两院院士沈志云与铁路的一世情缘

他是中国铁路运输工程领域唯一的一位双院士，他参与、推动和见证了中国高铁技术从无到有的全部发展历程，他是我国高铁领域的先驱科学家之一两院院士沈志云。
他乡求学 沈氏理论天下鸣
“文革”中，沈志云被扣上了十八顶“高帽”，受到巨大冲击。“文革”结束时，沈志云已快五十岁了。为了赶上世界潮流，他如饥似渴地更新知识、阅读专业文献。他将每天的时间分成四块，晚上10点以后的第四块时间是他的学习时间，往往一学就到深夜两三点。
1982年，沈志云前往美国麻省理工学院（MIT）做访问学者。在美国，53岁的沈志云以“饿牛吃草”的状态进行学习。一年多的时间，沈志云听了8门机械工程方面的课程，翻阅了美国MIT图书馆收藏的机械工程方面的全部论文。在MIT，他主要进行了轮轨蠕滑力的计算问题研究，并取得了重大突破。如何定量地确定轮轨蠕滑的力学特性，一直是车辆动力学的难题。国际学者沃尔妙伦、约翰逊等作了很多研究，其中卡尔克的研究最为突出。卡尔克将轮轨蠕滑理论由线性发展为三维的非线性理论，还设计出DUVOROL程序，是公认的最精确的蠕滑理论。但其计算量太大，又没有显式公式可以输入，因此使用起来非常不方便，难以推广。
找到既快速又精确的轮轨蠕滑力计算方法是当时学术界高度关注的问题。沈志云和MIT的指导教师赫追克都想在此有所突破。于是，这个任务就成了沈志云在MIT的研究任务。沈志云每周给赫追克汇报研究进展。后来，为了得到现场测试数据，他们又和卡罗拉多州普耶勃罗实验中心的总工程师叶尔金斯合作，由叶尔金斯提供现场测试数据。沈志云提出，可用卡尔克的线性理论来改造沃尔妙伦-约翰逊的线性公式，再用沃尔妙伦-约翰逊的非线性化的曲线来修正误差。他的这种设想得到了赫追克和叶尔金斯的赞同。于是，沈志云按照这个设想设计新的计算方法，将其制作成计算机程序。
圣诞节至元旦的这一周美国学校放假，学生回家了。沈志云就利用实验室的二十几台计算机一起跑程序，二十四小时不间断，做了整整一周。一方面，用卡尔克的方法做；另一方面，用沈志云设想的修正方法做。整整一周，他不断地巡视着每台计算机，大门都没出去过。整座大楼寂静无声。困了，沈志云就在机房的沙发上打个盹，饿了就在走廊上的自动售卖机里买杯咖啡、买点饼干充饥。一周下来，主体计算基本完成了。
结果非常理想，在主要的计算中两组数据差距都不超过10%，完全可以工程应用。而新方法的计算速度比卡尔克的方法快几十倍。研究成功了！赫追克和叶尔金斯对沈志云拼命工作的印象非常深刻，称他不仅思路清晰，而且“每天工作24小时”。
国际轮轨蠕滑力研究权威卡尔克对沈志云等发明的这一方法给予了高度评价，说解决了他一直想解决而未能解决的问题，并称这“是铁道车辆动力学中能够采用的最好的非线性蠕滑力模型，是铁道车辆系统动态仿真最适用的方法，是1983年世界蠕滑理论新发展的标志”。后来卡尔克将这一方法命名为“沈-赫追克-叶尔金斯”理论，将其归纳为三维弹性体滚动接触力学的第四大理论，并且说第四大理论是最适合于在车辆动力学中运用的理论。
1983年，沈志云在美国发表非线轮轨蠕滑动计算理论至今，被当作“沈氏理论”在国际上广泛使用。
迫导向转向架 曲线段上零磨损
曲线区段上的钢轨及轮缘磨损，是铁路运营中遇到的一个严重问题，有时甚至影响行车安全。要解决这个问题，一是改造线路，加大曲线半径；二是钢轨涂油；三是改造转向架结构。前二者成本大，施工难。第三种方法被视为安全可靠的技术手段。1985年，沈志云受国际学者启发，萌发了研究迫导向转向架的想法，开始研制新型米轨用迫导向转向架。
