高速列車(chē)的關(guān)鍵物理力學(xué)問(wèn)題

劉煒琦

摘要：隨著社會(huì)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(guó)高速列車(chē)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(chē)發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。為了不斷提高高速列車(chē)的運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性，需要對(duì)高速列車(chē)的關(guān)鍵物理力學(xué)問(wèn)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(duì)軌道平穩(wěn)性問(wèn)題、機(jī)車(chē)重量問(wèn)題、主要零件損耗問(wèn)題、空氣阻力問(wèn)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(chē)；力學(xué)；物理

我國(guó)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(guó)內(nèi)各個(gè)省份發(fā)展。并且，中國(guó)先進(jìn)的高鐵技術(shù)已經(jīng)走出國(guó)門(mén)，走向世界，在很多外國(guó)國(guó)家開(kāi)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(guó)已經(jīng)自主研發(fā)的高鐵機(jī)車(chē)“復(fù)興號(hào)”已經(jīng)開(kāi)始投入使用，相信不遠(yuǎn)的將來(lái)，我國(guó)的高速鐵路機(jī)車(chē)會(huì)逐漸普及我國(guó)自主研發(fā)的“復(fù)興號(hào)”高鐵機(jī)車(chē)。在研制“復(fù)興號(hào)”高鐵機(jī)車(chē)的過(guò)程中，需要解決大量的復(fù)雜的技術(shù)問(wèn)題，其中包括很多物理力學(xué)問(wèn)題需要解決，本文對(duì)高速列車(chē)的關(guān)鍵物理力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行分析，請(qǐng)不同意觀點(diǎn)者批評(píng)指正。

1 軌道平穩(wěn)性問(wèn)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(guò)焊接的方式相連成一根長(zhǎng)的鋼軌，那么，在鋼軌連接處會(huì)出現(xiàn)連接痕跡，可能存在一定的顛簸。由于我國(guó)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(duì)鋼軌的平穩(wěn)性的要求更高，高速運(yùn)行的列車(chē)對(duì)輕微的顛簸也會(huì)有很大的震動(dòng)，因此，鋼軌的鋪設(shè)這對(duì)于鋼鐵焊接技術(shù)是一個(gè)不小的考驗(yàn)。列車(chē)的平穩(wěn)運(yùn)行不僅對(duì)乘車(chē)舒適感有影響，還關(guān)乎乘客的乘車(chē)安全，通過(guò)軌道平穩(wěn)感受能夠?qū)α熊?chē)的運(yùn)行安全作出判斷，穩(wěn)定的運(yùn)行也對(duì)列車(chē)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(chē)不斷提速過(guò)程中，必須重視列車(chē)運(yùn)行的平穩(wěn)性問(wèn)題，深入研究線(xiàn)路條件和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)問(wèn)題，并且提出配套的軌道養(yǎng)護(hù)方案，最大限度保障列車(chē)平穩(wěn)運(yùn)行。

在高速列車(chē)不斷提速的過(guò)程中，也要加強(qiáng)對(duì)線(xiàn)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(xiàn)軌道技術(shù)改造列車(chē)按照設(shè)計(jì)速度投入運(yùn)行之后，行車(chē)的安全性是能夠得到保障的，這說(shuō)明對(duì)線(xiàn)路的改造技術(shù)能夠達(dá)到行車(chē)安全和行車(chē)速度兩方面的要求。造成列車(chē)運(yùn)行平穩(wěn)失衡的原因有很多，包括線(xiàn)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?chē)運(yùn)行失穩(wěn)。

