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时间:2017-04-25 来源:中国科学报 作者:

中国科学报 孙守光科研团队:守望中国轨道交通二十年


守望中国轨道交通二十年

——记北京交通大学孙守光科研团队


孙守光教授(右二)正在与他的团队成员探讨转向架构架问题


和绝大多数搞工科研究的人一样,北京交通大学教授孙守光极其低调,不仅网络上少有他的有效资料,就连平时的着装也十分随意,有时甚至是一套工装。前些天,为了接受《中国科学报》记者的采访,他特地换了一套正装,但这却让他感觉有些“别扭”,私下里还半开玩笑似地对同事说:“穿成这样,怎么到实验室工作?”

虽然为人低调,但孙守光所在的轨道车辆结构强度与可靠性团队从事的研究却十分高调,可以说与我们的生活、工作息息相关,那就是研究在钢轨上跑的所有车辆的关键结构是否在生命周期中具有足够的可靠性,简单来说,就是为轨道车辆“做体检”,确保“身子骨结实”。

对于孙守光团队的这一研究,还要从两个十年说起。

这不只是经济效益

“第一个十年,是从1997年到2007年的中国铁路大提速,高铁还没有开始大面积运营。”孙守光回忆道,那时候,团队在原有的基础上逐步建立起了轨道车辆可靠性评估体系。

“就像医生给病人诊断病情一样,我们给轨道车辆诊断‘病情’。”他说,通过系统地检测与评估,迅速确定轨道车辆结构是否具备足够的可靠性,如果不能满足全生命周期的安全运行要求,团队将对其进行结构可靠性升级。“这项工作一直到现在都在延续”。

那段时间,具有中国计量认证资质的孙守光团队所开展的研究工作,几乎覆盖了我国所有的轨道车辆产品系列。“这方面的工作,在该领域占到全国的90%以上。保守地说,评估六百多次,升级上百次。”回忆起那段历史,他十分自豪,“保障了我国轨道车辆的安全运行和正常运营秩序,也得到了原铁道部和中国中车公司的高度认可与肯定。”

孙守光介绍,团队给上世纪90年代末开始使用的转向架构架进行升级时发现,一些部件实际使用寿命只是全生命周期的1/3左右,甚至更短;但在升级后,就完全能够满足全生命周期的使用要求了。

“这种升级的成本非常小,只是原件制造成本的几十分之一,很多都是在车辆定期维修时‘顺便’做的。”孙守光说,十几年下来,通过轨道车辆结构可靠性升级,直接节省的费用高达数十亿元。

“虽然可以直接产生很大的经济效益,但团队主要创造的还是社会效益。”孙守光介绍道,2002年前后,我国某主型提速车辆转向架出现了严重的可靠性问题,如果不能及时挽救,当时我国将近半数的提速客车将不能正常运营。后来,团队成功解决了这一问题。

设计标准出了问题

孙守光说,多数轨道车辆的设计使用年限是30年,但作为轨道车辆最核心部件的转向架构架的实际寿命却时常只是全生命周期的一小部分。“此前,即使是依照国际公认最权威标准设计的转向架,在线路运行时也会出现结构可靠性不能满足全生命周期的现象。在轨道交通某些领域,这一问题具有普遍性”。

对此,孙守光认为,当时的研究基础不足和知识水平受限是最主要的原因。“结构可靠性是一个很深入的经典问题,一直到现在还需要不断研究。”他说,这就像只有对一个人一生的生活、发展情况有了全面深入的了解,才能判断他是否足够健康、到底能活多久,而这是很难做到的。

“另外就是当时国际交往不够深入。”孙守光说,大家对结构可靠性的重要性、紧迫性没有认识到位,“虽然几次铁路大提速对社会发展起到了很好的作用,但之前对这方面的重视程度却一直没跟上。”

孙守光指出,现行国际设计规范仍然只是一个定性标准。“说是30年,或多少万公里,但尚不能回答实际可以用多久、跑多长。”他说,因为这不仅要将实际运行条件充分考虑,还要以符合结构损伤规律的方式定量表达,只有这样才能确保在实际运用条件下具有足够可靠性。

“归根结底,是设计标准问题。”孙守光说,对于某些领域的轨道车辆来说,设计输入或者说现在的标准不完全符合实际运行条件,因此才会造成系统性、普遍性的结构可靠性不足问题。

在他看来,要想从根本上解决这个问题,就得靠载荷谱了。

“中国标准”呼之欲出

载荷谱研究,尤其是轨道车辆转向架构架的载荷谱研究,是孙守光团队第二个十年主要从事的工作。

根据孙守光的设想,载荷谱可以在设计阶段与所要满足的运行条件相关联,从而标定和测试出与生命周期相匹配的设计输入,所以设计出来的结构能够保证在规定的运行周期内和确定的使用条件下具有足够的可靠性,确保安全。

经过十年的努力,孙守光的设想正在逐步变为现实,载荷谱体系已基本成熟。2010年,孙守光团队独创了损伤一致性原则,这是建立载荷谱体系的理论基础。

“轨道车辆的结构疲劳一般用‘损伤’来度量。我们在设计阶段要预估它们的寿命,最终要将结构在实际运行中所产生的损伤和我们标定和测试出来的载荷所对应的损伤统一起来,这就是损伤一致性。”团队最早的成员、北京交通大学教授刘志明和李强介绍道。

除了理论基础,技术基础也是必不可少的,那就是又花费了团队成员四年时间才建立起来的载荷谱测试技术。

“首先要将转向架构架标定成测力传感器系统,实现所有载荷的解耦测量,以保证测力精度。”刘志明说,要想把转向架构架上的全部载荷准确地测量出来并非易事。

从2010年开始,孙守光团队不断开展这方面的探索,终于圆满实现了这一目标。标定好的测力构架,通常要在运营条件下测试一年以上,以获得充分的载荷数据。

“经过一系列复杂的程序,通过载荷谱测试技术,我们可以把一个转向架构架所受的几十个力全都能准确地测试出来。”孙守光颇感骄傲,因为全世界只有他所在的团队能做到这一点。

随后,又经过两年的实践操作,孙守光团队将损伤一致性原则和载荷谱测试技术完美地结合在一起,于2016年正式建立了载荷谱体系。“这是整个轨道车辆全都可以适用的一套办法,因为它有成熟可靠的理论框架和测力技术体系”。

对于这样一个领先于国际的体系,孙守光说,目前已有相关企业直接将载荷谱体系作为内控标准使用了,在转向架构架研发阶段,用它进行设计校核与可靠性试验考核,从而让新生产出来的产品可靠性更高,确保安全。而它成为“中国标准”乃至“世界标准”,也为时不远了。

《中国科学报》(2017-04-25第8版 科创)

报社见习记者王之康




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