高速铁路轨道系统全国重点实验室。

 

    近日，在第二十五届中国科学技术协会年会主论坛上，中国科协发布2023重大科学问题、工程技术难题和产业技术问题。中国铁道科学研究院集团有限公司提报的“如何探明更高速度轮轨系统耦合机理及能量场分布特征”被遴选为2023重大科学问题之一，实现了铁路行业“零”的突破。铁科院集团公司铁道建筑研究所副研究员闫子权对此接受了本报记者的采访，围绕这一问题的研究进度、研究意义等进行了详细的阐述。

 

    记者：这一研究问题入选中国科协发布的2023重大科学问题，对铁路行业来说有何重要意义？

 

    闫子权：入选2023重大科学问题，首先表明铁路轮轨关系基础领域的研究有了长足进步，并得到了中国科协和社会的广泛认可。其次，这一问题的发布也为我国高速铁路基础领域的研究指明了方向，为构建我国高速铁路全面系统正向设计理论和方法体系、整体提升我国铁路行业国际竞争地位，提供了坚实的理论基础。

 

    记者：可以简单介绍一下轮轨关系和轮轨系统耦合机理及能量场分布特征吗？

 

    闫子权：轮轨关系是车辆—轨道系统的核心，通过轮轨的滚动接触实现列车支承、导向和牵引，其服役行为直接关系列车的运行安全，是保障高速铁路安全、高效运营和技术创新的重要支撑。至今世界范围内仍未完全掌握高速铁路轮轨耦合作用机理。

 

    列车运营速度是衡量一个国家铁路发展水平和工业科技水平的重要指标之一。为了提高影响力和竞争力，当前世界上多个国家已计划或规划进一步提高列车运营速度。而轮轨系统耦合机理是制约轮轨制式交通运营速度、安全性、可靠性和舒适性进一步提升的关键核心。我国高速铁路地质条件和气候环境多样多变，使得我国高速铁路轮轨关系变得尤为复杂。在服役过程中，个别车辆或区段出现了车轮多边形和钢轨波磨等病害，这些病害或伤损均与轮轨系统耦合机理及能量分布和耗散密切相关。

 

    高速铁路车辆和工务工程基础设施系统表现为明显的层状特征，轮轨力激励能量向上向下传递时具有明显的层状衰减特征，不同层状结构本身的能量场特征及各层之间的能量场交互机理、传递路径及耗散机制尚不清晰，是制约列车运行速度、安全性、可靠性和舒适度提升的关键科学问题。在更高速度条件下，轮轨瞬态滚动接触行为变得更为复杂，存在强摩擦力、多环境能量交互、高应变率载荷等复杂效应。更高速度轮轨复杂的耦合接触行为将导致系统能量场发生不可预知的变化，并在轮轨系统多环境能量场交互机制作用下，产生车辆—轨道系统的能量重构现象，如动能、势能、摩擦能、热能等多种能量交互和重构，若能量耗散不合理，将导致车辆和轨道系统关键部件的伤损，影响列车运行的安全性和系统可靠性。

 

    记者：铁科院集团公司一直深耕轮轨关系研究领域，之前都破解过哪些科学和技术难题，为这一课题的提出奠定了基础？

 

    闫子权：铁科院集团公司深耕轮轨关系基础研究领域数十年，破解了多项科学和技术难题：

 

    一是轮轨型面合理匹配，研究提出高速铁路轮轨型面优化设计方法，研发应用了60N钢轨廓形和LMB-10车轮型面，形成高速铁路钢轨打磨成套技术，优化动车组车轮镟修工艺，有力保障了良好轮轨关系及动车组运行品质。

 

    二是轮轨等效锥度管理研究，通过车轮等效锥度测试、专项试验、钢轨调研、动力学仿真，掌握了全寿命的等效锥度发展规律，提出了等效锥度管理要求，有效解决了晃车和抖车问题。

 

    三是高速轮轨黏着及利用研究，利用全尺寸高速轮轨关系试验台试验了多种单因素对高速轮轨牵引黏着的影响，获得了高速轮轨水介质条件下的牵引黏着特性规律，绘制了时速440公里及以下速度范围内的牵引黏着系数分布图，填补了国际空白，支撑下一代高速列车牵引系统参数设计和防空转策略优化。

 

    四是车轮多边形磨损成因及控制措施研究，识别了影响车轮多边形发展的关键影响因素，实施了车轮镟修质量控制，提出了动车组不定时调整交路运行进行混线运行和动车组增加踏面清扫装置等控制措施，有效抑制了车轮多边形的产生和发展。

 

