倾情助力中国高速动车组的发展——记西南交通大学牵引动力国家重点实验室动力学与强度研究团队

王 军

到2020年年底，中国已有3700组动车组奔跑在38000公里的高铁线路上，并保持着商业运行最高时速350公里的世界纪录，日臻成熟的中国高铁正以前所未有的速度和广度走向世界。中国高铁经历了从“跟跑”“并跑”再到“领跑”的过程。

作为“高铁梦”的牵引者之一，坐落于成都市西北角的西南交通大学牵引动力国家重点实验室的创新故事与助推中国高铁及轨道交通产业的飞速发展休戚相关。走入实验室，机车车辆滚动振动试验台、牵引传动试验台、高频激振试验台和疲劳试验台的轰鸣声不绝于耳，犹如一首首高铁研发的交响曲。这里有针对机车车辆动力学和结构可靠性的理论分析平台、台架试验到线路试验完整的测试系统，几乎每一种奔驰在高铁线上的动车组车型都要在这里进行仿真和台架试验，模拟动车组真实运行环境，评估其高速运行性能和安全可靠性，为高铁安全运行保驾护航。从“和谐号”动车组走向“复兴号”动车组殊为不易，这背后是实验室多个科研劲旅的艰辛付出，动力学与强度研究团队（以下简称“动强组”）就是其中一个。

我国高速动车组经历了引进、消化、吸收再创新的发展过程，而走行部即转向架是动车组的核心，决定了动车组能否高速平稳和安全可靠运行，在引进、消化、吸收阶段，动强组是转向架技术的“接盘侠”，在再创新阶段，动强组则是中坚力量，为中车各企业的轨道车辆转向架尤其是高速转向架创新研发提供了重要技术支持。

助力“复兴号”跑出最高速

高速列车滚振试验

2017年6月26日，由中国铁路总公司牵头组织研制、具有完全自主知识产权、达到世界先进水平的中国标准动车组“复兴号”由北京南站和上海虹桥站双向首发。2012年年底开始研发、2014年完成方案设计、2015年下线、2017年正式亮相，“复兴号”的诞生充满艰辛，西南交大的多个科研团队曾深度参与其中。

早在2013年年初，曾京教授领导的动强组就在中国铁路总公司统一领导下，与长春轨道客车股份有限公司、中车青岛四方机车车辆股份有限公司一起，开展中国标准动车组研制的联合攻关，罗仁、王勇两位副研究员，以及黄彩虹、李凡松、干锋、魏来、石怀龙、高浩博士等人对两个型号的动车组开展了动力学方面的系统研究和持续攻关，他们系统梳理“和谐号”动车组运行中出现的与动力学有关的各类问题，寻找解决方案，提出提高“复兴号”动车组运行速度的措施，有力支撑了最复杂的走行系统的自主创新。在国内外最先进的滚动振动试验台上对“复兴号”动车组进行了试验，最高试验速度达到600km/h；在轨道交通国家实验室（筹）的结构振动试验台上，宋烨博士完成了对动车及拖车转向架构架最完整的疲劳试验；在新建车体疲劳试验台上，刘潮涛博士完成了对CR400BF动车组车体疲劳的研究性试验，该试验也是世界上第一次将牵引力、惯性力、气动载荷同时加载的试验。

正式开通前，王建斌、屈升、李大地、张大福、魏来他们就在大西、郑徐、京沪等线路上不分昼夜地忙碌，先后进行了两个型号动车组转向架动力学和车下悬吊设备的120万公里跟踪试验以及车体和构架工作模态试验，为“复兴号”动车组的长期安全平稳运行提供了理论与试验支撑。可以说，“复兴号”动车组的研制成功进一步奠定了西南交通大学在高速动车组系统动力学和结构可靠性研究方面的重要地位。

正像习近平总书记说的，科研工作者要把论文写在祖国的大地上。动强组的每一名成员，面向铁路建设主战场开展科学研究，脚踏实地，勇于创新，为“复兴号”动车组的安全运行贡献了自己的青春和智慧。