沈志云在学校的车辆实验室专门设计一个半圆型的轨道试验台，目的是检验所设计的迫导向机构能否发挥作用，使通过曲线时，轮对轴线指向轨道曲线半径的方向，收集各种数据，改进设计。他们以齐齐哈尔工厂所试制的A3型转向架为基础，加装了一系橡胶堆和杠杆式导向架。改装完成后，新迫导向转向架模型在试验台测试效果不错。1987年8月，齐齐哈尔车辆厂按照他们的设计参数，改装米轨用的迫导向转向架，并装入C30型4618号敞车。9月，该车送至昆明进行实地试验。12月，1辆同型号、技术状态相同的常规转向架敞车（C30型4673号车），也送到同一路段运行，以便对比。
改装后的迫导向转向架效果很明显。迫导向转向架试验车4618运行两年多，轮缘最大磨耗为1.5mm，最小为0.5mm；轮轨有些部位的黑皮都没磨掉。对比车4673仅运行半年多，轮缘最大磨损就达3.5mm。迫导向转向架的研制获得了成功。1989年，该研究通过了铁道部的验收，并列入1990年铁道部示范性推广计划。同年，该成果荣获铁道部科技奖三等奖。
“提着脑袋”建国际一流的试验台
科学研究离不开实验。早在1978年沈志云就提出了建立一个试验台的想法。1988年国家计委启动了第二批国家重点实验室的建设申报，沈志云再次提出建设国际一流的车辆振动滚动试验台。他说轮轨关系虽然看似简单，但科技发展到今天，人类依然无法准确地把握轮轨相互作用，“要使上百吨的机车车辆在试验台上自由滚动和振动，其难度可想而知。但是，非如此不能解开轮—轨这个黑匣子”。德国的慕尼黑研究所试验台世界最先进，其试验时速达到了500公里，我们若做不到500公里，可以先做450公里，“在精度上、在功能上超过他们”。当时列车的一般时速为60~70公里，450公里显然是很多人都未曾认真思考过的速度。沈志云所在的西南交通大学力排众议，支持沈志云联合校内各方力量申报机车车辆滚动振动试验台。这次国家重点实验室全国共有275家申报，只有50个指标。
沈志云领衔的机车车辆滚动振动试验台在申报评审中脱颖而出。
西南交通大学让沈志云全面负责实验室的建设。从设计理念，到挑选骨干，沈志云作了周详的考虑。1989年4月，国家计委委派专家到西南交通大学对实验室进行现场评估。考察结束时专家问沈志云：“建这么大的实验室，要承担什么样的风险，你想过没有？”沈志云一愣，只好如实回答说：“如此大的设备，如果搞成功了，非常有用；如果失败了，那就是一堆废铁，是很大的浪费。”专家说：“这么巨大的浪费，恐怕你的性命难保哦。”此后几年，沈志云时常感受到“提着脑袋”的压力，未敢有丝毫懈怠。
在实验室建设过程，试验台的建设方案进行了很大的调整。首先，试验台从原本的一轴试验台发展为四轴试验台。只有四轴才能做整车试验，才能在国家科技及经济发展中发挥更大的作用。国家重点实验室的世行贷款经费为135万美元，要建成国际领先的实验室，经费捉襟见肘。试验台功能扩大，意味着经费投入增加，不仅增加人民币，还需要增加外汇。在20世纪90年代初，大笔外汇都靠指标调配，其难度可想而知。沈志云踏上了找经费的道路。他和助手拿着报告，到科委、计委、教委等单位找领导汇报，请求支援。铁道部更是他们重点争取的对象。为了节约经费，他们居住在铁道部附近招待所的地下室，和七八个素不相识的旅客住在一个房间，吃饭也是在小摊上随便对付几口。好在铁道部领导非常认可建设国际一流的整车试验台的思想，想方设法投入120万美元作为实验室的建设配套外汇。
其次，试验台延长成了三车可以一起做试验的平地试验台。在试验台设计的时候，沈志云充分考虑到了试验的方便性，要求试验台与地面齐平。这样不仅做试验方便，且试验台两头还可以延伸，这样中间放试验车，两边各放一辆车。三辆车在一起，一是动力学的运行模拟，可以考虑连挂车的影响。二是可以进行法国铰接式两车共用一台转向架的高速列车的试验。这一功能在国际上是唯一的，德国慕尼黑试验台也不能做这种试验。
