高速列车安全服役关键基础问题研究

高速列车安全服役关键基础问题研究2009年主要内容一.国家重大需求分析及拟解决的关键科学问题二.主要研究内容和预期目标三.总体研究方案和创新点四.工作基础和研究条件一.国家重大需求分析及拟解决的关键科学问题发展高速铁路是国家需求4.18铁路大提速——250km/h——高速铁路13亿人口和960万平方公里国土的需求能源、环保、和谐、可持续发展的要求高速列车《国家中长期科学和技术发展规划纲要》优先主题——高速轨道交通高速铁路路网规划速度目标——250～350km/h建设计划——2010年：7000公里——2020年：12000公里世界高速铁路——1964年，6400公里中国——高速铁路的大国、高速技术的强国中国5年世界40年（2004年1月20日通过）“速度”是交通的灵魂飞机铁路城轨公路0100200300400500600700800900真空管道磁悬浮磁悬浮水运速度/km/h轨道交通发展趋势客运高速化货运快捷、重载城际交通公交化高速磁悬浮城市轨道交通提速和高速列车200km/h动车组摆式列车1997年4月1日中华之星321.5km/h2002年11月重载列车万吨列车磁悬浮列车无接触，无磨耗，使用成本低高温超导低速常导高速常导城市轻轨线性驱动——广州独立轮对低地板——大连单轨列车——重庆低速磁悬浮——上海北京、上海、广州深圳、南京、武汉成都、杭州、哈尔滨铁路的发展完成“八纵八横”路网建设。以北京、上海、广州为中心的提速客运网300~500km左右实现“朝发夕至”1200~1500km左右实现“夕发朝至”2000~2500km左右实现“一日到达”。在建9条客运专线，里程3000多公里，最高设计速度350km/h。“十一五规划”存在问题提速、高速、城轨安全问题•脱轨•钢轨波浪型磨耗、压溃和接触疲劳裂纹•车轴冷切断裂（每年几十次）•结构疲劳•火灾•……1998年德国高速列车脱轨101人死亡，88人重伤。2002年美国快速列车发生脱轨，死伤160余人。2003年日本特快列车脱轨死伤：约60人。高速列车脱轨我国的脱轨事故2005年7月14日辽宁抚顺列车脱轨2005年8月28日陇海线列车脱轨2005年3月17日从贵州兴义开往广西南宁的一列货运列车脱轨事故2005年5月11日一列火车在宝成铁路发生脱轨事故2005年7月29日资中火车站货场发生一起列车出轨事故2005年8月1日一运煤列车在东营境内发生脱轨事故2005年7月31日由西安至长春的K127次列车，在哈大线上四节车厢脱轨，2004年08月29日北京地铁列车脱轨2005年10月13日长春轻轨列车发生脱轨事故脱轨事故频繁地铁事故——恐怖事件莫斯科——莫斯科地铁爆炸案，造成38人死亡，101人受伤的悲剧。韩国——韩国东部城市大邱市地铁纵火灾难，造成至少130人死亡、99人失踪的惨剧，英国——伦敦发生多起地铁和公共汽车自杀式爆炸，警方已确认死亡人数为56名。结构破坏轴箱处断裂：翻车!轴箱断轴开裂后果第一批提速车，sh160，sw160，cw160，ss8，z8g等均产生严重的结构可靠性问题而淘汰。200km/h等级高速列车SH200，“蓝箭”、“大白鲨”也存在大量可靠性问题。广州、上海地铁列车转向架出现类似的问题。导致铁道部对200km/h以上等级机车车辆全部采用进口。严重影响行车安全我国2020年交通科技发展战略轨道交通最基本的要求是安全。安全是轨道交通研究的永恒课题提出具体的科技目标：通过技术进步，降低交通事故死亡率，减少与交通运输有关的经济损失，形成较为完善的应急体系，具备对重大灾害及突发事件处理的能力。安全运行是高速铁路的根本411120064052005341120043352003371320025611200160152000572119995129199846181997险性事故重大事故年度合计139次455次高速列车的安全服役依靠谁中国5年=世界40年——可行？