一个前沿实验室

在我国轨道交通大发展的背景下，牵引动力国家重点实验室适时站在了时代的浪尖上，参与和见证了中国高速列车的每一步发展。实验室于1989年开始筹建，1995年通过国家验收，是轨道交通第一个国家重点实验室。2003—2018年共进行了4次国家评估，其两次被评为优秀国家重点实验室，被评价为构建了轨道交通装备现代化发展的应用基础研究平台，有力支撑了我国铁路提速和高速的发展，在学科发展和赶超世界先进水平方面发挥了重要的引领和示范作用。实验室旨在瞄准轨道交通领域的国际前沿，把握技术发展趋势，以高速列车、重载列车、磁浮列车和城市轨道车辆为核心，开展基础理论研究、关键技术创新和系统集成创新，为现代轨道交通的发展提供基础理论和创新技术支持。实验室主要研究方向为轨道车辆设计理论、轮轨关系、动力学及可靠性研究，新型轨道车辆和牵引传动等新技术开发，以及检测和试验技术等。实验室自建立以来，共获得国家科技进步奖一等奖2项、二等奖3项，所支撑的交通运输工程学科在全国学科评估中连续4次排名第一。

在平台建设取得一系列重大突破的同时，沈志云、翟婉明、钱清泉等一批老院士带领实验室又组建起了一支老中青相结合的高素质研究队伍。瞄准轨道交通领域的国际前沿，根据轨道交通发展趋势和技术特点，重点开展以高速列车、重载列车、城市轨道交通等方面的基础理论和技术创新研究，在列车系统动力学、轮轨关系、弓网关系、流固关系、疲劳可靠性、磁悬浮技术、牵引传动技术及检测和试验技术等方面取得重要成果。尤其针对高速列车，实验室开展了大量的基础理论、技术创新和检测技术的研究工作，支撑了我国高速列车的创新设计，为高速列车的运行性能提供了保证。

一支强劲团队

动强组成立于2000年7月，隶属牵引动力国家重点实验室，当时沈志云院士的3个弟子——曾京、戴焕云和邬平波走到了一起，在沈志云院士的关心下，在张卫华教授、王开云研究员两任主任和其他领导的大力支持下，如今已发展成有26位老师、20名专业技术工人和近百名硕博研究生的科研团队，加上团队成立前核心成员10余年的专业研究，动强组从事系统动力学研究已有30余年。

动强组团队无论是规模还是科研经费在实验室的所有团队里都排名第一，与实验室的科研大方向保持高度一致，针对高速列车、重载列车、新型城轨车辆，构建了仿真分析、实验室台架试验和线路试验闭环研究体系，在设计阶段进行动力学仿真分析，优化和确定悬挂系统参数；在样机研制完成后进行台架试验，验证理论分析，发现问题并进行改进，再进行线路试验。团队开展了一系列理论研究和技术创新研究，所做工作有力地支撑了我国轨道交通车辆的发展，是我国机车车辆动力学研究的领头羊。

“虽然我们也做了一些新型城轨车辆的研究，但有创新的代表性的成果主要还在高速列车上。”曾京说，要对高速列车进行性能预测首先要建立一个非常精确的动力学模型，还要采用一些有效的分析方法，所以在高铁长期服役动力学性能的演化分析评估技术上，团队做了一些创新工作，包括开展整车台架试验、线路跟踪实验。通过这些工作，团队探明了高速动车组长期服役动力学性能及演化规律和性能的退化机制。另外，考虑到稳定性不够列车会被降速的问题，在实现列车运动稳定性技术提升方面团队也做了相关研究，因为掌握了列车在复杂服役环境下的演化规律，所以团队在此基础上，提出了以改善轮轨接触关系为目标的车轮踏面的优化设计方法，提高了车辆运动稳定性。除此，在运行安全性和平稳性技术提升方面，团队还研制了无损的轮轨作用力的连续测量技术，可以实现对运营时轮轨的连续测量和对脱轨安全性的监测。通过开展这三方面工作，团队实现了高速列车在长期服役运行中平稳性、安全性的全面提升。

