高速列車安全服役關鍵基礎問題研究

1、高速列車安全服役關鍵基礎問題研究 2009年主要內容一.國家重大需求分析及擬解決的 關鍵科學問題二.主要研究內容和預期目標三.總體研究方案和創(chuàng)新點 四.工作基礎和研究條件一. 國家重大需求分析及擬解決的關鍵科學問題發(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 高速列車國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要 優(yōu)先主題 高速軌道交通高速鐵路路網規(guī)劃速度目標250350km/h建設計劃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、高速技術的強國中國5年

2、世界40年（2004年1月20日通過）“速度”是交通的靈魂 飛機鐵路城軌公路0100200300400500600700800900真空管道磁懸浮磁懸浮水運速度 / km/h軌道交通發(fā)展趨勢客運高速化貨運快捷、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低速常導高速常導城市輕軌線性驅動廣州獨立輪對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”路網建設。以北京、上海、廣州為中

3、心的提速客運網300500km左右實現“朝發(fā)夕至”12001500km左右實現“夕發(fā)朝至”20002500 km左右實現“一日到達”。在建9條客運專線，里程3000多公里，最高設計速度350km/h?！笆晃逡?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）結構疲勞火災 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日資中火車站貨場發(fā)生一起列車出軌事故 2005年8月1日一運煤列車在東營境內發(fā)生脫軌事故 2005年 7月31日由西安至長春的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，警方已確認死亡人數為56名。 結

5、構破壞軸箱處斷裂：翻車!軸箱斷軸開裂后 果 第一批提速車，sh160，sw160， cw160，ss8，z8g等均產生嚴重的結構可靠性問題而淘汰。200km/h等級高速列車SH200，“藍箭”、“大白鯊”也存在大量可靠性問題。廣州、上海地鐵列車轉向架出現類似的問題。導致鐵道部對200km/h以上等級機車車輛全部采用進口。嚴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：通過技術進步，降低交通事故死亡率，減少與交通運輸有關的經濟損失，形成較為完善的應急體系，具備對重大災害及突發(fā)事件處理的能力。安全運行是高速鐵路的根本41

6、1120064052005341120043352003371320025611200160152000572119995129199846181997險性事故重大事故年度 合計 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？引進技術,消化吸收,再創(chuàng)新基礎研究？靠自己系統集成？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，解決基本科學問題 某動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實：鋼軌波浪型磨損百年不解我國換鋼軌80億/年結構疲勞事故不斷英國1999/2000年度斷軌近千次列車脫軌無法準確評判（德、法

7、、日）高速脫軌世界高速鐵路歷經40年發(fā)展脫軌事故的影響因素性能失效人為環(huán)境災害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運動速度的提高振動的加劇線路接觸網氣流速度帶來的基礎問題線路車輛受電弓接觸網氣流的相互作用明顯加劇大系統的耦合振動流固耦合振動（氣流：阻力、顛覆列車）結構彈塑性振動復雜非線性系統穩(wěn)定性高速脫軌（跳軌）諸多假設不復存在多剛體、彈性和線性、靜態(tài)和穩(wěn)態(tài)車線耦合系統動力學輪軌滾動接觸模型J. J. Kalker穩(wěn)態(tài)、彈性脫軌評判準則Nadal（1896年）穩(wěn)態(tài)多剛體假設車線耦合動力學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高速列

8、車耦合大系統動力學 擬解決的關鍵科學問題1. 高速輪軌系統的動態(tài)行為與性能演變規(guī)律2. 復雜運動和多場作用下結構復合失效機制與相互演化規(guī)律3. 高速脫軌機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動力學理論國外研究計劃英國1999/2000年度斷軌事故為949次，為此英國投入1億英鎊研究對策，以期突破。美國啟動鐵路服役可靠性項目TRAIN II， 在過去20年間投資200億美元用于鐵道設施的改進，從而使事故率降低了74%。歐洲2004年2月1啟動了稱為MODTRAIN的鐵路研究項目，總預算投資3.04億。 日本1995年開發(fā)了新干線計算機安全-維修-運營系統(COSMOS)。國

9、外研究的特點重運營安全-維修-運營 重可靠性可靠性、維修性和有效性(RAM)重管理系統管理和網絡平臺重軟件分析動力學與有限元設計分析重經驗現場統計分析 基礎研究機理和機制的研究成果不多匯 報 提 綱一.國家重大需求分析及擬解決的 關鍵科學問題二.主要研究內容和預期目標三.總體研究方案和創(chuàng)新點 四.工作基礎和研究條件科學問題1. 高速輪軌系統的動態(tài)行為與性能演變規(guī)律復雜系統建模系統動態(tài)行為服役過程模擬系統性能演變二. 主要研究內容和預期目標科學問題2. 復雜運動和多場作用下結構復合失效機制與相互演化規(guī)律高速滾動輪軌高速滑動弓網緊配合微動輪軸結構振動構架力熱磁電磨損疲勞燒蝕腐蝕失效機制二. 主要研

10、究內容和預期目標科學問題2. 復雜運動和多場作用下結構復合失效機制與相互演化規(guī)律損傷失效機制不同失效共存競爭機制 復雜運動表征材料設計方法 二. 主要研究內容和預期目標科學問題3. 高速脫軌機理及其邊界特性的影響規(guī)律動態(tài)脫軌機理服役安全域脫軌充要條件二. 主要研究內容和預期目標邊界特征表征線路橋梁風地震建立高速列車耦合大系統動力學理論掌握高速列車的動態(tài)行為和高速脫軌機理揭示不同運動模式和多場耦合作用的失效機制穩(wěn)定一支高水平、高素質的鐵路基礎科學研究隊伍二. 主要研究內容和預期目標 保證我國高速鐵路的快速發(fā)展和安全服役匯 報 提 綱一.國家重大需求分析及擬解決的 關鍵科學問題二.主要研究內容和預