安全？高速技术？——引进技术,消化吸收,再创新基础研究？——靠自己系统集成？——靠自己安全保障？——靠自己51015200.00.20.40.60.81.0减载率三角坑波长L/mm1012141618200.00.20.40.60.81.0减载率三角坑幅值A/mm高速列车的安全服役依靠谁需要从源头上开展创新研究，解决基本科学问题某动车组轮重减载率超过限值提出线路平顺性的要求——保证安全性无法回避的现实：钢轨波浪型磨损—百年不解—我国换钢轨80亿/年结构疲劳—事故不断—英国1999/2000年度断轨近千次列车脱轨—无法准确评判—（德、法、日）高速脱轨世界高速铁路历经40年发展脱轨事故的影响因素性能失效人为环境灾害20％40％60％高速带来的安全问题不平稳不稳定疲劳摩擦磨损接触疲劳失效脱轨相对运动速度的提高振动的加剧线路接触网气流速度带来的基础问题线路－车辆－受电弓－接触网－气流的相互作用明显加剧——大系统的耦合振动——流固耦合振动（气流：阻力、颠覆列车）——结构弹塑性振动——复杂非线性系统稳定性——高速脱轨（跳轨）诸多假设不复存在——多刚体、弹性和线性、静态和稳态车线耦合系统动力学轮轨滚动接触模型——J.J.Kalker——稳态、弹性脱轨评判准则——Nadal（1896年）——稳态多刚体假设车－线耦合动力学模型翟－孙模型柔性体刚性体连续体离散体堆积体弹性体流体高速铁路系统高速列车耦合大系统动力学拟解决的关键科学问题1.高速轮轨系统的动态行为与性能演变规律2.复杂运动和多场作用下结构复合失效机制与相互演化规律3.高速脱轨机理及其边界特性的影响规律高速列车安全服役高速列车耦合大系统动力学理论国外研究计划英国——1999/2000年度断轨事故为949次，为此英国投入1亿英镑研究对策，以期突破。美国——启动铁路服役可靠性项目TRAINII，在过去20年间投资200亿美元用于铁道设施的改进，从而使事故率降低了74%。欧洲——2004年2月1启动了称为MODTRAIN的铁路研究项目，总预算投资￡3.04亿。日本——1995年开发了新干线计算机安全-维修-运营系统(COSMOS)。国外研究的特点重运营——安全-维修-运营重可靠性——可靠性、维修性和有效性(RAM)重管理系统——管理和网络平台重软件分析——动力学与有限元设计分析重经验——现场统计分析基础研究——机理和机制的研究成果不多汇报提纲一.国家重大需求分析及拟解决的关键科学问题二.主要研究内容和预期目标三.总体研究方案和创新点四.工作基础和研究条件科学问题1.高速轮轨系统的动态行为与性能演变规律复杂系统建模系统动态行为服役过程模拟系统性能演变二.主要研究内容和预期目标科学问题2.复杂运动和多场作用下结构复合失效机制与相互演化规律高速滚动——轮轨高速滑动——弓网紧配合微动——轮轴结构振动——构架力热磁电磨损疲劳烧蚀腐蚀失效机制二.主要研究内容和预期目标科学问题2.复杂运动和多场作用下结构复合失效机制与相互演化规律损伤失效机制不同失效共存竞争机制复杂运动表征材料设计方法二.主要研究内容和预期目标科学问题3.高速脱轨机理及其边界特性的影响规律动态脱轨机理服役安全域脱轨充要条件二.主要研究内容和预期目标边界特征表征线路桥梁风地震建立高速列车耦合大系统动力学理论掌握高速列车的动态行为和高速脱轨机理揭示不同运动模式和多场耦合作用的失效机制稳定一支高水平、高素质的铁路基础科学研究队伍二.主要研究内容和预期目标保证我国高速铁路的快速发展和安全服役汇报提纲一.国家重大需求分析及拟解决的关键科学问题二.主要研究内容和预期目标三.总体研究方案和创新点四.工作基础和研究条件五.研究队伍和学术骨干1.技术路线三.