在动力学仿真分析方面，团队主要进行高速转向架悬挂参数优化、轮轨匹配关系以及动力学性能预测，完成了我国各系列动车组如“和谐号”CRH2、CRH3、CRH5、CRH380和“复兴号”CR300、CR400等的动力学分析及悬挂参数优化，支撑了我国高速转向架的创新设计。在台架试验方面，利用整车滚动振动试验台进行临界速度、运行平稳性、振动模态等的测试，开展了各型动车组动力学性能的比选和优化及故障状态安全评估，最高试验速度达到600km/h。

在京广、京沪、哈大、兰新等客专线上，团队还对CRH1、CRH2、CRH3、CRH5、CRH6、“复兴号”（四方、长客、唐山）等20多列动车组开展了长期跟踪试验。据统计，测试规模已达3000多个通道，折算运行里程累计8000万公里，测试数据600T,测试车轮10万余片。为高速列车的运行安全和智能运维提供了依据。

那么做这些试验到底有什么用处？“可以对列车的性能做一些预测，进而提出一些避免问题发生的措施和解决方案”，曾京回答，“例如：找出车身抖动的机理，我们就能通过计算机把这种现象模拟出来，然后去改变列车的一些相应参数，避免抖动发生；另外，我们还可以从改善轮轨接触关系的角度来解决问题，设计出的新型车轮踏面，目前已在数百列动车组上安装，解决了列车异常振动的问题。还有车轮异常磨耗的问题，跑到一定程度，车轮就不圆了，这会导致列车的振动频率和强度增高，车上的一些零部件会因此被振裂。与国外不同，中国的高速铁路运营距离长，而列车的运行速度相对恒定，持续运营的话，由于激扰频率比较固定，容易导致轮轨系统共振，形成车轮多边形。对于此问题，我们探明了车轮多边形磨耗形成机制，也提出了相应解决方案，如采用跨线或变速运行方式，将列车的振动频率改变，车轮多边形问题也会得到缓解。”

作为国内动力学研究领域一支强劲的科研队伍，动强组团队不仅关注着列车运营中出现的一个个实实在在的问题，对一些超前问题的研究同样不遗余力。

通过承担原国家“973”、“863”和科技支撑计划课题，国家先进轨道交通重大专项，以及国家自然科学基金项目、国家自然科学高铁联合基金项目、原铁道部科技研发计划项目、中国铁路总公司科技研发计划项目等，针对更高速度等级动车组转向架关键技术及装备、智能高速列车系统关键技术及样车、高速列车轮轨型面匹配与蛇行运动机理、380km/h以上高速轮轨关系深化研究、动车组防脱轨安全技术、高速列车轮轨型面匹配优化及适应性和高速动车组转向架主动悬挂控制理论等问题开展了持续攻关，所做的大量开创性工作有力支撑了我国“和谐号”和“复兴号”动车组的研制和安全运营。

因贡献突出，研究成果“机车车辆-轨道耦合动力学理论体系、关键技术及工程应用”获2005年度国家科技进步奖一等奖，“铁道机车车辆走行部理论研究与应用”获2006年度国家科技进步奖二等奖，“高速列车系统动力学理论及其应用”获2008年中国铁道学会科学技术奖一等奖，“疲劳断裂可靠性理论研究及在典型结构中的应用”获2009年四川省科技进步奖一等奖，“高速列车动力学性能设计、优化与验证”获2013年中国铁道学会科学技术奖一等奖。

虽然以往所获成果很辉煌，但团队中每个成员都清楚，中国高铁的每一个精彩细节都是在试验台上经过千锤百炼的结果。所以要让世界见证中国高铁创造的一个又一个新的奇迹，作为它的塑造者只能躬身实干、风雨兼程。

奋楫扬帆 逐梦前行

动强组非常重视创新型人才队伍的建设。曾京说，团队中聪明的学生不少，但成为人才可能更需要对专业、对科研有真正的热爱，因为兴趣是最好的老师，有兴趣才有动力，有动力才不怕吃苦，才能坚持把路走下来。另外，还要有发现问题、解决问题的能力，有创新精神的同时，做事情还要踏实，不能急功近利。更重要的是，还要有合作精神，尤其是在世界已变成“鸡犬之声相闻”的地球村的大背景下，开展与国外团队的合作尤为必要。