11、期目標三.總體研究方案和創(chuàng)新點 四.工作基礎和研究條件五.研究隊伍和學術骨干1. 技術路線三. 總體研究方案和創(chuàng)新點系統建模服役模擬系統行為多場作用失效機制脫軌機理邊界條件安全服役載荷模擬運動方式模擬強外場和環(huán)境模擬零部件試驗輪 軌弓 網輪 軸構 件高速滑動緊配合微動高速滾動結構振動動態(tài)行為改善服役工況在線檢測脫軌預防失效鏈影響度服役模擬脫軌機理試驗技術仿真技術載荷譜高速輪軌系統實物試驗運行邊界模擬電、磁場溫 度 場環(huán) 境力 場風載荷地震波線路狀態(tài)失效機制 研究方案框圖 材料失效模型結構損傷模型參數時變模型數學模型輪軌滾動弓網滑動輪軸微動結構振動課題6：高速脫軌機理及控制課題1：高速輪軌系統的

12、動態(tài)行為與性能演變規(guī)律課題2：高速輪軌滾動失效機制及優(yōu)化匹配課題3：高速弓網載流滑動失效機制與材料設計課題4：多模式耦合復雜微動失效機制及防護課題5：復雜載荷下金屬材料的超高周(Gigacycle)疲勞損傷機理及壽命預測2. 課題設置三. 總體研究方案和創(chuàng)新點科學問題1科學問題3科學問題2課題關系三. 總體研究方案和創(chuàng)新點課題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：高速輪軌系統的動態(tài)行為與性能演變規(guī)律 建立復雜多體多態(tài)的輪軌系統模型 開展服役過程模擬性能演變過程廣義失效過程（材料、結構、參數、性能） 掌握動態(tài)行為與性能演變規(guī)律三. 總體研究方案和創(chuàng)新點課題2：高

13、速輪軌滾動失效機制及優(yōu)化匹配 三. 總體研究方案和創(chuàng)新點建立高速輪軌彈塑性滾動接觸力學模型 揭示高速輪軌失效機制 波浪形磨損、滾動接觸疲勞機制磨損和疲勞競爭機制提出高速輪軌磨損和疲勞預防與減緩措施 課題3：高速弓網載流滑動失效機制與材料設計 三. 總體研究方案和創(chuàng)新點揭示力、電、熱和自然環(huán)境耦合下弓網的摩擦磨損規(guī)律 掌握電弧形成和燒蝕機制 提出弓網材料匹配關系和材料設計準則 課題4：多模式耦合復雜微動失效機制及防護 三. 總體研究方案和創(chuàng)新點揭示特殊微動模式的界面動力學特性及運行機理 建立不同微動模式接觸界面損傷機理及磨損與疲勞競爭關系 提出抗微動失效的表面工程設計原理 課題5：復雜載荷下金屬

14、材料的超高周(Gigacycle)疲勞損傷機理及壽命預測 三. 總體研究方案和創(chuàng)新點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計和壽命預測方法 課題6：高速脫軌機理及控制 三. 總體研究方案和創(chuàng)新點揭示高速脫軌機理和充要條件 掌握邊界特性對高速列車脫軌的影響規(guī)律 軌道譜、線橋特性、風載荷、地震波確定高速運行的安全域提出高速脫軌評判方法和預防控制方法 高速列車耦合大系統動力學理論輪軌關系弓網關系流固耦合關系高速重載服役條件下的材料多場耦合復合失效機制輪軌滾動摩擦與接觸疲勞機制電弧燒損與滑動摩擦機制復合微動疲勞機制三. 總體研究方案和創(chuàng)新點匯 報

15、提 綱一.國家重大需求分析及擬解決的 關鍵科學問題二.主要研究內容和預期目標三.總體研究方案和創(chuàng)新點 四.工作基礎和研究條件五.研究隊伍和學術骨干牽引動力國家重點實驗室材料先進技術教育部重點實驗室軌道交通國家實驗室西南交通大學四、研究條件和工作基礎牽引動力國家重點實驗室（優(yōu)秀國家重點實驗室）人才的優(yōu)勢2名院士，4個特聘教授，4名杰出青年，7名跨世紀人才，4名優(yōu)秀博士論文獲得者群體優(yōu)勢2004年教育部創(chuàng)新團隊，2005年國家自然科學基金委創(chuàng)新研究群體四、研究條件和工作基礎機車車輛整車模擬運行試驗臺和零部件失效試驗臺先進的材料微結構檢測和分析設備 設備的優(yōu)勢四、研究條件和工作基礎機車車輛整車滾動振動試驗臺目前世界上規(guī)模最大、功能最強、唯一可以進行曲線模擬的機車車輛運行模擬試驗臺國家科技進步一等獎四、研究條件和工作基礎 成果的優(yōu)勢序號項目名稱獲獎級別獲獎時間相關性1機車車輛整車滾動振動試驗臺國家科技進步一等獎1999課題22鐵道機車車輛軌道耦合動力學理論體系、關鍵技術及工程應用國家科技進步一等獎2005課題1課題63微動摩擦學研究國家自然科學二等獎2006課題44牽引供電自