1993年初夏，试验台安装调试成功。试验台由两部分组成，下面是基础平台，按时速600公里以上的要求设计，重量就达4000多吨。支撑这个基础平台的是65根钢筋混凝土灌注桩，每根桩直径600mm，打入地下近25米深。基础平台上面是机械台，由广州重型机械厂投标承建，制成后运到成都安装，整个机械台重达532吨。
1994年1月28日，试验台首次做车辆的滚动振动试验。试验台是否成功，要看车辆在试验台上是否出现蛇形。在轨道运行中，失稳就是蛇形失稳，一旦出现蛇形，表明试验台成功地模拟了实际运行情况，试验台就成功了。随着沈志云一声令下，大家屏住呼吸盯着控制屏幕。突然，蛇形出现了。大家不约而同欢呼：蛇形了！蛇形了！沈志云也笑开了，脑袋别在裤腰带上的日子结束了，试验台终于建成了！他在日记中兴奋地写道：“几年奋斗终于达到了目的！”
1995年11月，国家重点实验室通过国家验收。实验室建成后，完成了大量试验任务。实验室第三任主任张卫华说：“除了正常的检修，试验台从1995年正式启用以来，试验任务应接不暇，从未停止过试验，而且这一试验技术在几乎所有的机车车辆主机工厂得到推广，这是在设计之初始料不及的。”实验室对促进铁路技术大发展，尤其是中国高速列车技术的发展方面作出了突出贡献。1999年，由沈志云领衔的“机车车辆滚动振动试验台”获国家科技进步奖一等奖。
高铁卫士 高铁高速的坚定捍卫者
对于高铁今后的发展念念不忘，沈志云提出了两条院士建言。
其中之一是，要有计划地探索轮轨高速列车最高运营速度，应该在2020年后的十五年之内，研制设计速度500km/h、运营时速400公里及以上的高速列车；探索、研制设计速度600km/h的高铁，进而实现上述目标。
用沈志云的话说，这叫“突破速度极限，进行颠覆性创新”。
“随着交通科技的迅猛发展，上千公里时速的地面交通呼之欲出，我国高铁引领世界格局，如不奋起直追，不断提高运营速度，就有技术落后的风险，更谈不上继续引领世界发展的设想了。”
沈志云这一喊，动静不小，很快传到了北京，被报送中央领导参阅。
实现最高商业运营时速350公里的技术突破，是沈志云总结的中国高铁三大突破之首（其他两大突破是理论突破和试验突破），他的依据是世界上迄今还没有国家能超过320公里运营时速的现实。
但这并不是他最感到满足的时速，他追问：轮轨高铁的速度极限在哪里，最高可以达到什么程度？
目前中国的高铁CRH380在试验中充分跑起来的设计时速可以达到400公里/小时，这是一个极限。根据沈院士团队的试验来看，跑上600公里，技术上也是没有问题的，关键是轮轨高铁在开敞的稠密空气中极速飞驰，会产生高阻力、高噪音和高污染。
“要回答轮轨高铁最高极限速度这个世界难题，就必须采用最新技术，对已处世界顶峰、达到350km/h运营速度的复兴号CR400高速列车进行颠覆性技术创新，继续提高运营速度。”
沈志云告诉网易科技（ID：tech_163）《科学大师》记者，他认为可以先研究智慧复兴号CR500，使运营速度提高到400到450km/h。再尝试CR600, 看能否达到500公里运营时速。
据他看，500公里时速会是轮轨高速列车运营的极限。
沈志云的第二条建议，重点就在于求解怎样让速度跨过600km/h。
他提出的对策是不用轮轨，改用真空管道磁悬浮，通俗来讲就是让磁浮列车在全封闭的真空管道里面运行。
早在2010年，他们就从技术可行性、成本、能耗等方面进行了研究。当时提到要为下一步开发600到1000公里每小时的磁浮列车开辟道路，报告公开后，被媒体解读为项目已经启动上马，引起舆论风波，惹出事来。最后通过正式声明澄清，才把风暴平息。
在由沈志云一手打造的铁道系统第一个国家重点实验室——西南交通大学牵引动力国家重点实验室里，2014年搭建了一条“多功能高温超导磁悬浮环形实验线”，这条室内实验线全长45米，在为下一步研究450公里时速的大型试验台和达到时速1500公里的实车试验线打基础。
