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复杂环境下高速铁路无缝线路关键技术及应用

发布日期: 2017- 12- 19 字体:[ ]

获奖项目:复杂环境下高速铁路无缝线路关键技术及应用

  主要完成人:高亮,陈峰,曾宪海,尹辉,蔡小培,肖宏,魏强,李秋义,闫红亮,董彦录,彭华,辛涛,白明洲,侯博文,张艳荣

主要完成单位:北京交通大学,中铁第四勘察设计院集团有限公司,铁道第三勘察设计院集团有限公司,西南交通大学,中铁宝桥集团有限公司

  推荐单位:国家铁路局

  获奖等级:国家科技进步奖一等奖

  项目简介:

高速铁路作为我国自主创新的标志性成果已领跑世界。无缝线路是消除了轨缝的长钢轨与其下部复杂结构共同适应热胀冷缩、保持强度与稳定性的线路,是保障高速线路高平顺、高可靠、少维修的核心技术。我国地域广阔,气候条件差异大,长钢轨及无缝道岔热胀冷缩引起的巨大温度力可能造成断轨胀轨等,面临与气候环境的适应性难题;我国地形地质条件复杂,线路跨越江河、公路等存在大量长大桥、高架站,高速运营时梁体变形与轨道高平顺要求相矛盾,面临与长大桥、高架站等复杂结构的协调性难题。另外,高铁速度高、密度大,传统方法难以实现对无缝线路的长期实时监测预警,面临安全服役可控性难题。

该项目实施前,国内外仅针对普通无缝线路、短桥上无缝线路、小号码无缝道岔等开展了研究,对大号码道岔无缝化、长大桥及高架站无缝线路、安全监测预警等制约高铁无缝线路发展及安全运营的核心技术研究存在严重不足,不得不在道岔区限速、在穿越河流或公路时绕行或降速,无法实现全线连续高速安全运行。在国家及部委支持下,项目历经十余年的理论与技术创新,形成了具有自主知识产权的复杂环境下高速铁路无缝线路关键技术及应用体系。

1.创建了大号码无缝道岔静动力学精细化分析理论和设计技术,突破了大温差地区高铁跨区间无缝线路发展的技术瓶颈,攻克了与复杂气候条件适应性难题。促使我国成为大号码无缝道岔原创国之一,率先在年轨温差达110℃的世界上第一条高寒地区高速铁路(哈大)上铺设了62号无缝道岔,属世界首次。

2.创立了长大桥无缝线路及高架站无缝道岔复杂结构系统的力学分析理论与成套设计技术,研发了协同仿真动力学分析平台FORSYS以及多种锚固结构,大大减少或避免了伸缩调节器的设置,突破了无缝线路与复杂线下基础协调性这一国际公认的重大难题。成功应用于举世瞩目多座跨越长江、黄河等长大桥无缝线路以及多座高架站无缝道岔群的设计中。

3.提出了复杂环境下高速铁路无缝线路服役状态高敏性表征和监测指标体系,构建了多手段智能融合的无缝线路实时监测方法,并研发了预测预警及辅助决策系统,实现了无缝线路安全服役状态的可控性。成功应用于我国多条高速铁路的安全运营与科学维护。

长度达上百公里的桥梁上铺设无缝线路

项目形成《铁路无缝线路设计规范》及其他标准7项,获发明专利10项、其他知识产权25项;论文200余篇,三大检索论文110篇;著作6部;成果获中国铁道学会科技特等奖、教育部科技进步一等奖、中国专利奖优秀奖,并入选中国高等学校十大科技进展。成果应用于国内几乎所有高速铁路及土耳其、泰国等国铁路,还将应用到俄罗斯、印尼高铁中。仅近三年产值42亿元,利润6.9亿多元。运营表明,“无缝线路技术先进、安全可靠”。经教育部鉴定“该成果系统性、创新性强,整体达到了国际领先水平”。项目践行了“政、产、学、研、用”协同创新模式,为我国高铁的快速发展及“走出去”战略提供了重要支撑。

二、主要科技创新

高速铁路作为自主创新的标志性成果已成为我国国家名片,而无缝线路作为高速铁路必须采用的结构,具有行车平稳、振动噪声小、维修少、寿命长等优点。如果没有无缝线路,就不可能实现列车高速、安全运行。高速铁路无缝线路是一个极其复杂的技术体系,面临三大技术难题:(1)复杂气候条件的适应性。我国跨越不同气候带,年轨温差可达110℃,且存在骤冷骤热、持续高温或低温等极端气候。高速铁路钢轨温度力巨大(209t/110℃)且分布不均,易于造成几何形位难以保持、胀轨、断轨等。而对结构更为复杂的高速无缝道岔,对复杂气候更为敏感;(2)复杂线下基础的协调性。我国地质环境复杂,山区河流众多,修建了大量的长大桥梁、高架车站(部分线路桥梁比例超80%)。梁体及桥墩变形会直接导致无缝线路受力破坏、变形超限;(3)安全服役状态的可控性。高速铁路速度高、密度大、维修时间短,应用传统观测桩、夜间人工测试等方法精度差、周期长,无法及时对无缝线路状态预警。以上三大难题的存在会直接影响高速铁路运营安全。

