶颈，解决了重载铁路中列车运行安全、轨道结构运用安全等一系列重大工程难题，总体达到国际先进水平，其中重载列车与轨道动态相互作用的系统研究方法达到国际领先水平，极大地推进了我国重载铁路运输技术的进步。客观评价1. 成果鉴定意见由中国工程院院杜彦良院士等专家组成的鉴定委员会认为：（1）提出了重载列车与轨道动态相互作用的系统分析方法。该方法包括理论模型、计算方法及计算机仿真系统，为重载机车车辆与轨道系统动力学性能优化设计及安全评估、重载列车编组与操作模式优化等提供了符合现代重载铁路运输特征的新方法，被国际重载协会（IHHA）列入重载铁路运营最

8、佳实践指南。（2）揭示了长大重载列车纵向冲动形成原因，提出了列车牵引模式与机车操纵方法、机车车钩摆角安全控制限值、重载机车关键结构参数合理匹配建议等降低重载列车在轨道上运行时纵向冲动和保障运行安全的关键技术。（3）提出了重载机车车辆低动力作用设计的悬挂参数合理匹配、重载铁路轨道结构强化、重载铁路曲线钢轨非对称型面设计等关键技术，有效地减轻了重载机车车辆与轨道动态相互作用。（4）该研究成果总体达到国际先进水平，其中重载列车与轨道动态相互作用的系统研究方法达到国际领先水平。2. 国内外同行引用与评价经检索SCI、ISTP、CNKI、CSCD等数据库，相关论著总被他人引用2395次，其中SCI他引3

9、07次，单篇他引最高次数为1513次。国际代表性的评价有：（1）前国际重载协会主席Roy Allen教授主编的国际重载协会重载铁路运营最佳实践指南（ISBN 978-0-911382-63-1）“Guidelines to Best Practices For Heavy Haul Railway Operations”, Simmons-Boardman Books, Inc., Virginia Beach, 2015，认为：从货车车辆与轨道相互作用角度对车辆与轨道动力学性能进行系统地研究是非常急需的，专节对货车车辆轨道耦合动力学模型及其非线性环节进行了详细的介绍，并将轨道结构参数对轮轨动

10、力学性能影响分析方法称之为中国经验（The Chinese Experience）。（2）国际车辆系统动力学学会理事会成员、国际车辆系统动力学期刊联合主编Iwnicki S D教授在国际车辆系统动力学学报（VSD）53卷的论文“Dynamics of railway freight vehicles”, Vehicle System Dynamics, Vol.53, No.7, 2015, pp. 995-1033中，引用为：翟和王等人拓展了货车运动稳定性研究，作者发现，采用耦合动力学得到的货车非线性临界速度与采用传统车辆动力学得到的值之差异在5%左右。（3）国际著名的轮轨动力学专家、美国伊

11、利诺伊大学Shabana A A教授等人在国际车辆系统动力学学报（VSD）51卷的论文“Modelling of structural flexiblity in multibody railroad vehicle systems”, Vehicle System Dynamics, Vol.51, No.7, 2013, pp. 1027-1058中，认为：翟和王建立了刚体车辆与弹性轨道耦合模型，采用传统车辆动力学模型将过高预测车辆临界速度5-10%，并根据4种不同标准对轨道结构进行分类，详细介绍了翟和王等人建立的轨道模型。（4）卡米亚斯大主教大学终身副教授Carnicero A等人在美国

12、机械工程协会（ASME）计算和非线性动力学学报7卷的论文“Influence of Track Irregularities in the Catenary-Pantograph Dynamic Interaction”, Journal of Computational And Nonlinear Dynamics, Vol.7, No.4, 2012, pp. 041015 -1-6中，认为：翟和王等人建立了三维的车辆轨道耦合模型，既可以考虑垂向相互作用还可使分析横向运动的功能得以实现。（5）新里斯本大学助理教授Dimitrovova Z等人在英国机械工程师协会（Institution o

13、f Mechanical Engineers）铁路快速运输学报229卷的论文“Optimization of the behaviour of high-speed railway tracks using a genetic algorithm approach”, Part F-Journal of Rail And Rapid Transit, Vol.229, No.4, 2015, pp. 345-363中，评价为：在本项目建立模型的工作基础上，一种梁模型被应用到了LS-DYNA商业软件之中；在所有研究中，只有翟和王等人给出了道床质量、道床与基础刚度的计算公式，并且详细介绍了翟和王等

