“翟模型”助力中國高鐵提速

【創新故事】

◎本報記者 矯 陽

時速350公里，是目前我國高速鐵路最高設計標準。

高速鐵路最高運營速度到底多少合適？這是世人普遍關心的問題，中國科學家正在給出答案。

“設計時速400公里，曲線參數可行。”7月20日，在西南交通大學牽引動力國家重點實驗室內，中國科學院院士、美國國家工程院外籍院士、西南交通大學首席教授翟婉明正帶領團隊，用“翟模型”對時速400公里線路設計參數進行仿真驗算。

“翟模型”，是翟婉明首創的“車輛—軌道耦合動力學”全新理論體系。其核心模型“車—軌耦合”，已成為國內外軌道交通動力學研究的基本方法，也是中國高鐵速度不斷提升的重要理論支撐。

“車—軌耦合”，博士生創建全新模型

1990年夏，年僅27歲的西南交通大學在讀博士生翟婉明，首創一種快速顯式數值積分方法，用以求解複雜大系統動力學問題，併成功解決了長大重載列車縱向動力學快速模擬問題。這一方法，後來被國際同行譽為“翟方法”。

那年，適逢國家啓動“八五”重點科技攻關項目，翟婉明有了更大的科研舞台。

“列車要重載，還要減輕對線路的破壞。”作為攻關項目“減輕重載列車與線路相互作用研究”的具體執行人，翟婉明深感棘手。

在鐵路工程領域，車輛、軌道一直是兩個獨立的研究系統，分屬經典的車輛動力學、軌道動力學理論體系。然而，這兩個理論都難以解決攻關中的問題。

“車輛在軌道上行駛，二者相互影響、相互耦合，構成了一個相互依存的動力學系統。”歷經反覆思索，翟婉明靈光乍現，可否將“車—軌”耦合起來，構建統一模型？

石破天驚的想法，猶如投進湖中的石子，激起層層漣漪。

在吸納車輛、軌道動力學成果基礎上，翟婉明創建了“車—軌”統一模型。由此產生的龐大規模動力學計算難題，又恰好被“翟方法”解決了。

科研之路，蜿蜒曲折。

隨後的調試程序給了翟婉明當頭一棒——因為計算結果與實際不符，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！”質疑、奚落聲一片。

震驚之餘，翟婉明沒有泄氣。他反覆思考，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多天後的一個深夜，翟婉明終於找到編程語句中的一個參數錯誤。

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項目的順利完成。

缺少標準，“翟模型”算出最優方案

2004年，中國高鐵開始起步。沒有設計標準，工程建設面臨一系列挑戰。

“到底哪個設計方案可行？”2005年的一天，拿着廣深港（廣州—深圳—香港）高鐵穿越獅子洋的4種選線設計方案，設計單位技術負責人忐忑不安。

廣深港高鐵是中國高鐵網主骨架之一，需跨越珠江口內水域的獅子洋，地形條件複雜。

經過一年多勘測，設計單位提出了4種選線方案，並首次涉及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？這道重大工程技術難題，在世界高速鐵路線路設計史上，前所未遇。

設計負責人找到了翟婉明。

4種選線方案參數被逐一輸入“翟模型”，經過計算機模擬分析，再加上動力學安全評估，翟婉明找出了其中的最優者：途徑沙仔島的長大隧道設計方案。

這一方案最終被設計單位採納。

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。

在理論—試驗—應用—理論的螺旋式進程中，“翟模型”不斷豐富與完善，被成功應用於中國高鐵一個個工程現場，解決了一系列實際難題。

現場試驗，理論與實踐相互促進

“過去現場試驗機會很少，但伴隨着中國鐵路6次大提速以及隨後的高鐵大發展，這樣的機會越來越多。”翟婉明説，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，翟婉明常常跟着鐵路安全員一根軌枕、一根軌枕地走，到現場尋找答案，在現場開展試驗。

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：終於能採集高鐵測試數據了！這對豐富“翟模型”的理論研究實在太重要了。

為採集一座特大橋上的高速行車動力學性能指標，他帶着測試團隊，在現場一待就是35天。

“每一趟車通過的數據都很寶貴。”翟婉明記得，列車通過的最高速度曾達到390公里/小時，這是當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場，列車跑出了超過430公里時速。翟婉明團隊測取了軌道動力學與周邊地面振動特性。據此發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……通過現場調研與反覆試驗，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據。計算、仿真、試驗彼此印證，“翟模型”不斷得到豐富和完善，推動中國鐵路技術逐步攻克高速行車振動難題、走向世界前沿。

我國已佈局研製更高時速新型高速列車、建設預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，或將呼嘯而來。