“安全”是中国高铁名片的关键词

从1997年至2007年，我国铁路经过六次大提速，铁路客车时速从120公里提高到了200公里。

2008年，京津城际铁路通车运营，最高运行时速可达350公里。通过这条当时世界上运营速度最快的铁路，从北京到天津所需时长不到半个小时。

2018年，两列时速为420公里的复兴号完成会车试验，相对时速突破840公里。

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北京交通大学教授刘志明在接受新华网采访时表示，高速铁路是个系统工程。据他介绍，目前我国高铁在试验台的最高试验时速已达到600公里。要实现这样的速度，除了高速列车技术的革新外，还需工务工程、牵引供电、通信信号、运营调度技术的革新。而在高速列车速度提升带来的诸多技术问题之中，牵引与制动能力、列车系统的稳定性和主体结构的疲劳问题是较为关键的一环。

由于高铁列车车轮跟钢轨接触面积有限，在列车高速行驶状态下，这一接触位置会随机变化，要保持稳定性就存在一定困难。其次，高铁列车长期高速行驶，引起主结构的疲劳问题也一直受到许多专家的关注。对公众来讲，高铁作为常选的中远途出行方式之一，这些问题与公众安全以及列车投入运营后的使用寿命、经济成本等直接相关。

刘志明主要的研究方向是高铁结构强度及疲劳可靠性。他解释道，结构强度是指结构在外力作用下，抵抗永久变形和破坏的能力。结构在载荷连续反复作用下，会发生疲劳破坏，结构疲劳可靠性就是以一定概率确定结构的疲劳强度和寿命。

“由于高铁的运行速度快、运营条件复杂、要求的列车运营寿命长，精准评估高铁关键结构部件在复杂多变运用环境下的疲劳可靠性，属于世界性技术难题。”获得高铁列车主体结构在其使用条件下的载荷谱是解决这一世界性难题的核心之一，同时如何判断所获得的载荷谱的有效性，也需要一个评判标准。

刘志明所在团队则在以上问题的研究中提出了具有创见性的方案。刘志明解释，跟高铁主结构疲劳密切相关的是其损伤，因此其团队在能够准确获得高速列车结构损伤情况的基础上，提出“判断载荷谱有效性要基于损伤一致性”的准则。

据刘志明介绍，研究高铁结构疲劳可靠性初期，焊接结构的基础疲劳性能数据不全、超长时间连续动应力的可靠测试、海量数据的快速分析处理、载荷识别等问题，都为他们研究高铁结构强度及疲劳可靠性的工作带来了不小的困难。

对于疲劳性能数据不全，刘志明团队一方面收集已有数据，另一方面则购置设备开展试验，同时提出并建立了基于线性累积损伤和焊接结构无疲劳极限P-S-N曲线的疲劳可靠性评估方法；为了实现动应力可靠测试，开发了适应高铁列车运营电磁环境的系统化屏蔽技术和长周期跟踪测试的复合密封技术；面对需要处理的海量数据，还开发了专门针对疲劳可靠性研究的系统数据处理软件……

对于今后的研究方向，刘志明表示还将围绕高铁结构安全展开，比如会关注智能感知技术、碳纤维结构的疲劳可靠性等前沿领域。刘志明解释，智能感知技术可以实现高铁列车结构应力状态的实时跟踪和异常报警，同时能够将目前的定期维修转变为按列车的状态进行相应维修，提高列车的运营效能。而对于碳纤维结构疲劳可靠性的研究，刘志明则表示，此前高铁列车的主结构是由金属材料制造，而如果想要在将来实现更高速度且更加节能的发展，或可借助非金属材料，碳纤维就是其中比较具有前景的一种，“但碳纤维材料作为主结构的疲劳可靠性问题尚需要进一步的系统研究。”

刘志明介绍，高铁列车如果按照目前试验实现的最高时速投入运营，能耗会非常高，这是因为随着高铁速度提高，牵引与制动能力的需求跟速度是呈指数型增加的。他举例说道，当列车速度从60km/h增加到300km/h，速度只增加5倍，但单位重量牵引功率却需要增加18倍，而如果速度提升10倍——到600 km/h，单位重量牵引功率则至少需要增加70倍。高速列车制动过程的能耗同理。刘志明坦言，如何降低列车更高速运营下的能耗，也许还需要进一步研究新的运输装备，比如磁悬浮高速列车就是具有前景的发展方向之一。

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