    五是高速铁路轨道关键部件共振伤损研究，揭示了轮轨周期性不平顺引起高频激励频率导致弹条共振断裂的内在机理，提出了优化弹条频率和消除轮轨周期性磨耗等养修措施，有效解决了弹条共振伤损问题。

 

    铁科院集团公司在轮轨关系基础领域进行了大量的深入研究，解决了多项科学和技术问题，有力保障了我国高速铁路的安全运行，也为该科学问题的提出奠定了坚实的基础。

 

    记者：能否介绍一下目前这一问题的研究进度？世界上对这一问题的研究是什么样的进展？

 

    闫子权：轮轨关系领域一直是国内外研究的热点和难点。在轮轨滚动接触疲劳方面，我们采取了优化轮轨型面和硬度匹配等多种缓解和抑制措施，以减少轮轨接触应力和改善轨道与车辆结构性能，降低轮轨之间的动力作用。

 

    轮轨滚动接触疲劳试验研究方面，英国、德国、法国等国家研究了在滚动接触循环作用下，车轮表面材料发生严重塑性变形积累，从而导致车轮表面裂纹产生，利用实尺轮轨试验台研究了珠光体钢和贝氏体钢钢轨的耐磨性能，并从微观角度揭示钢轨表面在循环荷载作用下产生晶粒破碎细化、硬度升高、产生塑性变形层等。我国研究人员对因轮轨匹配问题而导致轮轨接触位置不良、动车组构架横向加速度超限报警、动车组异常抖动、钢轨波磨、道岔直尖轨非工作边疲劳裂纹等的具体成因进行了研究，并在实验室进行不同硬度车轮和钢轨的对磨试验，对比分析硬度不同的车轮与钢轨对磨时的轮轨磨损、变形和接触疲劳伤损等。

 

    在轮轨周期性磨耗方面，英国、德国、法国等国家探索性地研究了车轮多边形和钢轨波磨的产生机理，认为轮轨接触共振是轮轨周期性磨耗产生的主要原因之一。我国研究人员在分析国内外铁路钢轨波浪形波磨理论基础上，提出了集车辆轨道垂向横向耦合动力学、轮轨滚动接触力学和钢轨材料摩擦磨损模型于一体的钢轨磨耗型波浪形磨损计算模型，并建立轮轨系统垂向—横向—轮对弯曲和扭转非线性空间耦合振动时变模型，通过空间耦合振动研究，融合轮轨系统垂向振动、轮对弯曲振动、轮对扭转振动和磨耗功波动等波磨成因理论，建立了“轮对粘滑振动—磨耗功波动—磨损型波磨”的波磨成因理论。

 

    在轮轨关系技术手段方面，国内外专家学者也进行了大量的探索性研究。英国、德国、法国等国家最初采用小比例式样进行相关试验，两个弹性圆盘在接触点附近由于发生“接触共振”而产生波磨的机理，分析轮轨系统间的摩擦、振动及材料的塑性变形等。我国研究人员除小比例式样试验外，还进行了足尺试验和现场试验。我们通过对京沪高铁、京广高铁、哈大高铁等6条线路的跟踪测试，研究认为轮轨周期性磨耗的产生和发展与车轮初始表面状态、车轮硬度、钢轨表面粗糙度、轨道结构型式、运行交路、季节气候等因素密切相关。

 

    理论研究从最初宏观力学分析，逐步深入中观材料力学行为，并探索至材料微观的金相组织变化研究。技术研究从最初缩比试验，逐步深入足尺试验和现场试验，分析频率也由低频、中频向高频发展，以适应更高速度轮轨关系的研究需求。

 

    虽然在轮轨关系领域国内外学者进行了大量研究，但仍存在一些问题需进一步深入分析：

 

    一是复杂环境下更高速度轮轨耦合机理仿真理论及试验方法。二是轮轨系统能量场分布特征及其积聚耗散表征方法。三是异常轮轨表面状态形成和演变机理及多尺度综合反演方法。四是多源轮轨系统智能感知及分析诊断方法。

 

    记者：这一课题的研究意义有哪些？研究成果将会给高速铁路安全运营提供哪些有力的科技支撑？

 

    闫子权：更高速度轮轨系统耦合机理及能量场分布特征科学问题的逐步突破，可推动轮轨关系科学领域的长足进步，占领轮轨关系领域科学高地，构建我国高速铁路全面系统正向设计理论和方法体系，进一步提高我国高速铁路的安全性、可靠性和舒适度，降低运营安全风险和成本，对整体提升我国铁路行业国际竞争地位，持续引领世界高速铁路发展具有重要意义。