高速列車的關(guān)鍵物理力學(xué)問題

劉煒琦

摘要：隨著社會經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，我國高速列車的研發(fā)技術(shù)已經(jīng)處于世界領(lǐng)先地位，為全球高速列車發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。為了不斷提高高速列車的運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性，需要對高速列車的關(guān)鍵物理力學(xué)問題進(jìn)行分析和研究，本文就以此為主題進(jìn)行了分析，主要對軌道平穩(wěn)性問題、機(jī)車重量問題、主要零件損耗問題、空氣阻力問題、材料接觸力學(xué)等五大部分進(jìn)行了分析闡述。

關(guān)鍵詞：高速列車；力學(xué)；物理

我國的高速鐵路發(fā)展起步較晚，但是發(fā)展迅速，目前已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平。高速鐵路以其運(yùn)行速度快、運(yùn)行感受舒適、安全系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，快速在國內(nèi)各個省份發(fā)展。并且，中國先進(jìn)的高鐵技術(shù)已經(jīng)走出國門，走向世界，在很多外國國家開展高鐵建設(shè)，為世界鐵路運(yùn)輸做出巨大貢獻(xiàn)。目前，我國已經(jīng)自主研發(fā)的高鐵機(jī)車“復(fù)興號”已經(jīng)開始投入使用，相信不遠(yuǎn)的將來，我國的高速鐵路機(jī)車會逐漸普及我國自主研發(fā)的“復(fù)興號”高鐵機(jī)車。在研制“復(fù)興號”高鐵機(jī)車的過程中，需要解決大量的復(fù)雜的技術(shù)問題，其中包括很多物理力學(xué)問題需要解決，本文對高速列車的關(guān)鍵物理力學(xué)問題進(jìn)行分析，請不同意觀點(diǎn)者批評指正。

1 軌道平穩(wěn)性問題

我們知道，高速鐵路軌道并非是一整條完整的鋼鐵，而是由短的鋼軌通過焊接的方式相連成一根長的鋼軌，那么，在鋼軌連接處會出現(xiàn)連接痕跡，可能存在一定的顛簸。由于我國高速鐵路運(yùn)輸?shù)乃俣绕毡樵?00km/h以上，較高的運(yùn)行速度對鋼軌的平穩(wěn)性的要求更高，高速運(yùn)行的列車對輕微的顛簸也會有很大的震動，因此，鋼軌的鋪設(shè)這對于鋼鐵焊接技術(shù)是一個不小的考驗(yàn)。列車的平穩(wěn)運(yùn)行不僅對乘車舒適感有影響，還關(guān)乎乘客的乘車安全，通過軌道平穩(wěn)感受能夠?qū)α熊嚨倪\(yùn)行安全作出判斷，穩(wěn)定的運(yùn)行也對列車結(jié)構(gòu)綜合性能和承載能力產(chǎn)生非常大的影響。因此，在高鐵列車不斷提速過程中，必須重視列車運(yùn)行的平穩(wěn)性問題，深入研究線路條件和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)問題，并且提出配套的軌道養(yǎng)護(hù)方案，最大限度保障列車平穩(wěn)運(yùn)行。

在高速列車不斷提速的過程中，也要加強(qiáng)對線路的研究和改造。大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)證明，有線軌道技術(shù)改造列車按照設(shè)計(jì)速度投入運(yùn)行之后，行車的安全性是能夠得到保障的，這說明對線路的改造技術(shù)能夠達(dá)到行車安全和行車速度兩方面的要求。造成列車運(yùn)行平穩(wěn)失衡的原因有很多，包括線路設(shè)施建設(shè)缺陷，施工質(zhì)量達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)并且后期很難進(jìn)行補(bǔ)償，后期維護(hù)管理不到位等原因?qū)е铝熊囘\(yùn)行失穩(wěn)。

