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輪軌丹心丨沈志云院士口述自傳:我的高鐵情緣

西南交通大學2020-11-23 11:30:14

5月29日,國家新聞出版廣電總局發布2015年向全國青少年推薦百種優秀圖書活動的入選書目。由中國科學院院士、中國工程院院士、西南交通大學沈志云教授創作的《我的高鐵情緣——沈志云口述自傳》一書入選。

該書是沈志云院士對自己一生生活和科學歷程的口述自傳。在這本自傳中,沈院士對自己的生平、學術生涯和科學成就做了認真而清晰的回顧。沈院士的一生科學學術生涯,可以用三句話概括:一輩子追求科學真知,堅持實踐、理論、實踐的科研道路,獲得科學前沿成果;一輩子情系高速輪軌,助推引進、消化、創新的高鐵戰略,做出重要社會貢獻;一輩子認真教書育人,秉持傳道、授業、解惑的崇高師德,培育大批高端人才。


書中能看到一群致力于推動我國高鐵發展的科學家、專家堅韌前行的身影,以沈志云教授為代表的西南交大老一輩科學家、科技工作者報國的志向和結晶。書中記錄了沈院士帶領他的團隊,創建了牽引動力國家重點實驗室,研發機車車輛整車滾動振動試驗臺,在我國鐵路提速和高速機車車輛研究中發揮的巨大作用,展現了以自主創新推動國家軌道交通事業發展的西南交大科技工作者的群體形象。



沈志云院士:輪軌丹心

1929年出生,湖南長沙人。1952年畢業于唐山鐵道學院。西南交通大學教授,機車車輛動力學專家。1991年當選中國科學院院士,1994年當選中國工程院院士。他在機車車輛動力學尤其是輪軌動力學、運動穩定性、曲線通過理論和隨機響應等研究方面成績卓著。

其標志性成果有三

1.創建了輪軌非線性蠕滑力模型,即“沈氏理論”;

2.主持研制成功中國第一臺迫導向貨車轉向架,開創了無輪緣磨損新紀錄;

3.主持建立的機車車輛整車滾動振動試驗臺,達到國際先進水平。

多年來,沈志云在機車車輛動力學的研究方面碩果累累,為中國鐵路高速、重載運輸、高新技術發展和鐵路高等教育作出重大貢獻,其“沈氏理論”享譽世界。


如今,高速鐵路已成為中國最響亮的名片,改變人們的生活方式。而沈志云近二十年為中國高鐵發展奔走呼吁,其高鐵戰士、高鐵衛士的形象在中國高鐵發展史上躍然紙上。

基本功的練就

1929年,沈志云出生于湖南長沙。其父小學教師,其母家庭婦女。沈家并不富裕,兄長沈立蕓是沈志云人生領路人。自幼父兄教育他,只有好好讀書才能有出息。抱著這樣的信念,沈志云讀書非常用功。小學尚未畢業,日本侵略的戰火已燒至長沙,沈志云隨家人逃難到湘西。沈志云在國師附中六年成績年年第一。國師附中的優秀教育給沈志云打下了良好的基礎。


1944年,因戰火臨近,國師附中從湖南藍田六畝塘搬到溆浦,沈志云與家里失去了聯系,也失去了家里的經濟支持,不得不在“半工半讀”中完成學業。高中畢業時,湖南臨近解放,沈志云一心想參加革命工作。兄長沈立蕓派人去國師附中將沈志云“押”回家,讓他復習備考大學,還賣掉了自己的結婚戒指,讓沈志云赴武漢趕考。沈志云報考了唐山工學院、清華大學和武漢大學,皆被錄取。最后按兄長的建議選擇了唐山工學院,從此與鐵路結下了一世之緣。


1952年,因國家建設的需要,沈志云提前從唐院畢業留校當助教。助教三年,沈志云天天寫教案,試講,做習題,輔導學生,雖然沒能正式上講臺,卻打下了扎實的理論力學功底。這對沈志云其后的科學研究非常有幫助。


沈志云的研究思路及方法的訓練主要得益于留學蘇聯攻讀副博士學位之時。1957年,沈志云被國家選派去蘇聯留學,學習車輛修理專業。這個專業的技術含量不高,錢偉長在其出國的評審材料中批示:“希望以后不要再派學這種專業的人出國?!钡?,沈志云卻從這個學術含量不高的專業學習中受到了系統的學術訓練,養成了受益終身的學術思維與方法。