日、德、法等高铁发展较早国家,由于其气候变化和地理环境的局限性,未曾遇到我国所面临的高寒高温气候、长大桥梁众多等问题(欧洲高铁桥梁比例<4%,日本多为15米以下小跨桥等)。项目开展前,国内外对大号码道岔无缝化、长大桥无缝线路、高架站无缝道岔及安全监测等技术研究严重不足,存在大号码道岔区不得不频繁限速与穿越河流公路较多的绕行或降速,实现不了全线高速运行,且带来较大工程浪费。针对上述难题,该项目经十余年自主创新,在保持普速无缝线路研究领先的基础上,通过高速铁路大号码无缝道岔、长大桥梁无缝线路、高架车站无缝道岔、监测预警等多项制约高速无缝线路发展的核心技术突破,真正实现了无论线路多长都能通过无缝化实现全线连续高速安全平稳运行,形成了自主知识产权的复杂环境下高速铁路无缝线路关键技术及应用体系。

复杂环境下高速铁路无缝线路关键技术成果框架

(一)科技创新点一:创建了高速铁路大号码无缝道岔静动力学精细化分析理论方法和结构设计技术,突破了制约大温差地区高速铁路跨区间无缝线路发展的技术瓶颈,攻克了高速铁路无缝线路与复杂气候条件适应性难题。

复杂气候条件下道岔焊连后受力不均衡,易发生较大纵横垂向变形,造成转换卡阻、变形超限等问题,极易造成安全隐患。因此过去在大温差地区不采用把普速小号码道岔无缝化的跨区间无缝线路。

但随着高铁速度与平顺性要求的提高,长度更长、更复杂、温度敏感性更高的大号码无缝道岔铺设成为必然。项目实施前,国内外多针对普速小号码道岔,采用过多简化的静动力学方法进行研究,也未考虑复杂温度与列车荷载的耦合效应,难以满足高速大号码无缝道岔精细化设计的要求。

1.建立了充分考虑细部结构的高速铁路大号码无缝道岔真三维耦合分析方法。充分考虑了极端高低温、骤冷骤热等复杂温度条件、整体及细部不同尺度融合分析、结构和材料的非线性弹塑性本构关系等,首次实现了能真正反映大号码无缝道岔细部结构的真三维模拟,揭示了复杂气候条件下大号码道岔结构内部相互作用机理、空间受力分布规律、敏感区及薄弱环节等,弥补了既有研究的严重不足,为复杂气候下大号码无缝道岔精细化设计提供了重要依据。在《Science China Technological Sciences》等权威期刊发表论文20余篇,形成发明专利1项。铁道部鉴定:“…填补了国内空白,整体技术达到国际先进水平”。

2.建立了复杂温度条件下,车辆—大号码无缝道岔空间多尺度实体动力学分析理论与方法。通过对岔区细部结构及结构间连接关系的理论及大量试验研究,建立了考虑温度效应的列车-无缝道岔系统多尺度实体动力学分析方法,揭示了高速列车通过时大号码无缝道岔结构的动力学行为规律,突破了无缝道岔无法精细化动力分析的技术瓶颈,为大号码无缝道岔低动力设计提供了更准确可靠的方法。成果发表在《Journal of rail and rapid transit》等知名期刊,形成发明专利2项。得到瑞典皇家工程科学院Uday Kumar院士等的充分肯定。

3.提出了复杂气候条件下高铁大号码道岔无缝化的系统设计理论、长大构件高精度制造工艺及无缝道岔铺设方法,支撑了我国高速道岔的自主研发。从材料选型、结构加强、协调设计方面提出了大号码道岔无缝化的成套设计理论、技术措施。提出了更为科学的转辙设备方案、尖轨心轨位移控制方法及限值要求(如尖轨基本轨密贴间隙<0.2mm)、长大钢轨件成套制造工艺(精度标准0.2mm/1m);创新性地提出了适应我国不同温差条件的三种无缝道岔结构、焊接顺序及锁定轨温取值方法等,从根本上避免了强度、变形超限和失稳的可能性,突破了大温差地区尖轨心轨伸缩位移过大、道岔转换卡阻等可能导致重大安全事故的技术瓶颈,为全国范围高速无缝道岔的使用和维护提供了重要安全保障。成果汇入《客运专线铁路道岔铺设手册》,形成发明专利2项、论文30余篇。

