从10多年前的80～90公里/小时，到120公里/小时、140公里/小时，再到160公里/小时，中国铁路旅客列车工作速度的每一次提升都是对既有铁路线路（简称“既有线”）的新考验。中国铁路第6次大提速后，既有线公里/小时的既有线能否承受超负荷运行之重？

  4月18日，中国铁路第6次大提速开始在京哈、京沪、京广、陇海、兰新、胶济、武九、浙赣等线路实施。这次提速的特点是首次在既有铁路提速干线公里以上动车组，以及时速120公里、载重5000吨的货运重载列车。

  “从6次大提速的情况去看，超前开展既有线列车提速的理论与应用基础研究很重要，而国家自然科学基金的资助对此起了关键作用，其研究成果夯实了中国铁路提速的基础。”牵引动力国家重点实验室副主任、西南交通大学列车与线路研究所所长翟婉明教授在接受《科学时报》采访时说。

  自20世纪90年代起，国家自然科学基金资助了多项有关铁路提速的基础研究及应用基础研究项目。翟婉明主持并开展了包括国家杰出青年科学基金项目“铁路大系统动力学理论的研究与应用”在内的一系列国家自然科学基金课题。

  中国铁路的特点是很鲜明的。一方面，铁路网密度（0.56公里/万人）极低，仅为德国、法国路网密度的1/8，美国的1/10；另一方面，运量、运输密度均位居世界铁路之首。翟婉明说，目前中国以6%的世界铁路营运里程，完成了世界铁路1/4的运量!运输密度为世界第一。但这也只能满足社会60%的需求！

  “客货混运”也是中国铁路的鲜明特点：客、货列车在同一线上运营，线路标准不高。而西方发达国家铁路实行客货分线：日本、德国、法国的高速铁路完全运送旅客；美国的重载铁路采用特重型、加强型的轨道结构专门运载货物，技术标准都很高。

  翟婉明说：“我国更主要的是靠在既有线上反复提速、加载。现有的铁路线路还是几十年前设计的，当时设计的最高时速为120公里，而实际行驶速度客车一般只有80～90公里/小时，货车仅有40～60公里/小时。自1997年首次提速至今，客、货列车工作速度逐步的提升，铁路运能逐步的提升，与此同时，这种超负荷运输模式也严重加剧了机车车辆与线路间的动力作用，带来了较常规铁路更为突出的轮轨动态安全问题。”

  “如何改造标准并不高的既有线路，实现列车安全提速？这是我国铁路跨越式发展中遇到的核心问题，也是世界铁路未曾遇到的难题。但如果能更多地依靠先进的理论和技术，在中国铁路既有线上提速是完全可行的。”翟婉明说。

  传统的车辆动力学、轨道动力学理论体系，是将机车车辆和铁路轨道分离成两个相对独立的子系统分别加以研究。翟婉明在反复研究经典理论体系基础上认识到：根据我们国家铁路特有的情况，单纯从车辆子系统或轨道子系统本身进行研究并不能解决其超负荷运输方式下突出的列车与线路动态相互作用问题。

  上世纪90年代初，他提出了将车辆系统和轨道系统作为一个相互作用、相互耦合的整体大系统来研究的学术思想。这一研究设想先后得到了“车辆轨道耦合动力学的研究”、“铁路大系统动力学理论的研究与应用”、“高速列车与线桥结构动态相互作用理论分析与试验研究”、“提速机车车辆横向非线性振动的理论与试验研究”等一系列国家自然科学基金项目的持续支持，翟婉明课题组于是开始了机车车辆轨道耦合动力学理论体系及工程应用的系统研究。

  翟婉明说：“铁路提速安全是工程性很强的研究，而自然科学基金项目侧重于（应用）基础研究，二者看似矛盾，其实不然。自然科学基金项目对铁路重大工程建设项目中的共性基础（技术）问题的研究，不仅夯实了铁路实现跨越式发展的基础，也证明了我国铁路在超负荷运输模式下进一步提速、重载是安全可行的。机车车辆轨道耦合动力学理论体系及工程应用研究经历了理论研究、应用基础研究及工程应用研究3个阶段，而前两个阶段主要是在国家自然科学基金资助下完成的。”