沈志云的指導老師尼可拉耶夫曾經在修理工廠工作過十七年,深知實際生產過程中,有很多問題亟待解決。他給了沈志云列有一百多個題目的選題清單,讓他先去工廠看看,根據實際需要選擇研究題目。就這樣,他給沈志云指明了一個進入科學研究殿堂的切入口。沈志云通過對工廠生產的實際調查,選擇了各工廠都期待解決的車輛修理中一次性落車(即車輛修理好后放置在轉向架上)的問題,成功解決了該問題,得到專家們的好評,獲得了副博士學位。而從實踐中發現問題,在理論上進行研究,再去實踐中進行檢驗,就成了沈志云受益一生的研究模式。

一鳴驚人的沈氏理論

“文革”中,沈志云被扣上了十八頂“高帽”,受到巨大沖擊?!拔母铩苯Y束時,沈志云已快五十歲了。為了趕上世界潮流,他如饑似渴地更新知識、閱讀專業文獻。他將每天的時間分成四塊,晚上10點以后的第四塊時間是他的學習時間,往往一學就到深夜兩三點。


1982年,沈志云前往美國麻省理工學院(MIT)做訪問學者。在美國,53歲的沈志云以“餓牛吃草”的狀態進行學習。一年多的時間,沈志云聽了8門機械工程方面的課程,翻閱了美國MIT圖書館收藏的機械工程方面的全部論文。在MIT,他主要進行了輪軌蠕滑力的計算問題研究,并取得了重大突破。如何定量地確定輪軌蠕滑的力學特性,一直是車輛動力學的難題。國際學者沃爾妙倫、約翰遜等作了很多研究,其中卡爾克的研究最為突出??柨藢⑤嗆壢浠碚撚删€性發展為三維的非線性理論,還設計出DUVOROL程序,是公認的最精確的蠕滑理論。但其計算量太大,又沒有顯式公式可以輸入,因此使用起來非常不方便,難以推廣。


找到既快速又精確的輪軌蠕滑力計算方法是當時學術界高度關注的問題。沈志云和MIT的指導教師赫追克都想在此有所突破。于是,這個任務就成了沈志云在MIT的研究任務。沈志云每周給赫追克匯報研究進展。后來,為了得到現場測試數據,他們又和卡羅拉多州普耶勃羅實驗中心的總工程師葉爾金斯合作,由葉爾金斯提供現場測試數據。沈志云提出,可用卡爾克的線性理論來改造沃爾妙倫-約翰遜的線性公式,再用沃爾妙倫-約翰遜的非線性化的曲線來修正誤差。他的這種設想得到了赫追克和葉爾金斯的贊同。于是,沈志云按照這個設想設計新的計算方法,將其制作成計算機程序。


圣誕節至元旦的這一周美國學校放假,學生回家了。沈志云就利用實驗室的二十幾臺計算機一起跑程序,二十四小時不間斷,做了整整一周。一方面,用卡爾克的方法做;另一方面,用沈志云設想的修正方法做。整整一周,他不斷地巡視著每臺計算機,大門都沒出去過。整座大樓寂靜無聲。困了,沈志云就在機房的沙發上打個盹,餓了就在走廊上的自動售賣機里買杯咖啡、買點餅干充饑。一周下來,主體計算基本完成了。

沈志云參加現場研討會

結果非常理想,在主要的計算中兩組數據差距都不超過10%,完全可以工程應用。而新方法的計算速度比卡爾克的方法快幾十倍。研究成功了!赫追克和葉爾金斯對沈志云拼命工作的印象非常深刻,稱他不僅思路清晰,而且“每天工作24小時”。


國際輪軌蠕滑力研究權威卡爾克對沈志云等發明的這一方法給予了高度評價,說解決了他一直想解決而未能解決的問題,并稱這“是鐵道車輛動力學中能夠采用的最好的非線性蠕滑力模型,是鐵道車輛系統動態仿真最適用的方法,是1983年世界蠕滑理論新發展的標志”。后來卡爾克將這一方法命名為“沈-赫追克-葉爾金斯”理論,將其歸納為三維彈性體滾動接觸力學的第四大理論,并且說第四大理論是最適合于在車輛動力學中運用的理論。

零磨損的貨車迫導向轉向架

曲線區段上的鋼軌及輪緣磨損,是鐵路運營中遇到的一個嚴重問題,有時甚至影響行車安全。要解決這個問題,一是改造線路,加大曲線半徑;二是鋼軌涂油;三是改造轉向架結構。前二者成本大,施工難。第三種方法被視為安全可靠的技術手段。1985年,沈志云受國際學者啟發,萌發了研究迫導向轉向架的想法,開始研制新型米軌用迫導向轉向架。