通过以上研究,促使我国成为高速通过性能优良、温度适应能力最强的高速无缝道岔原创国之一,使国外高速无缝道岔降价近40%。成果成功指导了我国大号码无缝道岔的设计、长轨件生产、制造、运输,成功铺设了3000余组高速无缝道岔。尤其是指导了世界最大号码62号无砟无缝道岔的设计、铺设,在高寒地区应用属世界首次。生产单位山桥、宝桥集团认为所设计的无缝道岔“质量稳定、性价比高,得到了用户的广泛好评”。促使我国无缝线路由原来几公里的区间无缝线路发展成为上千公里无钢轨接头的跨区间无缝线路,获2012年中国铁道学会科技特等奖。

成功指导世界上最长无缝道岔在高寒地区首次应用——哈大高铁62号道岔

(二)科技创新点二:创立了长大桥梁无缝线路以及高架车站无缝道岔复杂结构系统的静动力学分析理论与成套设计技术,突破了高速铁路无缝线路与复杂线下基础的协调性国际公认的技术难题。

我国高铁修建了大量的长大桥梁及高架车站,受环境影响较小的隧道与路基占比较小。桥梁与无缝线路组成了一种复杂的多层结构体系,存在钢轨多轨线、多种无砟轨道和变截面桥梁型式及轨板、板梁等复杂相互作用关系。在环境影响下梁体、桥墩会出现伸缩、挠曲等复杂变形行为;高速列车通过时极易发生桥梁振动过大、梁端转角动态不平顺等,直接影响桥上无缝线路的受力变形,可能导致断轨、失稳,严重影响高速行车安全。而将本身部件众多、结构复杂的无缝道岔铺设到高架车站上,更是集中了无缝道岔与高架车站的难点。

1.建立了长大桥梁无缝线路/高架站无缝道岔结构系统的精细化静力学分析方法。率先提出了成套的结构参数取值,充分考虑了多场荷载、不同无砟轨道及梁型、结构细部尺寸以及层间非线性关系,创建了长大桥/高架站无缝线路结构系统精细化静力学分析方法,揭示了温度、列车荷载作用下结构体系相互作用机理、受力变形分布规律,填补了桥上无缝线路精细化研究的空白,为复杂结构系统协调设计提供了重要理论支撑。成果发表论文20余篇,获发明专利2项、软件著作权2项,被高铁主要设计院采用。法国咨询专家Baresi认为,基于该成果进行高架站无缝道岔设计“可无限制地上道安装和使用”。

列车-无缝道岔-高架站动力学模型

2.创建了多体—长大连续结构系统刚柔结合的动力学分析理论及方法,自主研发了动力学协同仿真分析平台FORSYS。对长大桥梁/高架站无缝线路结构系统中轨-板、板-梁、岔-板等层间连接作用以及车辆之间的非线性接触关系进行了创新模拟,基于自编程序、有限元软件及接口技术的开发,首次创建了车辆多体动力学与长大桥上无缝线路连续结构系统动力学相结合的分析模型,开发了具有自主知识产权的协同仿真动力分析平台FORSYS,揭示了高速行车条件下无缝线路-长大桥梁以及无缝道岔-高架车站结构系统的动力相互作用机理和多因素影响规律,为车-线-下部基础精细化动力分析提供了全新的思路和方法,成功指导了长大桥梁/高架站无缝线路的高安全、低动力设计。成果发表在《Journal of Sound and Vibration》等著名期刊,获发明专利2项。得到瑞典皇家理工学院Georgios Michas等学者的充分肯定。

3.通过结构加强、应力变形控制、线上线下协调设计,系统提出了长大桥梁、高架站无缝线路/无缝道岔结构系统的联合设计方法及变形协调控制措施。项目组基于参数试验、静动力学分析、现场大型原型试验及实车测试,提出了长大桥梁无缝线路伸缩调节器(由可相对滑动钢轨组成的调节钢轨伸缩的装置)的设计、铺设及维护方法,彻底改变了过去频繁设置伸缩调节器而造成过多结构不平顺的局限,调节器数量较国外减少了80%,经济效益显著(50余万/组);研发了具有我国自主知识产权的多种长大桥梁无缝线路桥台后锚固体系(减小纵连板式轨道无缝线路与桥梁相互作用的重要结构),打破了国外垄断,突破了纵连板式无砟轨道铺设无缝线路的技术瓶颈,仅在京沪高铁就“节约了投资近2亿元”;基于梁轨联合设计提出了无缝道岔在桥梁上铺设的相对位置、梁体刚度、梁型设计准则,突破了高架站铺设无缝道岔的技术瓶颈,“指导了……高架站上铺设道岔群的技术难题……达到了世界领先水平”;首次系统提出了适用于我国高铁长大桥梁/高架站无缝线路系统的荷载组合、检算指标和评估方法体系,自主研发的参数自动配套、模块自动组装、分析及检算报告自动生成的智能软件被各大设计院成功应用。

