輪軌蠕滑理論及其試驗(yàn)研究：全國百篇優(yōu)秀博士學(xué)位論文

　　滾動(dòng)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(fù)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(dǎo)致用現(xiàn)有的輪軌滾動(dòng)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(dòng)接觸理論與輪軌作用之關(guān)系的研究，大致分三個(gè)方面：理論研究，試驗(yàn)研究，應(yīng)用研究。本文的第1章就這三個(gè)方面的研究歷史和現(xiàn)狀作了詳細(xì)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(xiàn)。明確了輪軌滾動(dòng)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(dòng)力學(xué)研究中的幾個(gè)典型Hertz型輪軌蠕滑率／力計(jì)算模型，從理論上對(duì)它們作了詳細(xì)推導(dǎo)，利用實(shí)際輪對(duì)／軌道滾動(dòng)接觸過程中可能出現(xiàn)的蠕滑率值，計(jì)算了輪對(duì)和軌道之間的蠕滑力，并在數(shù)值上將這幾個(gè)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(shí)際應(yīng)用方面重新評(píng)價(jià)了它們?cè)谳嗆壛τ?jì)算分析方面的優(yōu)缺點(diǎn)，以供車輛動(dòng)力學(xué)研究人員參考。Kalker的三維彈性體非Hertz滾動(dòng)接觸理論（也叫做精確理論）于20世紀(jì)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(fù)雜性和數(shù)值實(shí)現(xiàn)速度慢，因而在鐵路工業(yè)界未得到廣泛應(yīng)用?！遁嗆壢浠碚摷捌湓囼?yàn)研究：全國百篇優(yōu)秀博士學(xué)位論文》第3章詳細(xì)討論了Kalker的三維彈性體非Hertz滾動(dòng)接觸理論在輪軌滾動(dòng)接觸中的應(yīng)用。非Hertz接觸分析主要體現(xiàn)為輪軌實(shí)際變形前接觸斑處的法向間隙在計(jì)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(jì)算與CONTACT計(jì)算較好地結(jié)合起來。本章全面地分析了輪對(duì)運(yùn)動(dòng)、輪對(duì)／軌道滾動(dòng)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(jià)值的計(jì)算結(jié)果。這些結(jié)果在過去文獻(xiàn)中是查不到的。為了能使Kalker的精確理論模型成為車輛動(dòng)力學(xué)仿真研究的精確快速輪軌力計(jì)算模型，第4章作者運(yùn)用巧妙的方法直接將輪對(duì)運(yùn)動(dòng)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(dòng)力學(xué)研究的唯一途徑。Kalker在輪軌滾動(dòng)接觸理論研究方面所作的貢獻(xiàn)是最卓越的，但他的理論研究的許多前提條件與實(shí)際輪軌滾動(dòng)接觸問題有一定的差異。針對(duì)輪軌滾動(dòng)接觸問題，作者在第5章中詳細(xì)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(duì)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(dòng)接觸理論模型，推廣到任意幾何型面彈性體滾動(dòng)接觸問題。新的模型中，考慮了輪軌真實(shí)幾何型面和接觸斑以外的邊界條件對(duì)接觸行為的影響，可以求解輪軌的“兩點(diǎn)”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(dòng)接觸理論分析輪軸／鋼軌結(jié)構(gòu)的彈性變形對(duì)輪軌滾動(dòng)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(dòng)接觸問題求解變得更加復(fù)雜。第6章討論了穩(wěn)態(tài)Hertz滾動(dòng)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(dǎo)出解析解，并給予了嚴(yán)格地證明。幾個(gè)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(yàn)裝置和滾振試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行輪軌滾動(dòng)接觸蠕滑力試驗(yàn)方法和試驗(yàn)結(jié)果。這是國內(nèi)外首次用原形尺寸試驗(yàn)裝置驗(yàn)證了Kalker三維彈性非Hertz滾動(dòng)接觸理論模型，使該理論在輪軌滾動(dòng)接觸分析中應(yīng)用的可靠性得以證實(shí)。本章也給出了高速動(dòng)態(tài)輪軌蠕滑力的試驗(yàn)結(jié)果，并發(fā)現(xiàn)高速滾動(dòng)和一定頻率范圍內(nèi)的機(jī)械振動(dòng)對(duì)輪軌滾動(dòng)接觸蠕滑力有一定的影響，從而為開展高速動(dòng)態(tài)輪軌蠕滑理論的研究提供依據(jù)。同時(shí)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果作了進(jìn)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(xì)分析了高速機(jī)車單輪對(duì)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(dòng)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(yàn)結(jié)果。根據(jù)大量的試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)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(dòng)力設(shè)計(jì)參考使用。

　　金學(xué)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(xué)院。1982年至1985年于石家莊鐵道學(xué)院力學(xué)教研室任教。1987年于西南交通大學(xué)工程力學(xué)系碩士畢業(yè)。1987年至1991年于西南交通大學(xué)工程力學(xué)任教。1991年－1994年在美國Missouri-Rolla大學(xué)進(jìn)修訪問。1994年至今于西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室從事研究生教學(xué)和研究工作。主要從事隨機(jī)振動(dòng)、材料強(qiáng)度和輪軌滾動(dòng)接觸力學(xué)研究。先后主持、主研和參加了國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國家科委項(xiàng)目、省部級(jí)項(xiàng)目、橫向課題（包括在美國進(jìn)修期間參加的兩項(xiàng)軍方研究項(xiàng)目）十多項(xiàng)，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(xué)》（已出版）和《非線性力學(xué)在車輛系統(tǒng)中的應(yīng)用》（即將出版）。為獲得國家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)成員之一。