2011年6月任京滬高速鐵路驗收專家組副組長

沈志云在學校的車輛實驗室專門設計一個半圓型的軌道試驗臺,目的是檢驗所設計的迫導向機構能否發揮作用,使通過曲線時,輪對軸線指向軌道曲線半徑的方向,收集各種數據,改進設計。他們以齊齊哈爾工廠所試制的A3型轉向架為基礎,加裝了一系橡膠堆和杠桿式導向架。改裝完成后,新迫導向轉向架模型在試驗臺測試效果不錯。1987年8月,齊齊哈爾車輛廠按照他們的設計參數,改裝米軌用的迫導向轉向架,并裝入C30型4618號敞車。9月,該車送至昆明進行實地試驗。12月,1 輛同型號、技術狀態相同的常規轉向架敞車(C30型4673號車),也送到同一路段運行,以便對比。


改裝后的迫導向轉向架效果很明顯。迫導向轉向架試驗車4618運行兩年多,輪緣最大磨耗為1.5mm,最小為0.5mm;輪軌有些部位的黑皮都沒磨掉。對比車4673僅運行半年多,輪緣最大磨損就達3.5mm。迫導向轉向架的研制獲得了成功。1989年,該研究通過了鐵道部的驗收,并列入1990年鐵道部示范性推廣計劃。同年,該成果榮獲鐵道部科技獎三等獎。

“提著腦袋”建國際一流的試驗臺

科學研究離不開實驗。早在1978年沈志云就提出了建立一個試驗臺的想法。1988年國家計委啟動了第二批國家重點實驗室的建設申報,沈志云再次提出建設國際一流的車輛振動滾動試驗臺。他說輪軌關系雖然看似簡單,但科技發展到今天,人類依然無法準確地把握輪軌相互作用,“要使上百噸的機車車輛在試驗臺上自由滾動和振動,其難度可想而知。


但是,非如此不能解開輪—軌這個黑匣子”。德國的慕尼黑研究所試驗臺世界最先進,其試驗時速達到了500公里,我們若做不到500公里,可以先做450公里,“在精度上、在功能上超過他們”。當時列車的一般時速為60~70公里,450公里顯然是很多人都未曾認真思考過的速度。沈志云所在的西南交通大學力排眾議,支持沈志云聯合校內各方力量申報機車車輛滾動振動試驗臺。這次國家重點實驗室全國共有275家申報,只有50個指標。沈志云領銜的機車車輛滾動振動試驗臺在申報評審中脫穎而出。


西南交通大學讓沈志云全面負責實驗室的建設。從設計理念,到挑選骨干,沈志云作了周詳的考慮。1989年4月,國家計委委派專家到西南交通大學對實驗室進行現場評估??疾旖Y束時專家問沈志云:“建這么大的實驗室,要承擔什么樣的風險,你想過沒有?”沈志云一愣,只好如實回答說:“如此大的設備,如果搞成功了,非常有用;如果失敗了,那就是一堆廢鐵,是很大的浪費?!睂<艺f:“這么巨大的浪費,恐怕你的性命難保哦?!贝撕髱啄?,沈志云時常感受到“提著腦袋”的壓力,未敢有絲毫懈怠。


在實驗室建設過程,試驗臺的建設方案進行了很大的調整。首先,試驗臺從原本的一軸試驗臺發展為四軸試驗臺。只有四軸才能做整車試驗,才能在國家科技及經濟發展中發揮更大的作用。國家重點實驗室的世行貸款經費為135萬美元,要建成國際領先的實驗室,經費捉襟見肘。試驗臺功能擴大,意味著經費投入增加,不僅增加人民幣,還需要增加外匯。在20世紀90年代初,大筆外匯都靠指標調配,其難度可想而知。


沈志云踏上了找經費的道路。他和助手拿著報告,到科委、計委、教委等單位找領導匯報,請求支援。鐵道部更是他們重點爭取的對象。為了節約經費,他們居住在鐵道部附近招待所的地下室,和七八個素不相識的旅客住在一個房間,吃飯也是在小攤上隨便對付幾口。好在鐵道部領導非常認可建設國際一流的整車試驗臺的思想,想方設法投入120萬美元作為實驗室的建設配套外匯。


其次,試驗臺延長成了三車可以一起做試驗的平地試驗臺。在試驗臺設計的時候,沈志云充分考慮到了試驗的方便性,要求試驗臺與地面齊平。這樣不僅做試驗方便,且試驗臺兩頭還可以延伸,這樣中間放試驗車,兩邊各放一輛車。三輛車在一起,一是動力學的運行模擬,可以考慮連掛車的影響。二是可以進行法國鉸接式兩車共用一臺轉向架的高速列車的試驗。這一功能在國際上是唯一的,德國慕尼黑試驗臺也不能做這種試驗。