2 機(jī)車(chē)重量問(wèn)題

高速列車(chē)的機(jī)車(chē)重量對(duì)高鐵運(yùn)輸也存在一定影響，質(zhì)量比較輕的機(jī)車(chē)能夠降低摩擦，提高機(jī)車(chē)運(yùn)行能源使用效率。高速列車(chē)機(jī)車(chē)輕量化在高速列車(chē)機(jī)車(chē)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(chē)能夠改善列車(chē)運(yùn)行時(shí)的動(dòng)力學(xué)性能。解決機(jī)車(chē)車(chē)身重量問(wèn)題，需要考慮兩個(gè)方面的問(wèn)題：一是使用材料的問(wèn)題，另一個(gè)是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)問(wèn)題。較輕的機(jī)車(chē)重量雖然能夠降低能源消耗，提高機(jī)車(chē)運(yùn)行效率，但是對(duì)車(chē)體強(qiáng)度造成一定的消極影響，因此，對(duì)機(jī)車(chē)車(chē)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(chē)的穩(wěn)定運(yùn)行。由于列車(chē)高速運(yùn)行，車(chē)體的彈塑性強(qiáng)迫振動(dòng)頻率和幅度會(huì)增大，導(dǎo)致疲勞破壞加速，因此，對(duì)于高速列車(chē)的車(chē)身質(zhì)量需要進(jìn)行研究。

3 主要零件損耗問(wèn)題

在高鐵運(yùn)行過(guò)程中，由于高速列車(chē)運(yùn)行時(shí)常較長(zhǎng)，服役時(shí)間較長(zhǎng)，雖然大部分高速列車(chē)只有白天時(shí)段運(yùn)行，夜晚時(shí)段進(jìn)行檢修，但是高速列車(chē)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(chē)的安全運(yùn)行。只要存在摩擦就會(huì)導(dǎo)致磨損，高速列車(chē)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(chē)運(yùn)行中承受到的壓力更大，對(duì)鋼鐵性能提出了更高的要求，特別是鋼軌接縫處，由于長(zhǎng)期經(jīng)受高質(zhì)量的列車(chē)運(yùn)行的壓迫，更加容易產(chǎn)生變質(zhì)和老化，對(duì)列車(chē)運(yùn)行安全問(wèn)題存在嚴(yán)重隱患。

4 空氣阻力問(wèn)題

機(jī)車(chē)車(chē)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(chē)車(chē)速的不斷提高，列車(chē)遇到的空氣阻力也隨之增大，隨著高速列車(chē)運(yùn)行速度的提升，列車(chē)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(chē)速達(dá)到250km/h時(shí)，全部阻力有75%80%；來(lái)源于空氣阻力，目前我國(guó)高速列車(chē)的運(yùn)行速度大多在300km/h以上，因此，空氣阻力對(duì)列車(chē)運(yùn)行的影響是非常嚴(yán)重的。并且，當(dāng)列車(chē)在隧道中運(yùn)行時(shí)，會(huì)遇到強(qiáng)大的壓力沖力，對(duì)行車(chē)安全造成威脅，因此，需要對(duì)高速列車(chē)空氣運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行研究。目前已經(jīng)比較成熟的空氣動(dòng)力學(xué)研究，比如飛起起飛前的空氣動(dòng)力學(xué)和汽車(chē)運(yùn)行過(guò)程中的空氣動(dòng)力學(xué)在高速鐵路運(yùn)行中的空氣動(dòng)力學(xué)并不適用，高速列車(chē)的空氣動(dòng)力學(xué)逐漸成為一個(gè)學(xué)科門(mén)類(lèi)，培養(yǎng)更多的專(zhuān)業(yè)人才，解決高速鐵路空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。

5 材料接觸力學(xué)

高速列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，與軌道的接觸面積比較小，但是列車(chē)載滿(mǎn)乘客時(shí)重量大大增加，對(duì)軌道的磨損比較嚴(yán)重，在列車(chē)運(yùn)行與軌道接觸過(guò)程中會(huì)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(duì)輪軌建立力學(xué)模型，對(duì)高速列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中機(jī)車(chē)與鐵軌的接觸力學(xué)進(jìn)行研究，主要研究?jī)牲c(diǎn)接觸、非赫茲接觸等，通過(guò)對(duì)車(chē)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(chē)輪制造參數(shù)。并且對(duì)服役中的軌道及高速列車(chē)提出可行性保養(yǎng)措施，定期檢修列車(chē)機(jī)車(chē)性能及軌道平穩(wěn)性能，保證機(jī)車(chē)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(chē)的發(fā)展速度飛快，我國(guó)大部分地區(qū)已經(jīng)通上了高速列車(chē)，高速列車(chē)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積逐漸增大，為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了很大的促進(jìn)作用。本文針對(duì)高速列車(chē)關(guān)鍵物理力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行了分析，以此能夠提升高速列車(chē)的運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性。

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