总体研究方案和创新点系统建模服役模拟系统行为多场作用失效机制脱轨机理边界条件安全服役载荷模拟运动方式模拟强外场和环境模拟零部件试验轮轨弓网轮轴构件高速滑动紧配合微动高速滚动结构振动动态行为改善服役工况在线检测脱轨预防失效链影响度服役模拟脱轨机理试验技术仿真技术载荷谱高速轮轨系统实物试验运行边界模拟电、磁场温度场环境力场风载荷地震波线路状态失效机制研究方案框图材料失效模型结构损伤模型参数时变模型数学模型轮轨滚动弓网滑动轮轴微动结构振动课题6：高速脱轨机理及控制课题1：高速轮轨系统的动态行为与性能演变规律课题2：高速轮轨滚动失效机制及优化匹配课题3：高速弓网载流滑动失效机制与材料设计课题4：多模式耦合复杂微动失效机制及防护课题5：复杂载荷下金属材料的超高周(Gigacycle)疲劳损伤机理及寿命预测2.课题设置三.总体研究方案和创新点科学问题1科学问题3科学问题2课题关系三.总体研究方案和创新点课题1课题2/3/4/5课题6服役载荷失效模型脱轨模型服役条件安全性课题1：高速轮轨系统的动态行为与性能演变规律建立复杂多体多态的轮轨系统模型开展服役过程模拟——性能演变过程——广义失效过程（材料、结构、参数、性能）掌握动态行为与性能演变规律三.总体研究方案和创新点课题2：高速轮轨滚动失效机制及优化匹配三.总体研究方案和创新点建立高速轮轨弹塑性滚动接触力学模型揭示高速轮轨失效机制——波浪形磨损、滚动接触疲劳机制——磨损和疲劳竞争机制提出高速轮轨磨损和疲劳预防与减缓措施课题3：高速弓网载流滑动失效机制与材料设计三.总体研究方案和创新点揭示力、电、热和自然环境耦合下弓网的摩擦磨损规律掌握电弧形成和烧蚀机制提出弓网材料匹配关系和材料设计准则课题4：多模式耦合复杂微动失效机制及防护三.总体研究方案和创新点揭示特殊微动模式的界面动力学特性及运行机理建立不同微动模式接触界面损伤机理及磨损与疲劳竞争关系提出抗微动失效的表面工程设计原理课题5：复杂载荷下金属材料的超高周(Gigacycle)疲劳损伤机理及寿命预测三.总体研究方案和创新点建立变幅载荷和冲击载荷作用下材料的超高周疲劳断裂行为和损伤模型提出材料的超高周疲劳可靠性设计和寿命预测方法课题6：高速脱轨机理及控制三.总体研究方案和创新点揭示高速脱轨机理和充要条件掌握边界特性对高速列车脱轨的影响规律——轨道谱、线桥特性、风载荷、地震波确定高速运行的安全域提出高速脱轨评判方法和预防控制方法高速列车耦合大系统动力学理论——轮轨关系——弓网关系——流固耦合关系高速重载服役条件下的材料多场耦合复合失效机制——轮轨滚动摩擦与接触疲劳机制——电弧烧损与滑动摩擦机制——复合微动疲劳机制三.总体研究方案和创新点汇报提纲一.国家重大需求分析及拟解决的关键科学问题二.主要研究内容和预期目标三.总体研究方案和创新点四.工作基础和研究条件五.研究队伍和学术骨干牵引动力国家重点实验室材料先进技术教育部重点实验室轨道交通国家实验室西南交通大学四、研究条件和工作基础牵引动力国家重点实验室（优秀国家重点实验室）人才的优势——2名院士，4个特聘教授，4名杰出青年，7名跨世纪人才，4名优秀博士论文获得者群体优势——2004年教育部创新团队，2005年国家自然科学基金委创新研究群体四、研究条件和工作基础机车车辆整车模拟运行试验台和零部件失效试验台先进的材料微结构检测和分析设备设备的优势四、研究条件和工作基础机车车辆整车滚动振动试验台目前世界上规模最大、功能最强、唯一可以进行曲线模拟的机车车辆运行模拟试验台——国家科技进步一等奖四、研究条件和工作基础成果的优势序号项目名称获奖级别获奖时间相关性1机车车辆整车滚动振动试验台国家科技进步一等奖1999课题22铁道机车车辆－轨道耦合动力学理论体系、关键技术及工程应用国家科技进步一等奖2005课题1课题63微动摩擦学研究国家自然科学二等奖2006课题44牵引供电自动化系统成套技术及应用国家科技进步二等奖2005课题35铁道机车车辆走行部理论研究及应用国家科技进步二等奖2006课题5四、研究条件和工作基础四、研究条件和工作基础轮轨接触模型—沈氏理论基础研究微动摩擦学车线耦