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浙大有个能“跑高铁”的实验室

2017-12-31 10:25:00  来源:钱江晚报  我要评论

 

  中国高铁跑出了世界之最,也“跑”到了前沿的、未知的科学问题面前??重达数十吨的车厢飞驰而过时,高铁路基经受着怎样的考验?如何准确描述、应对列车对路基的考验,对高铁的稳健与安全来说至关重要。

  浙江大学紫金港校区的建工试验大厅里,“驻扎”着一台全世界独一无二的实验装置:它能准确模拟全国各地高铁运行的情况,最高时速可达360公里,帮助科学家洞悉高铁路基的沉降规律,探索沉降控制与修复的方法。

  12月26日,教育部公布2017年度“中国高等学校十大科技进展”,这项边学成教授领衔、陈云敏院士团队发明的“高速铁路列车运行动力效应试验系统”入选。

  科学家发明“假车真路”

  我国高铁最密集分布的东南沿海地区,大部分属于软土地基,是沉降最易发生的地段。

  “列车要平稳运行,路基的沉降必须控制在15毫米范围之内。”边学成说,这一沉降控制精度,远远高于高速公路,甚至飞机场沉降要求。“如果沉降过大,小则发生车身颠簸,影响舒适度,大则有可能引发列车安全问题。”

  路基沉降的重要原因是列车运行产生的荷载。“从前的路基沉降控制理论与技术,都是以低速列车为研究对象的,但是现在情况变了,时速350公里的高铁时代已经来了。”边学成介绍,当高铁速度接近或超过路基土体的波动传播速度时,列车运行产生的震动会发生共振式的放大,称之为铁路上的马赫效应。

  科学家意识到,高铁路基的沉降机理和控制方法不能套用传统。

  目前,以美国铁路联合会交通技术中心(TTCI)和中国铁道科学研究院为代表的研究机构,都采用了环形线路做列车运行实验,即让一列真正的列车沿着环形线路运行,开展相关实验。由于受到曲率半径的限制,车速最高能达到200公里,难以达到现有高铁的实际运行速度。另一种广泛采用的实验手段是定点循环加载,但它明显的局限是无法再现列车连续移动时产生的动力效应。

  在一次讨论中,陈云敏和边学成灵光一现:要模拟轮子连续驶过路基的过程,不是非要用跑动的轮子,可以在“不动”的轨枕上做文章。也就是说,轮子是动的,但支撑铁轨的轨枕是不动的,而且荷载正是通过铁轨传给路基的,模拟车轮移动的问题,可以转化为模拟对轨枕加载的问题!

  装置的设计难题变得迎刃而解,基于这一思路,团队在世界上首次提出并设计了高速铁路全比尺动力试验创新装置。

  它2018年的档期已满

  试验大厅里,记者看到了这个高大的实验装置。装置底部是高达8米的路基,路基之上是轨枕和铁轨,这些全部来自于全国各条铁路线,唯独铁轨之上的“列车”不是“车”,而是8个动力激振器。

  “这些激振器每秒最快能起降30次,像‘弹钢琴’一样快速地此起彼伏,把车轮驶过铁轨的连续过程模拟出来,最高能够模拟轮轴荷载达20吨的列车以360公里的时速驶过铁轨。”边学成说。

  课题组形象地将这一试验装置称为“假车真路”。投入使用时,先建成与现场条件相同的路基,再由激振器模拟不同速度的列车反复驶过的情况。现实中长达10年的高速列车荷载,这套试验装置“弹”一个月“钢琴”就能交出数据。科研团队还配套研制了降雨模拟装置和地下水位升降控制装置,模拟在暴雨和地下水变动等更加复杂条件。装置目前“持有”国家发明专利11项,美国发明专利2项。

  自2008年中国第一条高铁京津城际高铁建成运营以来,第一批高铁已经进入维护阶段。研究团队正与全国多家铁路单位开展着合作研究,实验室里累积着来自全国各条铁路的数据,相关理论和技术则“输出”到许多铁路线上。明年,试验装置的工作“档期”已经排满了。

  资料显示,科学家通过这套试验装置,揭示了高铁路基内部动应力放大效应及沿深度衰减规律,循环累计沉降规律和产生过大沉降的机理。据此提出了路基循环累积沉降评价、控制和修复方法,并成功应用于软土地基上的10余项高铁和地铁工程。

  边学成介绍,高铁路基的维修,通常在凌晨的铁路运行“天窗期”进行,他和他的团队成员经常会在这一时段出现在铁路线上,与高铁维护技术人员一起,在繁忙高铁线路不停运的情况下进行沉降修复。

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