问题描述

作为高速铁路的核心装备之一，高速列车的速度不仅决定了高速铁路的运输能力与效率，也标志着高速铁路系统技术体系的进步。纵观世界高速列车技术的发展，人们对最高速度的追求和探索从未停止。

在试验速度方面，我国于2010年在京沪高铁创造了单列动车组最高试验速度486.1km/h的纪录,早在2007年,法国TGV以574.8km/h速度创造了轮轨列车的世界最快试验速度纪录，并一直保持至今。2016年，在郑徐高铁对两列复兴号动车组进行了相对速度420km/h的交会试验；2022年，复兴号动车组分别在济郑高铁和郑万铁路完成了单列速度435km/h、相对速度870km/h的明线交会和单列速度403km/h、相对速度806km/h的隧道交会试验；2023年6月，CR450试验列车在福厦高铁湄洲湾跨海大桥以单列速度453km/h、相对交会速度891km/h运行，在海尾隧道以单列速度420km/h、相对交会速度840km/h运行，本次试验完成了高运行速度条件下的新技术部件性能验证试验，也再次刷新了动车组明线和隧道交会速度的世界纪录。

对更高速度的探索一直是世界高速铁路发展追求的目标之一，目前世界多个国家正在研制更高速度的高速列车，中国正在研制的运营速度400km/h的CR450高速列车计划于2025年投入运营。为进一步巩固扩大我国高速铁路领跑优势，展现我国高铁的科技创新实力，未来新型动车组十分有必要冲击并超越法国TGV创造的轮轨列车最高试验速度。

高速铁路是一个复杂的大系统，包含了移动装备、基础设施、列车控制及运营组织等诸多专业。虽然国内外研究学者一直都把高速列车运行临界速度及关键影响因素作为热点和难点问题来讨论，但长期以来关于轮轨制式高速列车所能达到的极限速度尚未有定论。除了铁路自身的大系统以外，高速列车运行速度及运行状态还和周边地形地貌、大风气候环境等外界条件紧密耦合，呈现出系统庞大、影响因素多、影响机制及影响路径复杂等特点，高速列车系统的这一特点给高速列车极限运行速度问题的研究带来了极大挑战。

对高速列车极限速度的探索不仅面临着多个系统耦合的技术难题，更面临着速度提升给高速列车安全运行带来的新技术难题及科学问题。主要表现为以下几个方面：

（1）更高速度条件下，列车的运行安全性失效机制与低速运行条件将存在本质区别，给高速列车运行极限速度边界确定带来挑战。

高速列车运行速度达到400~500km/h以上后，速度的微小改变将可能导致列车运行性能发生突变。例如：高速条件下列车的蛇行失稳、脱轨机理等与低速条件有明显差异，高速列车脱轨形式复杂多变，可能伴随蛇行爬轨、高速碰撞冲击跳轨、滑轨等不同脱轨形式的组合。此外，更高速度条件下轮轨界面第三介质条件黏着行为特性规律较低速条件更加复杂，时速400公里及以上速度条件下轮轨黏着极限尚未有明确结论。轮轨制式条件下，轮轨黏着极限能满足多高运行速度条件下的列车牵引及制动的黏着利用需求尚不清楚。至今世界范围内仍未完全掌握更高速度条件下列车运行安全失效、黏着失效等机制，极大制约了人们对高速列车极限运行速度的认识。

（2）更高速度条件下，高速轮轨系统作用机制更加复杂，给准确评估高速列车极限速度带来挑战。

轮轨接触系统是车辆-轨道系统的核心，列车的支承、导向和牵引力均通过轮轨滚动接触系统来实现，轮轨接触系统的工作状态直接影响高速列车的蛇行临界速度，也即所能达到的最高运行速度。高速轮轨这一强非线性系统对轮轨接触状态、车辆系统状态、线路状态、外界随机激扰等因素异常敏感，系统的任一输入条件及状态参数发生变化均可能导致车辆动力学响应随机地绕极限环摄动，引起高速列车系统响应的本质变化，甚至表现出混沌特性。此外，来自车辆及轨道的影响因素还会和车速产生多维度耦合，对车辆响应特征产生复杂的影响，这些均给高速列车运行安全裕度及极限速度评估带来挑战。

