科技日報記者 矯陽
時速350公里，是目前我國高速鐵路最高設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。
【資料圖】
高速鐵路最高運營速度到底多少合適？這是世人普遍關(guān)心的問題，中國科學(xué)家正在給出答案。
“設(shè)計時速400公里，曲線參數(shù)可行。”7月20日，在西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室內(nèi)，中國科學(xué)院院士、美國國家工程院外籍院士、西南交通大學(xué)首席教授翟婉明正帶領(lǐng)團(tuán)隊，用“翟模型”對時速400公里線路設(shè)計參數(shù)進(jìn)行仿真驗算。
“翟模型”，是翟婉明首創(chuàng)的“車輛—軌道耦合動力學(xué)”全新理論體系。其核心模型“車—軌耦合”，已成為國內(nèi)外軌道交通動力學(xué)研究的基本方法，也是中國高鐵速度不斷提升的重要理論支撐。
“車—軌耦合”，博士生創(chuàng)建全新模型
1990年夏，年僅27歲的西南交通大學(xué)在讀博士生翟婉明，首創(chuàng)一種快速顯式數(shù)值積分方法，用以求解復(fù)雜大系統(tǒng)動力學(xué)問題，并成功解決了長大重載列車縱向動力學(xué)快速模擬問題。這一方法，后來被國際同行譽為“翟方法”。
那年，適逢國家啟動“八五”重點科技攻關(guān)項目，翟婉明有了更大的科研舞臺。
“列車要重載，還要減輕對線路的破壞。”作為攻關(guān)項目“減輕重載列車與線路相互作用研究”的具體執(zhí)行人，翟婉明深感棘手。
在鐵路工程領(lǐng)域，車輛、軌道一直是兩個獨立的研究系統(tǒng)，分屬經(jīng)典的車輛動力學(xué)、軌道動力學(xué)理論體系。然而，這兩個理論都難以解決攻關(guān)中的問題。
“車輛在軌道上行駛，二者相互影響、相互耦合，構(gòu)成了一個相互依存的動力學(xué)系統(tǒng)。”歷經(jīng)反復(fù)思索，翟婉明靈光乍現(xiàn)，可否將“車—軌”耦合起來，構(gòu)建統(tǒng)一模型？
石破天驚的想法，猶如投進(jìn)湖中的石子，激起層層漣漪。
在吸納車輛、軌道動力學(xué)成果基礎(chǔ)上，翟婉明創(chuàng)建了“車—軌”統(tǒng)一模型。由此產(chǎn)生的龐大規(guī)模動力學(xué)計算難題，又恰好被“翟方法”解決了。
科研之路，蜿蜒曲折。
隨后的調(diào)試程序給了翟婉明當(dāng)頭一棒——因為計算結(jié)果與實際不符，仿真計算中，在軌道上行駛的車輛，竟然飛離了軌道。
“翟婉明，你把火車都開上天了！”質(zhì)疑、奚落聲一片。
震驚之余，翟婉明沒有泄氣。他反復(fù)思考，確信研究方向正確。看來，是計算程序出了錯。
逐一排查成千上萬條編程語句，20多天后的一個深夜，翟婉明終于找到編程語句中的一個參數(shù)錯誤。
1992年，“翟模型”破繭而出，為減輕重載列車與線路相互作用研究提供了理論方法，保證了國家重點科技攻關(guān)項目的順利完成。
缺少標(biāo)準(zhǔn)，“翟模型”算出最優(yōu)方案
2004年，中國高鐵開始起步。沒有設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，工程建設(shè)面臨一系列挑戰(zhàn)。
“到底哪個設(shè)計方案可行？”2005年的一天，拿著廣深港（廣州—深圳—香港）高鐵穿越獅子洋的4種選線設(shè)計方案，設(shè)計單位技術(shù)負(fù)責(zé)人忐忑不安。
廣深港高鐵是中國高鐵網(wǎng)主骨架之一，需跨越珠江口內(nèi)水域的獅子洋，地形條件復(fù)雜。
經(jīng)過一年多勘測，設(shè)計單位提出了4種選線方案，并首次涉及30‰以上大坡度縱斷面。
高速列車以時速300公里通過如此大的縱坡，能否安全平穩(wěn)？這道重大工程技術(shù)難題，在世界高速鐵路線路設(shè)計史上，前所未遇。
設(shè)計負(fù)責(zé)人找到了翟婉明。
4種選線方案參數(shù)被逐一輸入“翟模型”，經(jīng)過計算機模擬分析，再加上動力學(xué)安全評估，翟婉明找出了其中的最優(yōu)者：途徑沙仔島的長大隧道設(shè)計方案。
這一方案最終被設(shè)計單位采納。
2011年12月，廣深港高鐵廣深段正式開通運營。至今超過10年的運營實踐表明，高速動車組在獅子洋段行車安全平穩(wěn)。
在理論—試驗—應(yīng)用—理論的螺旋式進(jìn)程中，“翟模型”不斷豐富與完善，被成功應(yīng)用于中國高鐵一個個工程現(xiàn)場，解決了一系列實際難題。
現(xiàn)場試驗，理論與實踐相互促進(jìn)
“過去現(xiàn)場試驗機會很少，但伴隨著中國鐵路6次大提速以及隨后的高鐵大發(fā)展，這樣的機會越來越多。”翟婉明說，理論再好，不到實踐中接受檢驗，也只能是紙上談兵。
為驗證自己的研究，翟婉明常常跟著鐵路安全員一根軌枕、一根軌枕地走，到現(xiàn)場尋找答案，在現(xiàn)場開展試驗。
2008年，中國首條高鐵——京津城際鐵路開通前夕，翟婉明興奮不已：終于能采集高鐵測試數(shù)據(jù)了！這對豐富“翟模型”的理論研究實在太重要了。
為采集一座特大橋上的高速行車動力學(xué)性能指標(biāo)，他帶著測試團(tuán)隊，在現(xiàn)場一待就是35天。
“每一趟車通過的數(shù)據(jù)都很寶貴。”翟婉明記得，列車通過的最高速度曾達(dá)到390公里/小時，這是當(dāng)時中國鐵路跑出的最高速度。
2011年初，在京滬高鐵某段線路測試現(xiàn)場，列車跑出了超過430公里時速。翟婉明團(tuán)隊測取了軌道動力學(xué)與周邊地面振動特性。據(jù)此發(fā)表的研究論文至今仍為世界獨家，被國際同行廣泛引用。
京津城際鐵路、京滬高鐵、成渝鐵路、大秦重載鐵路……通過現(xiàn)場調(diào)研與反復(fù)試驗，在解決工程難題的同時，翟婉明也獲得了大量的第一手珍貴數(shù)據(jù)。計算、仿真、試驗彼此印證，“翟模型”不斷得到豐富和完善，推動中國鐵路技術(shù)逐步攻克高速行車振動難題、走向世界前沿。
我國已布局研制更高時速新型高速列車、建設(shè)預(yù)留更高時速運行條件線路。在翟婉明看來，未來中國高鐵將更高速、更智能。
時速400公里高鐵，或?qū)⒑魢[而來。
關(guān)鍵詞： 軌道動力學(xué) 重載列車 設(shè)計方案 中國鐵路