輪軌蠕滑理論及其試驗研究：全國百篇優(yōu)秀博士學位論文

　　滾動接觸理論是輪軌關(guān)系研究的基礎(chǔ)。由于輪軌關(guān)系研究十分復雜，其老問題沒有得到完善解決而新問題又不斷出現(xiàn)，因而導致用現(xiàn)有的輪軌滾動接觸理論不能完善解決輪軌關(guān)系研究中的疑難問題。綜觀滾動接觸理論與輪軌作用之關(guān)系的研究，大致分三個方面：理論研究，試驗研究，應(yīng)用研究。本文的第1章就這三個方面的研究歷史和現(xiàn)狀作了詳細論述，并列出了大約150多篇有關(guān)這方面或與之有關(guān)的研究文獻。明確了輪軌滾動接觸理論研究的意義和今后的研究方向。根據(jù)第1章的介紹，第2章列出了目前常用于車輛動力學研究中的幾個典型Hertz型輪軌蠕滑率／力計算模型，從理論上對它們作了詳細推導，利用實際輪對／軌道滾動接觸過程中可能出現(xiàn)的蠕滑率值，計算了輪對和軌道之間的蠕滑力，并在數(shù)值上將這幾個模型的輪軌力結(jié)果與Kalker的精確理論（CONTACT）的結(jié)果作了比較。從理論上和實際應(yīng)用方面重新評價了它們在輪軌力計算分析方面的優(yōu)缺點，以供車輛動力學研究人員參考。Kalker的三維彈性體非Hertz滾動接觸理論（也叫做精確理論）于20世紀90年代初完成，到目前為止是最完善的精確理論。由于其理論的復雜性和數(shù)值實現(xiàn)速度慢，因而在鐵路工業(yè)界未得到廣泛應(yīng)用。《輪軌蠕滑理論及其試驗研究：全國百篇優(yōu)秀博士學位論文》第3章詳細討論了Kalker的三維彈性體非Hertz滾動接觸理論在輪軌滾動接觸中的應(yīng)用。非Hertz接觸分析主要體現(xiàn)為輪軌實際變形前接觸斑處的法向間隙在計算分析中得到考慮，而不是按Hertz理論那樣用輪軌接觸斑處的主曲率半徑作為確定接觸斑形狀的依據(jù)。為此，修改了CONTACT程序的輸入和輸出部分，將輪軌接觸幾何計算與CONTACT計算較好地結(jié)合起來。本章全面地分析了輪對運動、輪對／軌道滾動接觸蠕滑率和蠕滑力的關(guān)系，得到了大量的有工程應(yīng)用參考價值的計算結(jié)果。這些結(jié)果在過去文獻中是查不到的。為了能使Kalker的精確理論模型成為車輛動力學仿真研究的精確快速輪軌力計算模型，第4章作者運用巧妙的方法直接將輪對運動狀態(tài)和輪軌蠕滑力的關(guān)系，按數(shù)表（TPI．R）的方式建立起來，表中輪軌蠕滑率／力的關(guān)系由CONTACT確定。采用查表法是推廣應(yīng)用Kalker精確理論于車輛動力學研究的唯一途徑。Kalker在輪軌滾動接觸理論研究方面所作的貢獻是最卓越的，但他的理論研究的許多前提條件與實際輪軌滾動接觸問題有一定的差異。針對輪軌滾動接觸問題，作者在第5章中詳細討論了Kalker簡化理論模型和數(shù)值方法的修改和發(fā)展，使其更適合求解輪軌的粘著問題和“第三介質(zhì)”對輪軌接觸力的影響。將Kalker的CONTACT理論模型即三維彈性體非Hertz滾動接觸理論模型，推廣到任意幾何型面彈性體滾動接觸問題。新的模型中，考慮了輪軌真實幾何型面和接觸斑以外的邊界條件對接觸行為的影響，可以求解輪軌的“兩點”和“共形”接觸問題。本章也提出了應(yīng)用Kalker的三維彈性體非Hertz滾動接觸理論分析輪軸／鋼軌結(jié)構(gòu)的彈性變形對輪軌滾動接觸蠕滑率／力的影響的分析方法。由于在有自旋存在的情況下，滾動接觸問題求解變得更加復雜。第6章討論了穩(wěn)態(tài)Hertz滾動接觸和純自旋條件下的物體接觸斑粘滑區(qū)劃分的解析解。利用Kalker簡化理論中的部分公式，作者巧妙地推導出解析解，并給予了嚴格地證明。幾個典型的算例說明了理論結(jié)果的正確性。在第7章中作者討論了用原形尺寸試驗裝置和滾振試驗臺進行輪軌滾動接觸蠕滑力試驗方法和試驗結(jié)果。這是國內(nèi)外首次用原形尺寸試驗裝置驗證了Kalker三維彈性非Hertz滾動接觸理論模型，使該理論在輪軌滾動接觸分析中應(yīng)用的可靠性得以證實。本章也給出了高速動態(tài)輪軌蠕滑力的試驗結(jié)果，并發(fā)現(xiàn)高速滾動和一定頻率范圍內(nèi)的機械振動對輪軌滾動接觸蠕滑力有一定的影響，從而為開展高速動態(tài)輪軌蠕滑理論的研究提供依據(jù)。同時對試驗結(jié)果作了進一步理論和數(shù)值分析，得到一致的結(jié)論。作為第5章討論的內(nèi)容（輪軌關(guān)系研究中的應(yīng)用），在第8章中詳細分析了高速機車單輪對牽引力矩與相關(guān)因素的關(guān)系，這些因素包括了輪軌之間的滾動滑差、輪軌接觸位置和水介質(zhì)污染。分析了高速列車粘著試驗結(jié)果。根據(jù)大量的試驗結(jié)果，進行綜合擬合，得到了干態(tài)、水和油潤滑條件下的粘滑曲線，供列車動力設(shè)計參考使用。

　　金學松，男，1956年出生，江蘇邗江人，教授，博士。1982年畢業(yè)于石家莊鐵道兵工程學院。1982年至1985年于石家莊鐵道學院力學教研室任教。1987年于西南交通大學工程力學系碩士畢業(yè)。1987年至1991年于西南交通大學工程力學任教。1991年－1994年在美國Missouri-Rolla大學進修訪問。1994年至今于西南交通大學牽引動力國家重點實驗室從事研究生教學和研究工作。主要從事隨機振動、材料強度和輪軌滾動接觸力學研究。先后主持、主研和參加了國家自然科學基金重點項目、國家科委項目、省部級項目、橫向課題（包括在美國進修期間參加的兩項軍方研究項目）十多項，發(fā)表和合作發(fā)表論文近90篇，合寫著作兩部《固體接觸力學》（已出版）和《非線性力學在車輛系統(tǒng)中的應(yīng)用》（即將出版）。為獲得國家科技進步一等獎成員之一。