《科学中国人》2007年第5期(张洁)2007-04-15报道：对话院士——八旬院士领头创立列车脱轨分析的全新理论

    曾庆元  桥梁动力学专家，1925年10月出生于江西省泰和县，现任中南大学教授、博导。长期从事桥梁结构振动与稳定的教学和研究。提出了弹性系统动力学总势能不变值原理、形成系统矩阵的“对号入座”法则（不是计算机编码法与刚度集成法）、桥梁结构局部与整体相关屈曲极限承载力分析理论及弹性系统运动稳定性的势能评判准则。与20多位研究生共同创立了列车-桥梁（轨道）系统空间振动分析理论。1999年当选为中国工程院院士。1997年起始带领向俊、周智辉、娄平等8名博士生研究列车脱轨分析理论，至2006年。

    一、不明原因列车脱轨亟待给出科学解释 

    1896年法国科学家Nadal提出车轮踏面开始悬浮、轮轨一点接触处的横向力与竖向力之比的计算式，由此计算式算出的比值，称为脱轨系数，作为车轮开始脱轨的判据。此后各国进行了大量研究，来完善、制订脱轨系数，作为预防脱轨的标准。后来日本和我国还增加了轮重减载率的预防脱轨标准。这两种标准对预防不明原因的脱轨起了良好作用，其不足点在于不能保证列车车轮实际的脱轨系数和轮重减载率不超过两者的标准限值，因而不能控制列车脱轨。国内外常有货物列车脱轨事故报道，国外还有客车，甚至高速列车脱轨。尤其是1997年5月至8月，我国津浦铁路线上连续发生了7起货物列车直线脱轨事故，列车速度在每小时63～77公里之间。事后调查发现，脱轨车辆和事故发生地点线路状态均符合各自运行安全标准，因而找不出原因，这就对现行预防脱轨标准提出了质疑；迫切要求对不明原因的列车脱轨作出科学解释。曾院士课题组贴合这种需求展开了研究。 

    二、不明原因列车脱轨的机理 

    曾院士课题组认为，对不明原因列车脱轨作出科学解释，首先要弄清列车脱轨机理，他们由理论和物理概念，揭示了列车脱轨机理是列车—轨道（桥梁）系统（简称此系统）横向振动丧失稳定。首先，此系统是运动系统，必有运动稳定性问题。其次，列车车轮始终在钢轨之间的运动，标志此系统横向振动的稳定状态；一旦有车轮轮缘爬上钢轨顶部，车轮立即脱轨掉道，是此系统横向振动不稳定引起的结果，是此系统横向稳定振动状态的消亡。 

    三、控制列车脱轨的路径 

    曾院士课题组由此系统稳定性理论及物理概念明确了：保持此系统横向振动稳定，就能控制列车脱轨。稳定理论证明，稳定的系统状态能够持久，不稳定状态不能存在。正如一块木板平放在有风浪的河中，不管风浪多大，平板平放的状态始终存在，这表明木板的平放状态是稳定的；反之，木板侧立于静水中的状态是不可能实现的，因为其侧立状态不稳定。这说明要控制列车脱轨，就必须使此系统横向振动状态像平放在风浪中的木板那样稳定。要保证此系统横向振动稳定，必须检算此系统横向振动的稳定性，即进行列车脱轨控制分析。  

    四、此系统横向振动稳定性分析理论 

    此系统横向振动是列车运行激起来的，具有自激振动性质，现有的系统稳定性分析理论都不能用来分析此系统横向振动的稳定性。曾院士课题组创立了一套独特的此系统横向振动稳定性分析理论：由弹性系统动力学总势能不变值原理，建立此系统空间振动矩阵方程。由此矩阵方程导出车辆构架横向振动波（习惯称为蛇行波）为此系统横向振动激振源。由构架蛇行波标准差的统计分析，建立此系统横向振动能量随机分析理论。由悬索桥风致自激振动失稳破坏特征——输入最大能量等于桥梁破坏时的极限抗力作功，提出此系统横向振动失稳条件为输入最大能量等于此系统横向振动极限抗力作功。建立轮轨接触状态的计算方法及车轮脱轨几何准则。建立此系统横向振动极限抗力作功及最大输入能量增量的计算法。提出弹性系统运动稳定性的总势能评判准则，为此系统横向振动稳定性分析提供能量增量思想。最后由此系统横向振动条件建立此系统横向振动稳定性及列车是否脱轨的能量增量评判准则。这套理论被2005年铁道部科技司组织的专家会议鉴定为“课题组实现了列车脱轨分析理论的重大突破，研究成果为原始创新，具有很高实用价值与广阔应用前景，为制订预防列车脱轨措施及预防列车脱轨标准提供了理论依据”。总结以上成果，写出了世界上第一本脱轨理论分析专著《列车脱轨分析理论及应用》，2006年12月中南大学出版社出版。