牵引动力国家重点实验室2007年度报告

一、  科学研究

本年度实验室主持申请成果国家重点基础研究发展计划项目（973）“高速列车安全服役关键基础问题研究”，成为我国轨道交通领域第一个973计划项目，实现了实验室乃至西南交通大学在973计划项目上零的突破，预算经费3500万元，新增国家自然科学基金项目3项，省部级以上项目53项，到位经费2885万元，其中：国家级877万元，省部级803.5万元。撰写学术论文136篇，其中71篇被三大检索收录；获得四川省科技进步二等奖1项；发明专利16项(申请受理8项，其中2项已公开；授权8项)，新型实用专利12项，软件登记2项。实验室坚持基础研究、应用研究和技术开放相结合，在以下方面取得进展。

1）      高速列车耦合大系统研究。在高速铁路系统中，高速动车组作为直接服务于旅客的载运工具，是高速铁路的主体和核心。但高速动车组的运行受到线路和接触网等固定设施条件的影响，同时受到牵引供电和列车运行控制系统的控制，最终还将受到空气扰动、阻力及噪音的制约。因此，高速动车组与高速铁路各子系统之间构成相互联系、相互依存、相互制约的关系，如与线路之间的轮轨关系，与接触网之间弓网关系，与空气之间的流固耦合关系，与牵引供电系统之间的机电耦合关系，对环境作用的环境耦合关系等等。提出高速列车耦合大系统动力学理论，并努力构建集高速列车虚拟样机和数字化线路、牵引供电（含接触网）、通信信号等虚拟运行环境的完整铁路系统的仿真系统。以实现更加精确的高速列车运行模拟，掌握高速列车运行的动态行为和安全性，以及高速列车在服役过程中的性能演变规律；研究高速列车与其它系统的耦合关系，包括轮轨、弓网、流固和机电等耦合关系。为高速列车的系统集成、关键技术的创新和相关装置与装备研究开发提供强有力的系统理论和设计评估手段支撑。

2）      列车动力学研究。利用之前提出的基于循环变量法的列车系统动力学建模和仿真方法，开展了全空间自由度的列车动力学研究，具体开展了长大列车在直线、曲线通过、过驮峰的列车动力学性能，分析了车辆在不同列车位置和车辆在不同线路位置时的动力学线路，比较了惰性、牵引和制动工况的动力学线路。

3）      弓网关系。在铁道部重点项目的支持下，构建了受电弓设计平台体系，可进行受电弓的结构几何分析和优化，悬挂和结构模态，整体和部件的强度和刚度分析。初步构建了接触网的设计分析平台，采用了分模法和整体法进行建模和初始化直平衡分析，应力分析和模态分析。发展了有限元接触网模型的弓网运行仿真直接积分计算方法，大大地提高了仿真精度，再现了线路试验中暴露的后弓受流差的情况。

4）      轮轨关系研究。在铁道部重点项目的支持下，建立了建立整车动态脱轨模型，模拟轨道结构多种失效情况和自然灾害引发的脱轨现象；考虑磨损和塑性流动的轮轨模型，模拟多种因素条件下波浪形磨损形成的机理和发展规律；建立轮轨滚动接触热－弹－塑性分析计算模型，以及考虑速度对接触力的影响的高速轮轨滚动接触计算模型。利用滚滑试验台进行了PD3和U71Mn钢轨在不同硬度状态下滚滑、拉伸对比试验，确定了高速线钢轨用材应采用U71Mn。

5）      车－线耦合动力学研究。应用机车车辆－轨道耦合动力学理论，采用计算机可视化仿真技术，初步研制完成列车与线路系统动态仿真及安全评估装置TTIS-1，为铁路工程设计及系统优化提供更直观、更方便技术平台。运用该试验平台，完成武广客运专线典型桥梁设计方案的动态安全评估，包括：汀泗河特大桥、焦家1#中桥、梁家湾特大桥、衡阳湘江特大桥、黄土湾大桥。

6）      时速200公里及以上动车组引进技术消化吸收再创新重点项目。实验室承担的时速200公里及以上动车组引进技术消化吸收再创新重点项目：动车组转向架研究。目前项目在整车推进之中，分别开展了引进动车组的适应性研究（轨道不平顺对轮重减载率的影响），测定CRH2动车组刚体模态（悬挂模态）和CRH3的转向架构架的结构模态，正在进行了CRH2动车组动力学性能和车轮磨耗跟踪测量与分析，建立了动力学标准和研究体系的关键等。针对时速300公里动车组，完成了动力学性能研究和参数优化，特别是开展了特殊的车间耦合减振技术的研究，目前正在准备时速300公里的CRH₂-300动车组的整车试验。