14、人建立的道床模型，全文引用多达10余次。3. 科技查新报告经教育部科技查新工作站查新后，总体结论认为：该“重载列车与轨道相互作用关键技术及应用”所具有的4个查新点（涵盖了本项目的主要技术特点和创新点），除该课题组研究之外，在上述国内外文献检索范围内未见相同研究的文献报道。4. 用户单位评价（1）应用本成果成功解决了本公司（中车大同电力机车有限公司）主型大功率重载机车（包括HXD2C、HXD2八轴机车）关键技术难点，使本公司产品提前投入生产，并确保了产品的运用安全，使我公司的重载机车技术在国内处于领先地位，在国内重载机车领域占有非常重要地位。（2）该项技术不仅提高了我公司（朔黄铁路发展有限责任公

15、司）的轨道结构稳定性和耐久性，延长了轨道结构使用寿命，还满足了30t轴重条件下的轮轨低动力作用要求，保障了既有轨道30t轴重运输的安全性能，也实现了全线路准确平稳操纵的语音提示，大大降低了重载列车脱轨事故，亦减轻了司机工作压力，给公司带来了巨大的效益。（3）应用本成果科学合理地确定出了大秦铁路开行3万吨组合列车的最优编组模式，实现了我国铁路重载列车牵引重量从2万吨到3万吨的跨跃，使我国成为世界上仅有几个掌握3万吨铁路重载技术的国家之一。本项目成果的应用对提高该重大工程设计水平及经济性起到了十分积极的作用。推广应用情况该成果已在中车大同电力机车有限公司、齐齐哈尔车辆有限公司、眉山车辆有限公司等单

16、位的重载机车车辆性能与安全设计以及大秦、朔黄等重载铁路扩能改造安全保障工程中得到了大规模成功应用，典型有：我国两类主要的重载机车“HXD2C”与“HXD2”安全性能改进设计；我国最大轴重（30t）重载货车性能设计；我国主要运煤专线朔黄重载铁路开行30t轴重列车的轨道结构安全强化与改造；朔黄铁路曲线钢轨型面的低轮轨动力作用与安全设计。解决了重载铁路中的列车运行安全、轨道结构运用安全等一系列重大工程难题，取得了重大经济和社会效益，近3年企业应用本成果而新增销售额累计62.7亿元，新增利润5.37亿元。主要知识产权证明目录知识产权（标准）类别知识产权（标准）具体名称国家（地区）授权号（标准编号）授权

17、（标准发布）日期证书编号（标准批准发布部门）权利人（标准起草单位）发明人（标准起草人）发明专利（标准）有效状态计算机软件著作权重载列车与轨道系统空间相互作用仿真分析软件HTTSISIM中国2015SR1564652015软著登字第1043551号西南交通大学王开云、刘鹏飞、翟婉明授权发明专利一种重载列车运行危险状态的地面监测方法中国ZL201110206728.62013证书号第1198387号西南交通大学刘建新、王开云、王超峰、李奕璠、张兵、农汉彪、王竣有效论文Establishment and verification of three dimensional dynamic model

18、for heavy haul train track coupled system国际期刊Vehicle System Dynamics. 2016, 54(11): 1511-1537西南交通大学刘鹏飞、翟婉明、王开云授权发明专利车钩缓冲装置中国ZL200910006054.82012证书号第953965号中车齐齐哈尔车辆有限公司姜岩、孟庆民、于跃斌、陈龙、崔英俊、王军松有效授权发明专利桥上铁路轨道五自由度地震模拟振动台中国ZL201210431634.32015证书号第1744918号西南交通大学王开云、张卫华、马启文、刘鹏飞、周文祥、王 慎有效行业标准机车车钩钩缓装置中国TB/T3334

19、-2013 2013中华人民共和国铁道部青岛四方车辆研究所、大同电力机车有限公司授权发明专利铁路轨道系统动态性能可视化仿真方法中国ZL200710049808.92009证书号第488517号西南交通大学翟婉明、杨吉忠、王开云、蔡成标、赵春发有效授权发明专利铁路货车中国ZL201010502444.72012证书号第1097383号中车齐齐哈尔车辆有限公司许善超、邢书明、张得荣、胡海滨、邵文东、于跃斌、祝震、刘振明有效授权实用新型专利用于有砟轨道轨枕的弹性垫和有砟轨道中国ZL201520531797.82016证书号第4965072号朔黄铁路发展有限责任公司孟宪洪、唐永康、高国良、罗慧刚、王风

20、、范佳、尤瑞林、李伟、马战国授权实用新型专利一种弹性轨枕中国ZL201520531119.12015证书号第4803433号朔黄铁路发展有限责任公司孟宪洪、何占元、罗慧刚、高国良、范佳、尤瑞林、李伟、马战国、王开云、王风主要完成人姓名排名行政职务技术职称完成单位工作单位对成果创造性贡献王开云1实验室主任研究员西南交通大学西南交通大学主持，负责了整个项目实施。具体负责了列车牵引模式与机车操纵技术、机车车钩摆角安全控制限值、重载机车关键结构参数合理匹配等技术研发及其工程应用研究。负责重载机车车辆低动力作用设计、重载铁路轨道结构强化、重载铁路曲线钢轨非对称型面设计等关键技术研究与应用。为该项目成果创

