高速列车的关键物理力学问题

刘炜琦

摘要：随着社会经济水平的不断提高和科学技术的不断进步，我国高速列车的研发技术已经处于世界领先地位，为全球高速列车发展做出了重要贡献。为了不断提高高速列车的运行稳定性和安全性，需要对高速列车的关键物理力学问题进行分析和研究，本文就以此为主题进行了分析，主要对轨道平稳性问题、机车重量问题、主要零件损耗问题、空气阻力问题、材料接触力学等五大部分进行了分析阐述。

关键词：高速列车；力学；物理

我国的高速铁路发展起步较晚，但是发展迅速，目前已经达到世界先进水平。高速铁路以其运行速度快、运行感受舒适、安全系数高等优点，快速在国内各个省份发展。并且，中国先进的高铁技术已经走出国门，走向世界，在很多外国国家开展高铁建设，为世界铁路运输做出巨大贡献。目前，我国已经自主研发的高铁机车“复兴号”已经开始投入使用，相信不远的将来，我国的高速铁路机车会逐渐普及我国自主研发的“复兴号”高铁机车。在研制“復兴号”高铁机车的过程中，需要解决大量的复杂的技术问题，其中包括很多物理力学问题需要解决，本文对高速列车的关键物理力学问题进行分析，请不同意观点者批评指正。

1 轨道平稳性问题

我们知道，高速铁路轨道并非是一整条完整的钢铁，而是由短的钢轨通过焊接的方式相连成一根长的钢轨，那么，在钢轨连接处会出现连接痕迹，可能存在一定的颠簸。由于我国高速铁路运输的速度普遍在300km/h以上，较高的运行速度对钢轨的平稳性的要求更高，高速运行的列车对轻微的颠簸也会有很大的震动，因此，钢轨的铺设这对于钢铁焊接技术是一个不小的考验。列车的平稳运行不仅对乘车舒适感有影响，还关乎乘客的乘车安全，通过轨道平稳感受能够对列车的运行安全作出判断，稳定的运行也对列车结构综合性能和承载能力产生非常大的影响。因此，在高铁列车不断提速过程中，必须重视列车运行的平稳性问题，深入研究线路条件和基础设施建设问题，并且提出配套的轨道养护方案，最大限度保障列车平稳运行。

在高速列车不断提速的过程中，也要加强对线路的研究和改造。大量的实践经验和数据证明，有线轨道技术改造列车按照设计速度投入运行之后，行车的安全性是能够得到保障的，这说明对线路的改造技术能够达到行车安全和行车速度两方面的要求。造成列车运行平稳失衡的原因有很多，包括线路设施建设缺陷，施工质量达不到标准并且后期很难进行补偿，后期维护管理不到位等原因导致列车运行失稳。

2 机车重量问题

高速列车的机车重量对高铁运输也存在一定影响，质量比较轻的机车能够降低摩擦，提高机车运行能源使用效率。高速列车机车轻量化在高速列车机车结构设计中属于基础性要求，质量较轻的机车能够改善列车运行时的动力学性能。解决机车车身重量问题，需要考虑两个方面的问题：一是使用材料的问题，另一个是结构强度设计问题。较轻的机车重量虽然能够降低能源消耗，提高机车运行效率，但是对车体强度造成一定的消极影响，因此，对机车车身的强度、使用寿命及其可靠性综合分析，才能保证高速列车的稳定运行。由于列车高速运行，车体的弹塑性强迫振动频率和幅度会增大，导致疲劳破坏加速，因此，对于高速列车的车身质量需要进行研究。

3 主要零件损耗问题

在高铁运行过程中，由于高速列车运行时常较长，服役时间较长，虽然大部分高速列车只有白天时段运行，夜晚时段进行检修，但是高速列车的主要零部件仍然有较大的损伤，需要加强零部件的维护和检修，才能保证列车的安全运行。只要存在摩擦就会导致磨损，高速列车由于运行速度快，承受的压力较大，在运行中受到严重磨损。并且，钢轨在列车运行中承受到的压力更大，对钢铁性能提出了更高的要求，特别是钢轨接缝处，由于长期经受高质量的列车运行的压迫，更加容易产生变质和老化，对列车运行安全问题存在严重隐患。

4 空气阻力问题

机车车身暴露在空气中高速运行，需要抵抗较大的空气阻力，并且随着高速列车车速的不断提高，列车遇到的空气阻力也随之增大，随着高速列车运行速度的提升，列车所受到的空气阻力与运行速度的二次方成正比，当运行车速达到250km/h时，全部阻力有75%80%；来源于空气阻力，目前我国高速列车的运行速度大多在300km/h以上，因此，空气阻力对列车运行的影响是非常严重的。并且，当列车在隧道中运行时，会遇到强大的压力冲力，对行车安全造成威胁，因此，需要对高速列车空气运动学进行研究。目前已经比较成熟的空气动力学研究，比如飞起起飞前的空气动力学和汽车运行过程中的空气动力学在高速铁路运行中的空气动力学并不适用，高速列车的空气动力学逐渐成为一个学科门类，培养更多的专业人才，解决高速铁路空气动力学问题。

5 材料接触力学

高速列车运行过程中，与轨道的接触面积比较小，但是列车载满乘客时重量大大增加，对轨道的磨损比较严重，在列车运行与轨道接触过程中会产生大量并且严重的摩擦，考虑到轮轨弹性及表面几何不平顺，需要对轮轨建立力学模型，对高速列车运行过程中机车与铁轨的接触力学进行研究，主要研究两点接触、非赫兹接触等，通过对车轮尺寸及其实验研究，验证理论模型，综合试验研究结果，得出最具有代表性的低摩擦性能的铁轨制造参数和车轮制造参数。并且对服役中的轨道及高速列车提出可行性保养措施，定期检修列车机车性能及轨道平稳性能，保证机车运行安全稳定。

6 总结

随着科学技术的不断进步，高速列车的发展速度飞快，我国大部分地区已经通上了高速列车，高速列车网络的覆盖面积逐渐增大，为我国经济发展起到了很大的促进作用。本文针对高速列车关键物理力学问题进行了分析，以此能够提升高速列车的运行稳定性和安全性。

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