  在老一辈学科带头人沈志云、严隽耄、孙翔教授的指导下，翟婉明带领一个年轻的团队从理论源头开始了这个专题的研究。经过近20年研究，系统创建了机车车辆轨道耦合动力学全新理论体系，包括学术思想、理论模型、数值方法、仿真方法、设计方法及试验方法；系统建立了机车车辆轨道统一模型，包括各种典型机车、客车、货车模型以及有碴、无碴轨道模型，解决了轮轨动态耦合建模和散粒体道床振动模拟等国际性难题，在国际上被称为“翟孙模型”(孙指翟婉明研究生时期的导师孙翔)。机车车辆轨道耦合动力学理论体系及工程应用的研究成果，2005年入选“中国高校十大科技进展”，获得2005年国家科学技术进步一等奖。

  提速以后，原来标准不高的既有铁路怎么做加固强化？翟婉明说，显然不可能全面改造，只有通过理论分析和现场试验找到它们的薄弱环节和瓶颈路段，提出既经济合理又科学可行的技术措施和办法。

  针对铁路提速线路结构薄弱部位的重大安全风险隐患，翟婉明课题组研究揭示了提速列车与道岔、接头、桥头以及小半径曲线等处动态相互作用规律和线路变形恶化机理，提出了提速道岔无缝化改造、线路接头减振设计、路桥过渡段加固及小半径曲线强化等配套改造技术，成功应用于既有线提速改造工程。

  在西南山区，铁路穿过的地区多为崇山峻岭，小半径曲线有几千个，最小的曲线米。曲线地段原先大都采用木枕线路，列车通过速度仅为每小时30～50公里，成为限制山区铁路运能的重要的条件，而且线路几何状态差、变形破损严重，危及行车安全。翟婉明课题组与成都铁路局合作，通过对小半径曲线轮轨动态作用安全来进行理论分析及安全改造方案比选，并进行现场试验评估，提出了山区铁路小半径曲线困难路段线路强化配套技术。应用此项技术，成都铁路局先后对黔桂线、川黔线、湘黔线大干线铁路小半径曲线路段实施安全改造工程，累计完成曲线余公里，不仅确保了山区铁路行车安全，而且有效提升了困难路段列车通过速度。

  理论建立起来后，要具体应用于铁路工程，还需经过重要的技术环节。为此，翟婉明课题组致力于“从理论模型到设计计算，到仿真技术，再到现场试验”的技术体系的研究，形成了机车车辆与线路最佳匹配设计技术，建立了具有自主知识产权的机车车辆与轨道系统动态仿真设计技术平台和轮轨动态作用现场试验评估技术平台。

  翟婉明说：“这两个技术平台的重要之处在于，使机车车辆轨道耦合动力学理论和列车提速工程实践得以接轨，为超负荷运输模式下机车车辆及轨道系统动力性能优化设计及运用安全性评估提供了技术方法。”

  机车车辆轨道耦合动力学理论、试验及仿真技术形成后，即被大范围的应用于我国铁路机车车辆开发设计、既有铁路提速改造、山区铁路扩能改造、重载运输、客运专线建设等重点工程领域之中，这中间还包括时速200公里的“天梭号”新型机车研制，提速客运电力机车“韶山7E”改进设计，京秦、成渝、黔桂、川黔、贵昆线等干线铁路提速及安全改造工程，以及秦沈、遂渝、福厦、广深港等设计时速200～350公里的新建铁路工程。

  “韶山7E”客运电力机车是第5次铁路大提速的主力车型，设计时速为170公里。然而在2002年第一台样车研制出来后，发现该机车横向振动异常。翟婉明说：“这样的一个问题不解决，就不可以应用于大提速。按传统做法，有必要进行改进试制试验循环反复，直到合格，这个周期往往需要1～2年时间。”

  翟婉明课题组研究后发现，这是一个典型的机车车辆在轨道结构上的横向非线性动力学问题，一定要考虑线路的影响因素及其相互匹配关系。他们运用耦合动力学理论和匹配设计技术，借助于仿真技术平台，通过对系统动态参数进行优化匹配后，仅用了两个月时间就给出了解决方案，从而使“韶山7E”提前投入批量生产，及时满足了陇海铁路、京广铁路的提速运用需求。目前该提速机车已生产140余台。

  翟婉明说：“我们赶上了中国铁路跨越式发展的大好时机，使我们的研究从源头开始就可以瞄准国家的重大需求，最终形成产、学、研相结合的理论与应用模式。列车的每一次提速都是一次创新，而每一次创新，都必须保障中国铁路的安全。”

  2006年，翟婉明因在铁路工程科学领域的理论创新成果及其在中国铁路提速工程及客运专线建设工程中的成功应用，获得第六届“中国青年科学家奖”，并成为工程科学领域首位获得“长江学者成就奖”一等奖的学者。

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