21、新点2和3做出了创造性贡献。翟婉明2院士西南交通大学西南交通大学负责了重载铁路动力学系统方法研究，包括理论建模原则与计算方法。组织实施了重载铁路曲线钢轨非对称型面设计技术研究。为抑制重载列车在轨道上运行时的纵向冲动关键技术研究提供了具体的研究方案。为该项目成果创新点1、3做出了创造性贡献。孟宪洪3科技信息部经理教授级高工朔黄铁路发展有限责任公司朔黄铁路发展有限责任公司组织实施了重载铁路轨道结构强化成套技术研究及推广应用。实施了重载铁路曲线钢轨非对称型面设计技术研发及推广应用。实施了重载铁路轨道结构强化成套技术、曲线钢轨非对称型面设计技术的大型现场试验。为该项目成果创新点3做出了重要贡献。刘鹏飞

22、4副教授西南交通大学石家庄铁道大学建立了重载列车与轨道多维度多尺寸耦合动力学模型及编制相应的计算机模拟分析系统。研究了重载列车纵向冲动机理、重载机车关键结构参数合理匹配技术。研究了重载铁路曲线钢轨非对称型面设计技术。为该项目成果创新点1、2做出了重要贡献。于跃斌5部长教授级高工中车齐齐哈尔车辆有限公司中国中车股份有限公司组织实施了重载车辆低动力作用技术研究，负责了低动力作用的30t轴重重载车辆研制及其现场试验，研究了车钩对重载货车纵向冲动的影响。为该项目成果创新点3做出了主要贡献。张志和6教授级高工中车大同电力机车有限公司中车大同电力机车有限公司组织实施了重载机车低动力作用技术研究，负责了重载

23、机车车钩摆角安全控制技术的推广应用。为本项目成果创新点2做出了主要贡献。许仲兵7总工程师成都畅通宏远科技股份有限公司成都畅通宏远科技股份有限公司负责研制了重载列车模式化操纵指导系统，组织实施了重载列车模式化操纵指导系统的推广应用。为本项目成果创新点2.2做出了主要贡献。王 勇8副研究员西南交通大学西南交通大学分析了重载货车关键参数对动力学性能的影响，研究重载货车不同装载工况的蛇行运动稳定性、曲线通过性能和运行平稳性。研究了不同车型、不同转向架的货车低动力性能。为该项目成果创新点3做出了主要贡献。陈再刚9副研究员西南交通大学西南交通大学研究了重载机车二系横向刚度、车钩箱与钩尾框间隙、钩尾与前从板

24、弧面摩擦系数、不同牵引位置等参数对车钩及车体动态性能的影响，并开展了相关的现场试验研究。为该项目成果创新点2做出了重要贡献。凌亮10副研究员西南交通大学西南交通大学分析了大轴重重载机车动态安全性能，参与了重载铁路轮轨动力性能现场试验研究。为本项目成果创新点3做出了主要贡献。主要完成单位及创新推广贡献序号单位名称创新推广贡献1西南交通大学完成了成果的主要关键技术研究，包括：（1）构建了重载列车与轨道动态相互作用的系统分析方法，包括理论模型、计算方法及计算机模拟系统，为复杂系统重载铁路机车车辆动力性能与安全设计、列车运行安全控制及评估、轨道结构低动力作用及安全运用设计等提供了新的方法和研究手段，被

25、国际重载协会列入重载铁路运营最佳实践指南；（2）针对重载机车车钩摆角过大引起列车脱轨安全问题，提出了车钩摆角安全控制限值，优化设计了重载机车关键结构参数；针对不同的牵引重量，提出了降低重载列车纵向冲动和提高列车运行安全性的编组优化模式；（3）开发了重载机车低动力作用设计的悬挂参数合理匹配技术、重载铁路曲线钢轨非对称型面设计技术，确保了列车与轨道系统的运用安全。完成了大量的技术应用研究，将成果成功应用于中车大同电力机车有限公司、中车齐齐哈尔车辆有限公司、中车眉山车辆有限公司等单位的重载机车车辆性能设计与安全改进工程以及大秦、朔黄重载铁路扩能改造安全保障工程。2朔黄铁路发展有限责任公司负责组织了重