1993年初夏,試驗臺安裝調試成功。試驗臺由兩部分組成,下面是基礎平臺,按時速600公里以上的要求設計,重量就達4000多噸。支撐這個基礎平臺的是65根鋼筋混凝土灌注樁,每根樁直徑600mm,打入地下近25米深?;A平臺上面是機械臺,由廣州重型機械廠投標承建,制成后運到成都安裝,整個機械臺重達532噸。


1994年1月28日,試驗臺首次做車輛的滾動振動試驗。試驗臺是否成功,要看車輛在試驗臺上是否出現蛇形。在軌道運行中,失穩就是蛇形失穩,一旦出現蛇形,表明試驗臺成功地模擬了實際運行情況,試驗臺就成功了。隨著沈志云一聲令下,大家屏住呼吸盯著控制屏幕。突然,蛇形出現了。大家不約而同歡呼:蛇形了!蛇形了!沈志云也笑開了,腦袋別在褲腰帶上的日子結束了,試驗臺終于建成了!他在日記中興奮地寫道:“幾年奮斗終于達到了目的!”

同卡爾克教授研討輪軌接觸問題

1995年11月,國家重點實驗室通過國家驗收。實驗室建成后,完成了大量試驗任務。實驗室第三任主任張衛華說:“除了正常的檢修,試驗臺從1995年正式啟用以來,試驗任務應接不暇,從未停止過試驗,而且這一試驗技術在幾乎所有的機車車輛主機工廠得到推廣,這是在設計之初始料不及的?!?/p>


實驗室對促進鐵路技術大發展,尤其是中國高速列車技術的發展方面作出了突出貢獻。1999年,由沈志云領銜的“機車車輛滾動振動試驗臺”獲國家科技進步獎一等獎。

高鐵戰士

20世紀80年代末90年代初,中國鐵路發展的困境開始出現,鐵路嚴重滯后成為了國民經濟發展的“瓶頸”。以沈志云為首的鐵路技術專家開始呼吁發展高速鐵路。但高速鐵路的成本每公里達3億~4億元人民幣,鐵道部又難以承受。于是,圍繞著京滬線,出現了兩派不同的意見:“急建”和“緩建”。兩派在數年間針鋒相對,展開了激烈的討論。


沈志云是高速鐵路“急建”派代表,認為建設京滬高速鐵路從現實發展考慮是迫切需要的,且技術上可行、經濟上合理、國力能夠承受、建設資金有可能解決。他不僅從技術上論證,還在各種場合發表支持高速鐵路建設的言論。1992年8月,他提出引進吸收的觀點,主張通過引進提高自主研發的起點,同時大力組織關鍵技術的聯合攻關,這樣,中國才有望于“十五”期間,實現高速鐵路的高水平國產化。他的這些思想不僅成為90年代各次討論中發言的主題,也寫入1999年工程院上報國務院的咨詢報告中。對于2004年國務院對發展高鐵提出“引進消化吸收再創新”的方針起了促進作用。


1998年,中共中央、國務院頒布了3號文件,要求“做好京滬高速鐵路的前期技術準備,力爭在2000年開工”。至此,“急建派”占了上風。


京滬高鐵馬上修建成了定論,但圍繞采用輪軌或磁浮技術問題,再次掀起了“輪軌”“磁浮”的論戰。沈志云是堅定的輪軌派。為了慎重起見,中國工程院采納沈志云的建議,于1998~1999年組織有50多位院士及有關專家參加的咨詢組,任命沈志云任咨詢小組組長,就磁浮列車同輪軌高速鐵路的比較開展調查研究。沈志云建議設立“磁懸浮與輪軌的比較”的咨詢項目,由學部常委劉大響院士做項目主持人。項目召集了三次大規模的討論會,論戰雙方各抒己見,激烈辯論。沈志云認為,高速鐵路技術已經成熟了,而磁浮技術不成熟,不能工程化,其成熟至少需要10到15年時間。同時,輪軌的造價比磁浮低得多,僅為磁浮的1/3。


經過論戰雙方的辯論,形成了《磁懸浮高速列車和輪軌高速列車的技術比較和分析》的咨詢報告,并于1999年3月由中國工程院呈交國務院。工程院提出,建設京滬高速鐵路是我國發展高速鐵路的首先選擇,輪軌高速技術既是成熟技術,又是正在不斷發展中的高新技術,在京滬線上采用輪軌技術方案是可行的;磁懸浮高速列車有可能成為21世紀地面高速運輸新系統,具有明顯的技術優勢,因此建議磁浮和輪軌各找一段線路先修試驗段。