7）      机车车辆可靠性研究。在国家863计划项目“高速列车动车组的寿命与可靠性设计技术”支持下，围绕着动车组可靠性设计理论与方法、数据库管理系统（设计方案数据库、历史经验数据库、服役条件数据库、设计基础数据库和设计评价标准数据库）和设计开发平台（软件）三方面开展高速列车动车组寿命与可靠性设计技术研究，目前已建立首个中国高速列车寿命与可靠性设计分析平台。

在国家自然科学基金和铁道部科技发展计划项目的资助下，开展了提速和高速列车的机械结构可靠性理论和试验研究。进行了全套LZ50钢、转向构架B级铸钢和车轮B级铸钢的疲劳断裂可靠性性能测试。开展了LZ50和35CrMo铁路车轴钢超长寿命疲劳可靠性研究，研究发现LZ50铁路车轴钢在进行100微米的陶瓷和高速钢微粒子喷丸处理后，可以分别提高20％和36％的疲劳极限，研究还发现35CrMo合金车轴钢疲劳裂纹均萌生于材料的表面，是由晶体滑移引起的。

8）      磁悬浮研究。在国家863磁浮交通重大专项支持下，实验室为我国高速磁悬浮列车和上海中低速城轨磁浮列车的进行走行部的研究，包括结构设计、参数分析、强度和动力学研究，研究提出了多项发明专利。目前参与研制的高速磁悬浮列车和中低速城轨磁浮列车均匀完成样机的调试，其中参与由成都飞机公司研制的高速磁悬浮列车已经通过，中低速磁悬浮列车也已运行到90km/h以上。

9）      无线检测和无线网络技术研究。在研制成功无线检测技术的同时，开展了无线局域网（WLAN）研究，无线局域网是采用无线传输媒介的计算机局域网，其特点是成本低，灵活性、移动性强，吞吐量高（IEEE802.11a传输速率最高达54Mb/s），通信可靠。研究中攻克了移动定位技术，时－空测试精度控制技术，不同应用子网的信道相互干扰、与传统网络或系统的融合、低功耗等技术；开展了协议通信层和网络支撑层的研究，低成本高精度的定时与同步机制、有效的带宽研究等。目前成果完成样机试验，达到产品化程度。

10）  京津城际高速铁路科学研究试验。根据铁道部的指示，利用京津城际高速铁路联调联试，进行线路科学研究试验，以此获得我国高速列车以380km/h高速运行的第一手数据。获取高速列车及其相关运行系统的动态行为的基础上，研究各子系统的内部的振动特征和传动关系，研究各子系统和高速列车之间的相互作用关系，验证耦合大系统的建模和仿真方法，为京沪高速铁路的建设提供科学依据和基础数据。目前完成试验方案的起草，实现与联调联试项目的对接，完成设备的采购和招标工作。

11）  国际合作。根据由牵引动力国家重点实验室牵头，西南交通大学与韩国铁道研究所签订了合作协议，2007年9月10日至14日实验室派员参加了在韩国仪旺市举办第七届中日韩铁道技术会议。我校作为唯一的列席方以观察员身份受邀参加此次会议；根据牵引动力国家重点实验室与日本富山大学工学部签订了“学术交流协议书”， 实验室派1名学生到富山大学交流学习，取得良好的效果。

 

二、  实验室建设

实验室于2006年通过了实验室国家认可，在2007年运行中，实验室在加强管理，健全管理条例，进一步修改了实验室质量手册和质量控制文件，实验室于2007年12月15～16日通过了CNAL实验室认可的复查。

为了顺利实施动车组引进技术消化吸收再创新重点项目，实验室利用课题经费，购置了大量的试验装备，包括：

ü  无线传输车载检测设备

ü  4轴拉伸疲劳试验机

ü  64通道结构模态试验检测和分析系统

ü  列车与线路系统动态仿真及安全评估装置TTIS-1

与此同时，还设计了可以考虑车体二维运动（垂向和测滚）和接触网二维运动（垂向和横向拉出值）的弓网运行仿真试验台，可进行受电弓静态参数测定，抗振性能测试和模拟运行的弓网动态特性分析。设计了1：3轮轨接触疲劳试验台，该试验台可进行模拟车轮在钢轨上滚动的轮轨滚动接触疲劳试验，同时通过巧妙设计，搭载了弓网载流摩擦磨损试验的功能。

