问题描述

列车运营速度是衡量一个国家铁路发展水平和工业科技水平的重要指标之一，当前世界各国为了提高影响力和竞争力，多个国家已计划或规划进一步提高列车运营速度。而轮轨系统耦合机理是制约轮轨制式交通运营速度、安全舒适性进一步提升的关键科学问题。在更高速度条件下，轮轨瞬态滚动接触行为变的更为复杂，存在强摩擦力、多环境能量场交互、高应变率载荷等复杂效应。轮轨系统复杂的耦合接触行为将导致轮轨系统能量场发生不可预知的变化，并在轮轨系统能量场交互机制作用下，产生车辆-轨道系统能量重构现象，影响车辆和轨道系统的能量耗散响应，若能量耗散不合理，将导致车辆和轨道系统关键部件的伤损，严重影响列车运行的安全性。因此如何探明更高速度条件下的轮轨耦合机理及能量场分布特征是提高运营速度、提升安全性和舒适性，并降低车辆和轨道系统部件伤损的关键核心科学问题，是完善我国高速铁路全面系统正向设计理论和方法体系，研制我国新一代高速列车，提升我国铁路行业国际竞争地位，彰显国家工业科技水平和综合国力的核心基础。

问题背景

轮轨系统技术是高速铁路的核心技术之一，通过轮轨的滚动接触实现列车支承、导向和牵引，其服役行为直接关系到列车的运行安全，是保障高速铁路安全、高效运营和技术创新的重要支撑。我国高速铁路具有线路里程长，无砟轨道所占比例大，地质条件和气候环境复杂，列车持续高速运行等特点，使得我国高速铁路轮轨关系显得尤为复杂。且工务工程基础设施系统表现为明显的层状特征，轮轨力激励能量向下传递时具有明显的层状衰减特征，不同层状结构本身的能量场特征及各层之间的能量传递规律尚不清晰，研究多层状体系系统能量场特征及内在机理可从系统角度优化各结构的设计理念，推动各部件系统化的正向设计，优化各部件的系统功能，为我国铁路技术的进一步提升提供理论基础。至今世界范围内仍未完全掌握高速铁路轮轨作用机理，因此，通过突破全频段轮轨大系统耦合仿真体系、完善轮轨损伤失效理论模型、优化检测监测数据诊断方法、丰富检测监测装备等技术难点，探明复杂环境下更高速度轮轨系统耦合机理及能量场分布特征，掌握更高速度条件下的轮轨耦合机理及能量衰减规律，是优化各部件的系统功能，推动铁路系统正向设计的基础，也是当前迫切需要研究的重大科学问题和关键技术难题。

最新进展（截止问题发布年度）

（1）复杂环境下更高速度轮轨耦合机理仿真理论及试验技术

基于模态识别技术，对雨、雪、风沙等复杂环境下的轮轨耦合模态特征进行辨识，并对更高速度条件下的轮轨黏着、蠕滑等轮轨滚动接触行为进行探索，填补国内外轮轨耦合机理研究方法及轮轨滚动接触行为相关技术，掌握有列车荷载作用下轨道结构及其零部件的振动特性以及轮轨滚动接触行为，轮轨系统能量场的分布特征研究提供关键基础。

（2）轮轨系统能量场分布特征及其积聚耗散表征方法

随着列车运营速度的不断提高，轮轨系统相互作用能量场将会产生相应变化，其轮轨系统能量场的映射关系是研究轮轨系统正向设计的基础，同样也是更高速度新一代高速列车研发的基础，同时铁路工务基础设施系统具有明显的层状结构特征，轮轨系统能量场在工务基础设施系统中的能量分布及耗散机理尚不清晰，且工务基础设施系统层状结构具有较强的非线性和频变性，各层结构的能量耗散机理及对能量场的分布特征影响机理尚不清晰，是制约工务基础设施系统优化升级，系统正向设计的关键所在。

（3）异常轮轨表面状态形成和演变机理及多尺度综合反演技术

高速车轮多边形磨耗和钢轨波磨产生和发展的影响因素复杂，其形成过程比较漫长。目前的试验手段不能清晰定量地区分影响车轮多边形和钢轨波磨初始形成和发展过程中的关键因素。因此，需要完善既有的高速轮轨磨损理论模型和数值方法，对高速车轮多边形磨耗和钢轨波磨的诱发和演化全过程行为进行表征。

（4）多源轮轨系统智能感知及分析诊断技术

目前高速检测监测系统采集了大量的轮轨关系数据，结合数理方法和人工经验得到了轮轨系统及其关键部件的一些表层统计特性，但是难以挖掘其内在的机理本质和演化规律。因此，在大数据的框架下，如何结合时频分析、稀疏贝叶斯理论等数据建模和多尺度耦合、全频段仿真等机理建模技术，智能提取和融合多源轮轨系统内在特征，动态掌握轮轨系统及其关键部件的健康状态及其劣化规律，为精细化维修和预防性维修提供数据支撑，是一个有待突破的技术难题。

重要意义

以上科学问题和技术难题的突破对于进一步完善我国高速铁路全正向设计理论和方法体系，实现理论体系、检测装备、监测系统、方法手段的全面提升，进一步提高我国高速铁路运输经济性、乘客舒适性，降低运营安全风险和成本，实现我国高速铁路技术从“先进”到“引领”的跃升具有重要的推动作用，同时对于践行“交通强国”、“科技强国”发展战略，促进“一带一路”倡议及中国铁路“走出去”深入实施具有重要的战略意义。