通过以上研究,攻克了无缝线路与长大桥梁、高架站系统的协调性难题。形成《铁路无缝线路设计规范》,部分纳入《高速铁路设计规范》,成功应用于我国数十条高速铁路的设计中,尤其在举世瞩目的京沪、京广高铁跨长江、黄河大桥无缝线路以及大温差地区多座高架站无缝道岔群的设计中得到了应用。

(三)科技创新点三:充分考虑无缝线路与复杂气候、线下基础的关联性,构建了基于多手段智能融合的高速铁路无缝线路实时在线监测方法和预测预警系统,实现了高铁无缝线路安全服役状态的可控性。

高速铁路无缝线路受复杂气候、下部基础变形、车辆冲击等共同作用,安全服役状态难以掌握。传统的观测桩、夜间人工测试等无缝线路测试方法精度差、周期长、线上线下的对应性差、无法及时预警。为满足耐久性和精细化管理,监测技术亟待完善。

1.提出了复杂条件下高速铁路无缝线路系统安全服役状态高敏性表征和监测指标体系,研制了适用于高速铁路无缝线路监测的成套高精度传感器。基于静动力学理论分析,明确了无缝线路系统的受力变形敏感区段、关键结构敏感区域,提出了综合反映无缝线路服役状态的高敏性表征指标体系。在充分考虑与复杂气候、下部基础关联性的基础上提出了包含气候、无缝线路、下部基础的联合监测内容及布点原则、方法。针对传感器结构、安装方式、感知频率、测试精度、安全防护等差异化测试和安全需求,联合研制了成套高精度传感器。为无缝线路的精确、系统监测提供了保证。成果发表论文15篇。

2.构建了基于光纤光栅、视频感知等多手段智能融合的无缝线路状态监测方法及实时在线监测系统。构建了基于光纤光栅测内力、视频感知和智能识别结合测外部损伤、修正应力应变测高频振动的无缝线路安全服役状态综合实时监测系统。与传统方法相比,充分考虑了与复杂气候、下部基础的关联性,实现了无缝线路系统由外观到内在、从宏观到微观、从高频到低频的系统监测,将无缝线路监测推进到一个新水平。成果形成发明专利1项、论文20余篇。应用单位评价:“该系统的监测精度高,自动化程度高……”。

轨道质量状态预测预警方法

3.研发了具有我国自主知识产权的高速铁路无缝线路状态预测、预警及辅助决策系统。结合高铁无缝线路耐久性与精细化管理需求,开展了海量数据深度挖掘技术的研究,自主研发了无缝线路管理信息系统,可实现监测数据的智能化分析、检索、报警。提出了基于改进灰色理论的轨道状态及质量预测模型,自主开发了基于TQI指数及监测数据的无缝线路状态预测及辅助决策系统,填补了国内外相关研究空白。形成软件著作权2项,发表论文20余篇。

通过以上研究,真正实现了复杂环境下无缝线路长期服役状态的系统监测,确保了高铁无缝线路的安全可控。成功应用于武广、哈大、京沪、沪昆等多条高速铁路典型区段无缝线路的安全监控与科学维护,用户认为“……指导了典型区段的无缝线路养护和维修,保障了线路的安全运营”。成果鉴定意见:“实现了对寒冷地区无缝线路稳定性的长期监测及合理预测。”

该项目针对三个科学问题的研究,形成了一整套具有我国自主知识产权的复杂环境下高速铁路无缝线路关键技术及应用体系。作为我国高铁的核心技术,几乎在国内所有高铁建设中得到了成功应用,如跨越不同气候带、世界里程最长的京广高铁,最大年轨温差达110℃的世界首条处于高寒地区的哈大高铁等线路,并应用于土耳其、沙特、伊朗等国铁路建设,还将应用于俄罗斯、印尼等国家高铁建设中。成果得到王梦恕、周镜、崔俊芝、缪昌文、聂建国、杜彦良等院士以及国外多位著名学者的充分肯定,经教育部鉴定及国家铁路局评审“系统性强、创新性强,整体处于国际领先水平”。