动力学与强度研究团队

在与国外开展合作上，动强组团队也一直走在实验室的前列。除承担了菲律宾、伊朗、泰国、印度、巴西的车辆动力学试验及安全性试验外，还与一些国外的大学和企业开展了理论及技术方面的合作研究。通过国家自然科学基金国际合作交流项目，在高速列车关键部件的监测和健康评估关键技术研究上，团队正与英国哈德斯威尔大学铁路研究中心开展合作，目前各项工作进展顺利。为提升轮轨作用力的测量技术，与瑞士因特弗利特科技公司开展合作，团队克服了传统测量技术中的一些缺陷，掌握了无损无线连续测量技术，实现了技术水平与国外同步、在国内领先，并且技术已应用到国内的高铁和地铁相关测量中。

疫情是挑战，也是机遇。2020年9月，中车大连出口尼日利亚的内燃动车组按计划要到阿布贾现场做动力学型式试验，黄立和李涛两位老师带领测试人员，乘坐中土的包机飞向疫情肆虐的阿布贾，逆行背后是团队老师高度的责任心，是践行对大连公司的承诺。

中车四方股份出口美国芝加哥的地铁列车，原来是德国西门子公司去做动力学型式试验的，西门子公司借口疫情不去了，影响了四方股份的交车，动强组在认真查阅了西门子的试验大纲后，毅然接受这一试验任务，王建斌、李大地、屈升他们挑灯夜战，按期完成了试验。中车长客股份出口澳大利亚墨尔本地铁项目一样遇到瓶颈，原定由德国DB公司做动力学型式试验测试，其也是借口疫情不去了，动强组再次出手，也是王建斌、李大地、张大福、黄立等人在短短21天内，完成6条测力轮对的制作，按期发往澳大利亚。每一次面向西方发达国家的试验项目都是对标国际权威的测试机构，都是挑战最高水平测试技术，几场硬仗下来，动力学型式试验能力可以说是和国际接轨了，更重要的是，出了国门所做的事情就代表中国，动强组没有给中国丢脸，中车企业也没有因此让西方国家所谓的铁路认证机构的权威难住。

自2008年开始运行的中国高铁，第一批动车组使用寿命已过半，后续各种型号动车组运行的安全性、可靠性、经济性和维修性是摆在中国高铁面前的头等大事，戴焕云研究员一直非常关注这方面的研究，在课题组每周例会上，首要任务是对动车组现场测试结果进行讨论，就像给动车组看病，要及时总结规律发现问题，提出整改措施以保运用安全，在这方面，戴教授不愧为经验丰富的“老中医”。

为了进一步提高高速铁路运营速度，我国也将研究时速400公里的动车组技术提上了日程。如何攻克节能、减振、降噪、制动等技术难题，实现安全稳定、节能环保、平稳舒适、经济可靠等动车组安全舒适运行新指标，成为摆在动强组及其他相关科研工作者面前的新问题。

为应对挑战，在时速400公里动车组转向架关键技术研究上，目前团队正与中车合作，计划在既有高速线这样一个边界条件上开展时速400公里高速列车转向架的一些相关研究工作；在高速列车转向架主动半主动悬挂技术这一未来主要发展方向的研究上，团队计划将原来不可改变的被动悬挂参数变成可变的，根据高速列车实际运行情况实时调整参数，使高速列车能适应不同的运营环境；在轮轨关系的检测与健康管理上，团队将对高速动车组线路运行的适应性做出改进，保证列车长期服役的性能。除此，在降低列车的运维成本及高速列车转向架状态监测和智能运维研究上，动强组在未来也有一些计划要开展相关工作。

奋楫扬帆，逐梦前行。虽然未来充满挑战，但在勾画中国轨道交通精彩未来这件事上，动强组已做好了充足的准备，团队有信心、也有实力拥抱更广阔的未来。