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科技日报记者 矫阳

时速350公里,是目前我国高速铁路最高设计标准。

高速铁路最高运营速度到底多少合适?这是世人普遍关心的问题,中国科学家正在给出答案。

“设计时速400公里,曲线参数可行。”7月20日,在西南交通大学牵引动力国家重点实验室内,中国科学院院士、美国国家工程院外籍院士、西南交通大学首席教授翟婉明正带领团队,用“翟模型”对时速400公里线路设计参数进行仿真验算。

“翟模型”,是翟婉明首创的“车辆—轨道耦合动力学”全新理论体系。其核心模型“车—轨耦合”,已成为国内外轨道交通动力学研究的基本方法,也是中国高铁速度不断提升的重要理论支撑。

6月29日,在西南交通大学,翟婉明在办公室查阅资料。新华社记者 王曦 摄

“车—轨耦合”,博士生创建全新模型

1990年夏,年仅27岁的西南交通大学在读博士生翟婉明,首创一种快速显式数值积分方法,用以求解复杂大系统动力学问题,并成功解决了长大重载列车纵向动力学快速模拟问题。这一方法,后来被国际同行誉为“翟方法”。

那年,适逢国家启动“八五”重点科技攻关项目,翟婉明有了更大的科研舞台。

“列车要重载,还要减轻对线路的破坏。”作为攻关项目“减轻重载列车与线路相互作用研究”的具体执行人,翟婉明深感棘手。

在铁路工程领域,车辆、轨道一直是两个独立的研究系统,分属经典的车辆动力学、轨道动力学理论体系。然而,这两个理论都难以解决攻关中的问题。

“车辆在轨道上行驶,二者相互影响、相互耦合,构成了一个相互依存的动力学系统。”历经反复思索,翟婉明灵光乍现,可否将“车—轨”耦合起来,构建统一模型?

石破天惊的想法,犹如投进湖中的石子,激起层层涟漪。

1981年,翟婉明到西南交通大学上学时的留影。受访者供图,中国青年报发

在吸纳车辆、轨道动力学成果基础上,翟婉明创建了“车—轨”统一模型。由此产生的庞大规模动力学计算难题,又恰好被“翟方法”解决了。

科研之路,蜿蜒曲折。

随后的调试程序给了翟婉明当头一棒——因为计算结果与实际不符,仿真计算中,在轨道上行驶的车辆,竟然飞离了轨道。

“翟婉明,你把火车都开上天了!”质疑、奚落声一片。

震惊之余,翟婉明没有泄气。他反复思考,确信研究方向正确。看来,是计算程序出了错。

逐一排查成千上万条编程语句,20多天后的一个深夜,翟婉明终于找到编程语句中的一个参数错误。

1992年,“翟模型”破茧而出,为减轻重载列车与线路相互作用研究提供了理论方法,保证了国家重点科技攻关项目的顺利完成。

缺少标准,“翟模型”算出最优方案

2004年,中国高铁开始起步。没有设计标准,工程建设面临一系列挑战。

“到底哪个设计方案可行?”2005年的一天,拿着广深港(广州—深圳—香港)高铁穿越狮子洋的4种选线设计方案,设计单位技术负责人忐忑不安。

广深港高铁是中国高铁网主骨架之一,需跨越珠江口内水域的狮子洋,地形条件复杂。

经过一年多勘测,设计单位提出了4种选线方案,并首次涉及30‰以上大坡度纵断面。

图片来源:视觉中国

高速列车以时速300公里通过如此大的纵坡,能否安全平稳?这道重大工程技术难题,在世界高速铁路线路设计史上,前所未遇。

设计负责人找到了翟婉明。

4种选线方案参数被逐一输入“翟模型”,经过计算机模拟分析,再加上动力学安全评估,翟婉明找出了其中的最优者:途径沙仔岛的长大隧道设计方案。

这一方案最终被设计单位采纳。

2011年12月,广深港高铁广深段正式开通运营。至今超过10年的运营实践表明,高速动车组在狮子洋段行车安全平稳。

在理论—试验—应用—理论的螺旋式进程中,“翟模型”不断丰富与完善,被成功应用于中国高铁一个个工程现场,解决了一系列实际难题。

现场试验,理论与实践相互促进

“过去现场试验机会很少,但伴随着中国铁路6次大提速以及随后的高铁大发展,这样的机会越来越多。”翟婉明说,理论再好,不到实践中接受检验,也只能是纸上谈兵。

为验证自己的研究,翟婉明常常跟着铁路安全员一根轨枕、一根轨枕地走,到现场寻找答案,在现场开展试验。

2008年,中国首条高铁——京津城际铁路开通前夕,翟婉明兴奋不已:终于能采集高铁测试数据了!这对丰富“翟模型”的理论研究实在太重要了。

2008年,翟婉明在京津城际铁路试验现场。受访者供图,中国青年报发

为采集一座特大桥上的高速行车动力学性能指标,他带着测试团队,在现场一待就是35天。

“每一趟车通过的数据都很宝贵。”翟婉明记得,列车通过的最高速度曾达到390公里/小时,这是当时中国铁路跑出的最高速度。

2008年,翟婉明在京津城际铁路试验现场。受访者供图,中国青年报发

2011年初,在京沪高铁某段线路测试现场,列车跑出了超过430公里时速。翟婉明团队测取了轨道动力学与周边地面振动特性。据此发表的研究论文至今仍为世界独家,被国际同行广泛引用。

京津城际铁路、京沪高铁、成渝铁路、大秦重载铁路……通过现场调研与反复试验,在解决工程难题的同时,翟婉明也获得了大量的第一手珍贵数据。计算、仿真、试验彼此印证,“翟模型”不断得到丰富和完善,推动中国铁路技术逐步攻克高速行车振动难题、走向世界前沿。

我国已布局研制更高时速新型高速列车、建设预留更高时速运行条件线路。在翟婉明看来,未来中国高铁将更高速、更智能。

时速400公里高铁,或将呼啸而来。