 

为了开展京津城际高速铁路科学研究试验，以轨道交通国家实验室（筹）的名义组织了用于科学研究试验的装备采购，以构成线路试验研究的能力。牵引动力国家重点实验室以动车组检测为核心，牵头购置的设备主要包括：测力轮对的无线遥测设备、空气动力学试验设备、空间列阵噪音测试设备、百通道结构模态试验设备等。这些装备和既有设备将构建了高速动车组及其它机车车辆线路试验研究的能力，大大提升了实验室的试验能力，为实验室进一步发展和轨道交通国家实验室建设奠定了良好的基础。

 

三、  队伍建设和人才培养

1)队伍建设

实验室现有固定人员52人（含联合研究所的18人），其中教授（包括研究员）38人，副教授（包括副研究员和高工）11人，具有博士指导教师27名。其中院士2名，长江特聘教授3名，国家杰出青年基金获得者4名，跨世纪优秀人才培养基金获得者11名，全国优秀百篇博士论文获得者5名，国家“百千万人才工程”人选2名。

2)人才培养

实验室重视人才的培养，翟婉明教授荣获 “长江学者成就一等奖”，王开云、邬平波2人获得新世纪优秀人才基金，张继业、蔡成标评为四川省有突出贡献的优秀专家。

在研究生培养又取得丰硕成果，蔡成标的博士研究生学位论文被评为全国优秀百篇博士论文，陈光雄的博士研究生学位论文被评为全国优秀百篇博士论文提名奖。另外，牵引动力国家重点实验室2005级研究生班被教育部和团中央授予“全国先进班集体”称号。

3）学科建设

依托牵引动力国家重点实验室建设的“载运工具运用工程”和“车辆工程”两个学科均在新一轮国家重点学科评审中评为国家级重点学科，而且所在的“交通运输工程”和“机械工程”一级学科评为国家重点一级学科。

 

四、  开放交流与运行管理

1）开放交流

2007年度开放课题总经费40万元，其中西南交通大学资助经费10万元，而铁道部资助的30万元经费刚到位。目前已资助3项开放课题：（1）轨道交通高架桥结构噪声机理与控制；（2）车辆自供能量主动悬挂系统的研究；（3）高速车轮椭圆化形成机理研究。其它项目正在申请和批准程序之中。

 

2)运行管理

实验室根据实验室发展和管理的需要，进一步完善了实验室的运行管理制度，并公布在实验室网页上。同时实验室通过实验室国家认可，建立了一整套符合实验室国家认可的管理程序。管理条例如下：

（1）  管理工作条例

（2）  牵引动力国家重点实验室联合研究所管理办法

（3）  开放研究条例

（4）  固定人员聘任制度

（5）  岗位津贴分配办法

（6）  科研管理条例

（7）  产品开发和管理

（8）  奖励条例

（9）  实验室设备管理条例

（10）运行费使用条例

（11）图书管理条例

（12）考勤制度

（13）研究生工作条例

（14）安全和防火守则

（15）文件和档案管理

（16）车辆（借用和停放）管理

（17）公共场地使用管理条例

（18）门卫制度

（19）实验室试验大厅工作和进入制度

（20）实验室国家认可和计量认证的使用有关规定

（21）实验室网页和新闻管理制度

（22）滚动振动试验台运行管理条例和责任制

 

3）大型仪器设备的开放和共享情况：

实验室拥有世界上最先进的机车车辆整车滚动振动试验台和综合参数测试台，实验室作为开放实验室，所有的设备均对外开放运行，并积极承担国家和行业提出的试验研究任务。2007年共完成机车车辆试验及疲劳试验和线路试验共14项，具体的试验项目有：

                  机车车辆台架试验一览表

 

结构强度试验一览表

 

线路试验一览表

 

五、实验室下一年度的发展思路

牵引动力国家重点实验室即将面临国家评估。与此同时，以牵引动力国家重点实验室为核心，筹建轨道交通国家实验室。实验室的主要建设工作将移到国家实验室的建设，包括真车实线试验平台、高速列车数字化仿真平台和基础试验研究平台的建设。同时实验室要组织好973项目、高速动车组消化吸收再创新项目和京津城际高速铁路科学研究试验的开展，因此，需要组织和协调好设备、人员，做到建设和研究两不误。