“好多反对的说，有那个必要吗，搞那么高速度？”沈志云注意到了外间的非议，“我讲的是技术水平要提高到这个程度。基础性研究跟新技术的开发实验必须要走在前头。就是先要搞前瞻性基础研究，引领性原创成果的重大突破，突破了以后再去搞工程化。”
相关部门给他的学校写了感谢信，告知，他的建议已经被呈送进北京了。沈志云将此当作一件很值得纪念的事情，特意把盖了官方红印戳的感谢信和自己的建议全文一并拿镜框装起来，摆在客厅的壁炉上。
痴迷于速度的沈志云，曾为速度这个事心情低落过、灰黯过。
2011年7月23日，两列动车组列车在甬温线浙江省温州市境内发生追尾。事后查明，雷击和车站设备控制缺陷等原因导致绿灯一直保持，发生了事故。
受此影响，高铁运营速度普遍被调低，350公里时速降到300公里，300公里降到250公里，降速以50公里间隔依次类推。后续在建和拟建的高铁项目也被暂时叫停，重新评估。
两个月后，沈志云在华东交通大学的一场学术大会上公开发言，主张只有一个，必须继续发展高铁，不能因噎废食、自废武功。
“提高速度是交通运输永恒的主题，研究开发时速350公里及以上的高速铁路是21世纪世界共同的趋势，我们已经先于别人在这个高地上安全站了两三年，为什么不继续站下去”、“检讨高铁的安全保障技术体系，才是根本之途，不是降低速度就能解决问题的，不确保安全，就是降到绿皮车的水平，照样要发生重大事故。”
沈志云把报告名称定为“退一步，进两步”，意指暂时的退步，是为将来的大跨步蓄力。
先后在不同场合做了8次报告，听者挤满门口，他这种逆向而动的做法，也被网友骂成脸皮厚，不识时务。
沈志云当时也很迷茫，眼见高铁“前景未卜，了犹未了”、“心中的郁闷，只有自己知道。”
直到一年后，形势反转，媒体报道当年新通车高铁里程将进一步大幅增加，数千亿巨额基建投资恢复，35条高铁重新开工，沈志云形容，自己焦灼的心里点燃了一束希望之光。
从四纵四横到八纵八横，高铁网建设不断推进，中国高铁运营里程迄今已达2.9万公里，累计运输90亿人次，先有和谐号，后有复兴号，每天4000多列的开行，在广袤的国土上飞奔呼啸，来去穿梭。
如今，高速铁路已经成为了中国最响亮的名片，走向世界，改变人们的生活方式。而沈志云近二十年为中国高铁发展奔走呼吁，其高铁战士、高铁卫士的形象在中国高铁发展史上跃然纸上。
作者：田永秀
人物名片：
沈志云，1929年出生，湖南长沙人。1952年毕业于唐山铁道学院。西南交通大学教授，机车车辆动力学专家。1991年当选中国科学院院士，1994年当选中国工程院院士。他在机车车辆动力学尤其是轮轨动力学、运动稳定性、曲线通过理论和随机响应等研究方面成绩卓著。其标志性成果有三：创建了轮轨非线性蠕滑力模型，即“沈氏理论”；主持研制成功中国第一台迫导向货车转向架，开创了无轮缘磨损新纪录；主持建立的机车车辆整车滚动振动试验台，达到国际先进水平。晚年一直坚持为发展高铁奔走呼吁。
1943—1949年，在湖南国立师范学院附中就读。
1949年9月—1952年7月，在唐山铁道学院机械工程系学习，毕业后获得学士学位。
1952年1月—1957年1月，担任唐山工学院助教。
1957年11月—1961年4月，在苏联列宁格勒铁道学院机械工程系学习，毕业后获得副博士学位。
1961年1月—1982年1月，先后担任西南交通大学（原唐山铁道学院）机械车辆教研室主任、基础课副主任。
1982年—1984年，到美国麻省理工学院访问。
1984年1月，先后担任担任西南交通大学应用力学研究所所长、机械工程二系副系主任、机车车辆研究所长、牵引动力国家重点实验室主任、牵引动力国家重点实验室学术委员会副主任。
1991年，当选为中国科学院技术科学部委员（院士）。
1994年，当选为中国工程院院士。