2 機(jī)車重量問題

高速列車的機(jī)車重量對高鐵運(yùn)輸也存在一定影響，質(zhì)量比較輕的機(jī)車能夠降低摩擦，提高機(jī)車運(yùn)行能源使用效率。高速列車機(jī)車輕量化在高速列車機(jī)車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中屬于基礎(chǔ)性要求，質(zhì)量較輕的機(jī)車能夠改善列車運(yùn)行時的動力學(xué)性能。解決機(jī)車車身重量問題，需要考慮兩個方面的問題：一是使用材料的問題，另一個是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)問題。較輕的機(jī)車重量雖然能夠降低能源消耗，提高機(jī)車運(yùn)行效率，但是對車體強(qiáng)度造成一定的消極影響，因此，對機(jī)車車身的強(qiáng)度、使用壽命及其可靠性綜合分析，才能保證高速列車的穩(wěn)定運(yùn)行。由于列車高速運(yùn)行，車體的彈塑性強(qiáng)迫振動頻率和幅度會增大，導(dǎo)致疲勞破壞加速，因此，對于高速列車的車身質(zhì)量需要進(jìn)行研究。

3 主要零件損耗問題

在高鐵運(yùn)行過程中，由于高速列車運(yùn)行時常較長，服役時間較長，雖然大部分高速列車只有白天時段運(yùn)行，夜晚時段進(jìn)行檢修，但是高速列車的主要零部件仍然有較大的損傷，需要加強(qiáng)零部件的維護(hù)和檢修，才能保證列車的安全運(yùn)行。只要存在摩擦就會導(dǎo)致磨損，高速列車由于運(yùn)行速度快，承受的壓力較大，在運(yùn)行中受到嚴(yán)重磨損。并且，鋼軌在列車運(yùn)行中承受到的壓力更大，對鋼鐵性能提出了更高的要求，特別是鋼軌接縫處，由于長期經(jīng)受高質(zhì)量的列車運(yùn)行的壓迫，更加容易產(chǎn)生變質(zhì)和老化，對列車運(yùn)行安全問題存在嚴(yán)重隱患。

4 空氣阻力問題

機(jī)車車身暴露在空氣中高速運(yùn)行，需要抵抗較大的空氣阻力，并且隨著高速列車車速的不斷提高，列車遇到的空氣阻力也隨之增大，隨著高速列車運(yùn)行速度的提升，列車所受到的空氣阻力與運(yùn)行速度的二次方成正比，當(dāng)運(yùn)行車速達(dá)到250km/h時，全部阻力有75%80%；來源于空氣阻力，目前我國高速列車的運(yùn)行速度大多在300km/h以上，因此，空氣阻力對列車運(yùn)行的影響是非常嚴(yán)重的。并且，當(dāng)列車在隧道中運(yùn)行時，會遇到強(qiáng)大的壓力沖力，對行車安全造成威脅，因此，需要對高速列車空氣運(yùn)動學(xué)進(jìn)行研究。目前已經(jīng)比較成熟的空氣動力學(xué)研究，比如飛起起飛前的空氣動力學(xué)和汽車運(yùn)行過程中的空氣動力學(xué)在高速鐵路運(yùn)行中的空氣動力學(xué)并不適用，高速列車的空氣動力學(xué)逐漸成為一個學(xué)科門類，培養(yǎng)更多的專業(yè)人才，解決高速鐵路空氣動力學(xué)問題。

5 材料接觸力學(xué)

高速列車運(yùn)行過程中，與軌道的接觸面積比較小，但是列車載滿乘客時重量大大增加，對軌道的磨損比較嚴(yán)重，在列車運(yùn)行與軌道接觸過程中會產(chǎn)生大量并且嚴(yán)重的摩擦，考慮到輪軌彈性及表面幾何不平順，需要對輪軌建立力學(xué)模型，對高速列車運(yùn)行過程中機(jī)車與鐵軌的接觸力學(xué)進(jìn)行研究，主要研究兩點(diǎn)接觸、非赫茲接觸等，通過對車輪尺寸及其實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證理論模型，綜合試驗(yàn)研究結(jié)果，得出最具有代表性的低摩擦性能的鐵軌制造參數(shù)和車輪制造參數(shù)。并且對服役中的軌道及高速列車提出可行性保養(yǎng)措施，定期檢修列車機(jī)車性能及軌道平穩(wěn)性能，保證機(jī)車運(yùn)行安全穩(wěn)定。

6 總結(jié)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，高速列車的發(fā)展速度飛快，我國大部分地區(qū)已經(jīng)通上了高速列車，高速列車網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積逐漸增大，為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了很大的促進(jìn)作用。本文針對高速列車關(guān)鍵物理力學(xué)問題進(jìn)行了分析，以此能夠提升高速列車的運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性。

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