（3）更高速度条件下，列车的气动效应显著，“车-地-环境”多场耦合效应凸显，高速列车运行极限速度确定面临多学科耦合的技术难题。

随着列车运行速度的不断提升,其气动效应及地面效应显著增加，环境风影响下高速列车表面边界层、底部流场和尾流场的变化特征更加复杂，成为制约高速列车进一步提速的关键因素之一。如列车阻力特性直接关系到其提速和节能环保的能力，负升力会增加高速列车轮轨动力作用,正升力会导致列车摆尾，较大横向气动力将导致列车减载或倾覆。在更高速度条件下，高速列车地面效应增强且具有持续性与非周期性，“车-线-地-弓网-气流-环境”间的耦合作用将更为强烈，风、雨、雪、地形地貌等因素对最高运行速度的制约愈加明显，耦合作用机理更加复杂。高速列车运行极限速度确定需要从多学科深度耦合的角度进行理论分析方法和技术手段的突破。

综上所述，在外界环境扰动与内部系统参数时变等复杂因素的影响下，高速列车运行安全性失效机理变得异常复杂，运行速度不断提升将会给高速列车运行安全性带来新的问题和挑战。因此亟需厘清制约高速列车速度进一步提升的关键因素及作用机理，从而为进一步探索轮轨制式高速列车所能达到的极限速度奠定理论基础。

列车的最高运行速度是高速铁路系统技术体系先进性的重要衡量指标，对更高速度的探索一直是世界高速铁路发展追求的重要目标。

高速铁路是一个复杂的大系统，一方面高速轮轨强非线性系统与车辆、轨道、车速、外界随机激扰产生多维度耦合，使得更高速度条件下的车辆动态响应表现出混沌特性；另一方面，速度提升导致列车气动及车地效应凸显，高速列车系统与周边地形地貌、风、雨、雪等气候环境产生多场耦合。在外界环境扰动与内部系统参数时变等复杂因素的影响下，列车在更高速度条件下的蛇行失稳及脱轨等运行安全性失效机制以及黏着失效机理等与低速运行条件均存在本质区别，这些技术难题均给高速列车运行极限速度评估带来技术挑战。

因此，如何厘清制约高速列车速度进一步提升的关键因素及作用机理，探明多场多维度耦合作用下更高速度列车运行安全性失效机制，突破现有理论及分析方法在确定列车极限运行速度时的技术瓶颈，对于进一步提升我国高速列车运行速度具有重要的理论指导意义。

问题背景

探明轮轨制式高速列车所能达到的极限速度，是现阶段新型轨道交通不断涌现的时代背景下亟需回答的问题。1998年京沪高速铁路在技术论证阶段，拉开了“高铁”与“磁悬浮”列车长达10年的技术之争。高速铁路和磁浮轨道交通的技术、经济指标及社会效益对比一直是研究学者们讨论的热点问题。确定轮轨制式高速列车所能达到的极限速度，明确轮轨系统高速列车的应用速度范围及运营场景，在功能上与“磁悬浮”、“低真空管道列车”等新型轨道交通进行合理区分，对于提前规划我国智能交通运输网络具有深远的意义。

探明轮轨制式高速列车所能达到的极限速度，对于推动高速列车技术体系进步具有重要意义。高速列车极限速度探索需要突破多维度耦合强非线性轮轨系统的技术边界，明确更高速度条件下轮轨黏着利用极限，解决高速列车系统与周边地形地貌、风、雨、雪等气候环境产生多场耦合作用下的运行安全性技术难题。这一科学问题的研究和解决将推动轮轨系统研究领域与其他研究领域之间的深度融合及技术革新，带动轮轨系统基础研究理论及方法的创新。

最新进展（截止问题发布年度）

对更高速度的探索一直是世界高速铁路发展追求的目标之一，目前世界多个国家正在研制更高速度的高速列车。对高速列车极限速度的探索当前仍存在需要重点攻克的技术瓶颈和科学难题。主要表现在：

（1）更高速度条件下，诸如蛇行失稳、脱轨、黏着不足等列车运行安全性失效机制与低速运行条件存在本质区别，高速列车运行极限速度边界难以明确。

（2）更高速度条件下，高速轮轨系统多维度耦合作用机制更加复杂，车辆动态响应表现出混沌特性，亟需突破高速列车运行安全裕度及极限速度评估方法。

（3）更高速度条件下，列车的气动效应显著，“车-地-环境”多场耦合效应凸显，高速列车运行极限速度确定需要从多学科深度耦合的角度进行理论分析方法和技术手段的突破。

重要意义

明确轮轨制式高速列车所能达到的极限速度，对这一科学问题的突破，不仅可带来更高速度轮轨关系领域基本理论及方法的创新，更将推动轮轨系统、弓网系统、流固耦合系统等多学科深度耦合分析方法和研究技术手段的突破。该问题的解决对进一步提升我国高速列车运行速度具有重要的理论指导意义，对提升我国高速铁路运输能力和效率，占领我国在世界高速铁路的领跑地位具有积极的推动作用。