该项目紧密结合国家高速铁路发展的重大战略与行业需求,攻克了高速铁路无缝线路关键技术难题,形成了具有自主知识产权的复杂环境下高速铁路无缝线路关键技术体系。创新成果成功指导了我国自主知识产权的大号码无缝道岔研制和铺设、举世瞩目的多条跨越长江与黄河的长大桥梁无缝线路以及处于大温差地区的多座高架站无缝道岔群的设计建造与科学维护。

该项目成果成功应用于跨越不同气候带、世界里程最长的京广高铁,最大年轨温差达110℃的世界首条处于高寒地区的哈大高铁等线路,为我国高铁建设、安全高效运营提供了技术保障。运营实践表明,复杂环境下高速铁路无缝线路关键技术能够满足高速铁路高平顺、高安全、高舒适性运营要求,取得了良好的经济和社会效益。

该项目十多年来坚持践行“政、产、学、研、用”协同创新模式,培育了一批高素质创新型专业人才和一支轨道工程关键技术研究与应用队伍,为成果产业化和技术持续创新奠定了坚实基础。

三、推广应用情况、经济效益和社会效益

(一)推广应用情况

自2001年以来,该项目研究成果被行业内多家具有高速铁路线路总体设计资质的主要设计院采用,完成了总里程达2298公里的京广高铁、首次在高寒地区铺设无缝线路的哈大高铁等国内主要高速铁路无缝线路的设计。

1.复杂气候条件下高速大号码无缝道岔方面

指导了我国大号码无缝道岔的设计、生产、制造、运输,成功铺设了3000余组高速无缝道岔。完成了京沪高铁42号、处于高寒地区的亚洲最大号码62号无缝道岔的设计,并指导了现场铺设工作。

2.长大桥梁无缝线路及高架站无缝道岔方面

应用于举世瞩目的京广高铁跨长江、黄河等长大桥无缝线路设计,并指导了铺设工作。实现了在高架站铺设无缝道岔群的壮举,“达到世界领先水平”。

3.高速铁路无缝线路检测、监测、预测预警方面

该技术被郑州局、沈阳局、济南局等铁路局采用,线路运营稳定、安全可靠,养护维修工作量大大降低。

(二)近三年经济效益

近三年完成单位新增销售额211032万元,新增利润43067万元;其他应用单位新增销售额205901万元,新增利润25842万元;累计产值42亿元,利润6.9亿多元。

高速铁路采用跨区间无缝线路结构,线路平顺、车辆运营平稳安全,铁路工务养护维修设备和材料成本大幅降低,需要的养护维修人员(每公里)也比普速铁路线路少的多。此外,高速铁路无缝线路实时在线监测技术在典型长大桥无缝线路、高架站无缝道岔得到应用,可以实时感知无缝线路安全服役状态,节约了大量的现场检查、测试成本,对于高速铁路科学维护和安全管理意义重大。

(三)社会效益

无缝线路是满足高速铁路运营高平顺性、高安全性的核心技术。如果没有无缝线路,就无法保证线路的高平顺性,剧烈的轮轨作用会直接威胁高速行车安全,更不可能有中国高速铁路的规模化发展。

研究成果成功地解决了高速铁路无缝线路一系列技术难题,形成了具有自主知识产权的理论技术体系。作为原创性成果,保障了高速行车的安全、可靠,全面提高了我国无缝线路技术水平,引领世界。研究成果成功应用于土耳其、伊朗等国外线路,并将在俄罗斯、印尼等国的高铁建设中应用,有力的支撑了我国高速铁路“走出去”国家战略的实施。

研究成果形成了《铁路无缝线路设计规范》,部分成果汇入《高速铁路规范》、《客运专线铁路道岔铺设手册》等行业标准,大大延长了线路使用寿命,降低了列车及周边环境的振动、噪声,有效减少了行车阻力,大大降低了牵引能耗,环境效益显著。

该项目主要获奖情况为:《高速铁路跨区间无缝线路理论体系、关键技术及工程应用》获2013年度“中国高等学校十大科技进展”;《高速铁路无缝线路设计关键技术及应用》获2013年度教育部科学技术进步奖一等奖;《高速铁路长大桥梁、高架站无缝线路设计理论及应用技术》获2012年度中国铁道学会科学技术特等奖;《一种高速铁路及城市轨道交通轨道结构试验模拟系统》获2016年度第十八届中国专利优秀奖;《穿越既有轨道交通工程安全风险控制成套关键技术》获2014年度北京市科技进步二等奖。

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