26、载铁路轨道结构强化技术、重载铁路曲线钢轨非对称型面设计技术等方面的研发。组织实施了大量的现场试验，包括朔黄铁路既有线路开行30t运输的轮轨动力性能评估试验、轨道结构强化的轮轨动力性能试验、曲线钢轨减磨技术的现场试验与跟踪观测，根据试验结果，进行反馈，达到了验证和完善该成果理论研究的目的。负责将重载铁路轨道结构强化、重载铁路曲线钢轨非对称型面设计等关键技术推广应用于朔黄重载铁路轨道结构强化、降低曲线地段钢轨磨耗等设计与改造工程之中。采用该项技术，不仅满足了30t轴重条件下的轮轨低动力作用要求，还提高了轨道结构稳定性和耐久性，延长轨道结构使用寿命，节省了养护维修成本；对于曲线轨道，钢轨侧磨量平均值

27、降低了3040%，延长了曲线钢轨的使用寿命，也节省了大量的养护维修成本。3中车齐齐哈尔车辆有限公司提出了30t轴重货车车辆低动力作用设计的悬挂参数合理匹配技术，有效地减轻了重载车辆与轨道动态相互作用，完全实现了低动力作用转向架设计要求，攻克了30t重载货车转向架关键技术。组织开展了转8A配装C64、转K2配装C64K、转K6配装C70和C80等车型的低动力作用设计研究。负责将“重载列车与轨道相互作用关键技术”推广应用于本公司各种货车车辆的研制之中，涵盖了本公司15种车型的转向架结构参数设计，尤其是所有的25t、27t、30t等大轴重重载货车，应用产生了较显著的经济和社会效益。4中车大同电力机车

28、有限公司将项目组提出的车钩最大自由摆角为3.5°安全阈值，纳入中华人民共和国铁道行业标准机车车钩钩缓装置（TB/T3334-2013）。组织开展了HXD2新八轴机车异常错位工程技术难题的研究，确保了重载列车运行安全。负责将本项目成果推广应用于本公司各种重载机车研制与性能改进之中，保障了重载列车的安全性能，应用产生了较显著的经济和社会效益。5成都畅通宏远科技股份有限公司基于实际的运营线路与列车数据，获取了速度、牵引/制动力、列车管压力三条操纵曲线，建议了列车运营最优操纵策略。采用开放式结构和模块化管理的设计理念，研制了重载列车模式化操纵指导系统，实现了全线路准确平稳操纵的语音提示。协助

29、将重载列车模式化操纵指导系统推广应用于朔黄重载列车安全运行控制工程，应用产生了较显著的经济和社会效益。完成人合作关系说明1 与第二完成人翟婉明的合作说明项目负责人是翟婉明院士领衔的西南交通大学“现代轨道交通轮轨系统动力学”创新团队核心成员，在翟婉明教授带领下，长期从事现代轨道轮轨系统动力学、车辆系统动力学等方面的科学研究。本项目历经了10余年的研究，在这期间，翟婉明院士一直参与了本项目的研究工作并进行了指导，具体负责了重载铁路动力学系统方法研究，包括理论建模原则与计算方法；组织实施了重载铁路曲线钢轨非对称型面设计技术研究，同时指导了抑制重载列车在轨道上运行时纵向冲动和保障运行安全的关键技术研究

30、。另外，与项目负责人合作发表了大量的高水平论文，在国际上产生了重要影响。2 与第三完成人孟宪洪的合作说明于2006年至2018年期间，项目负责人与孟宪洪围绕朔黄既有重载铁路轨道强化技术及其曲线轨道钢轨型面设计等保障重载铁路轨道运用安全方面开展了合作研究。王开云等人基于重载列车与轨道动态相互作用理论，开展了轨道部件关键参数匹配设计研究、不同曲线半径的钢轨非对称型面设计研究。孟宪洪负责组织实施重载铁路轨道结构强化成套技术、重载铁路曲线钢轨非对称型面打磨技术等研究工作，多次组织了朔黄重载铁路轮轨动力性能的大型现场试验与跟踪观测，并负责将合作研究成果在朔黄重载铁路推广应用。3 与第四完成人刘鹏飞的合作

31、说明在20072015年期间，刘鹏飞在西南交通大学攻读硕士和博士学位，导师分别是王开云和翟婉明教授。在攻读学位论文时，项目负责人为刘鹏飞指明了研究方向，结合重载铁路工程安全动力问题，指导刘鹏飞开展深入的理论与技术研究。具体工作包括：建立了重载列车与轨道多维度多尺寸耦合动力学模型及编制相应的计算机模拟分析系统，研究了重载列车纵向冲动机理、重载机车关键结构参数合理匹配技术，研究了重载铁路曲线钢轨非对称型面设计技术。另外，与项目负责人合作发表了大量的高水平论文。4 与第五完成人于跃斌的合作说明双方于2004年3月至2017年12月期间，围绕25t、27t、30t等大轴重重载货车低动力作用转向架、以及重载列车纵向冲动问题开展了合作研究。王开云带领西南交大课题组，从大系统角度，开展了大轴重重载货车低动