但工程院的建議沒有被采納,2000年初決定在上海市內首先修建磁浮列車。輪軌派遭到冷落。鐵路部致力于鐵路提速,而沈志云則不斷在報刊上發表文章,一邊厘清人們對磁浮認識的誤區,一邊繼續呼吁發展高速鐵路。同時,他還到車輛工廠和鐵道院校去作報告,呼吁發展高速鐵路。5年時間,先后作了25場報告。在磁浮占優勢的情況下,他努力保持著輪軌高速的聲音不絕于國人之耳。


2006年,曠日持久的輪軌與磁浮之爭有了結果,國務院通過了京滬高鐵的立項。鐵道部宣布當年正式開工修建京滬高鐵。沈志云的堅持有了結果,但他并沒輕松下來。一方面,他積極投身于高速鐵路建設,不僅指導團隊進行高鐵技術研究,收集高鐵實際運行動態數據,還參與高鐵通車前的驗收。另一方面,他為中國高鐵護航。在中國高鐵發展過程中,質疑之聲不少,諸如中國高鐵的技術產權等問題。沈志云沖鋒在前,回應著各種質疑的聲音。他強調:“時速200~250公里的列車已經達到85%的自主產權,300公里時速運營的技術方面達到80%都沒有問題?!?/p>


沒想到,2011年7月23日的甬溫線事故,讓高鐵飽受詬病。輿論鋪天蓋地地批判和謾罵,對高速鐵路幾乎全盤否定。高鐵發展一時陷入低谷,通車的降速,在建的停工。沈志云非常難過,他第一個站出來指出:“7·23”事故不是高速鐵路事故,與高鐵技術無關,不要葬送了高鐵的發展前景。他的發言很快讓自己處于風口浪尖。他毫不畏懼批評和謾罵。9月,在華東交通大學召開第九屆交通運輸領域青年學術會議上,他作了題為《退一步進兩步——論中國高鐵的后發趨勢》的學術報告。他認為,中國高鐵經過大檢查、大整頓、大改進之后一定會“從低谷走向頂峰”,千萬不要灰心喪氣?!拔覀冃枰哞F,世界需要中國的高鐵!”此后,他再次前往鐵路院校和機車車輛廠、鐵路局作報告,呼喊著“退一步進二步”,鼓勵大家不要泄氣。鐵二局干部激動地說:“聽了您的報告,我們才走出了‘7·23’?!?/p>


正如沈志云所預料的那樣,高速鐵路很快恢復了元氣。2012年,科技部組織編制了《高速列車科技發展“十二五”專項規劃》,國家再度肯定了高速鐵路技術并將其作為“十二五”計劃中要重點發展的高端技術設備之一。在黨的十八大上,高速鐵路被列入中國重大技術突破之一。沈志云興奮之余,揮筆題寫了“高鐵春風暖丹心”。


如今,高速鐵路已經成為了中國最響亮的名片,走向世界,改變人們的生活方式。而沈志云近二十年為中國高鐵發展奔走呼吁,其高鐵戰士、高鐵衛士的形象在中國高鐵發展史上躍然紙上。

沈志云下科研所指導

論我國發展高速鐵路的技術政策

延伸閱讀

我國是一個鐵路大國,鐵路運輸所占的比重同其他運輸方式相比,無論是客運還是貨運,都占首位。隨著國民經濟的發展,運量同運能的矛盾日趨劇烈。京滬等主要干線,客貨運量均已飽和,早已到了應當客貨分流,增修第三第四線的程度。因此,在我國發展高速鐵路,實在是勢在必行的事。


然而,高速鐵路是最新技術的總匯。高速之下而要保證運行安全、平穩,確非易事,傳統的鐵路技術難以適應,需要大量更新。日本、法國、德國等,用了幾十年的時間,苦心研究、試驗,才取得今日之成功。我們要在較短時間內,在我國建成現代化的高速鐵路,應當怎么辦?我們認為應取下述技術路線,即:引進消化,總結提高,形成特色,實現高水平的國產化。通過引進提高起點,通過消化吸收國外先進技術的精華,還需總結提高我們自己的經驗,從我國國情、路情出發,逐步形成我國高速鐵路技術上的特色,以實現高水平的國產化。


來源: 中國科學報/田永秀

本期編輯:交大新媒體中心 朱瑩燕

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