西南交通大学科学技术发展研究院

2020年度国家自然科学奖提名公示信息项目名称轮轨高速滚振动接触机理及行为调控提名单位詹天佑科学技术发展基金会提名意见高速铁路由轮轨接触实现列车支承和导向，并自黏着获得牵引/制动力。准确刻画高速轮轨滚振接触行为与界面行为有效调控，是保障高速铁路长期安全平稳运营的关键，也是高速铁路领域共性基础难题。为此，项目组在973计划、国家自然科学基金、教育部及铁道部科技研究开发计划等项目的持续资助下开展了系统深入的研究，取得了一系列重要的科学发现与原创性成果。主要创新与突破如下：提出了滚动接触边界自适应的黏滑精细分布高效算法，揭示了高速轮轨滚振动耦合作用的接触变形协调机理；率先建立了三维高速轮轨瞬态滚振动接触模型，刻画了高速滚振动接触行为，为界面损伤机理提供了有力的分析方法；构建了高速轮轨全生命期均衡量化调控方法，指导了我国高速轮轨系列型面设计、优化及维护。上述研究确保了我国在高速轮轨滚动接触领域的国际领先地位。项目组在国际轮轨滚振接触领域SCI论文数位列第1，8篇代表性论著他引301次。该项目丰富与发展了轮轨滚动接触理论，目前已拓展应用到轴承、履带、工程机械等相关领域。相关成果曾获得2009年四川省科技进步奖一等奖和2019年四川省科技进步奖自然科学类一等奖。项目第一完成人为国家杰出青年科学基金获得者；2人担任国际轮轨系统磨耗和接触力学大会国际委员；1名项目完成人获得全国优秀博士论文；建立了一支具有国际学术影响力的轮轨关系研究团队。对照国家自然科学奖授奖条件，决定提名该项目为2020年度国家自然科学奖二等奖。项目简介速度和安全是高速铁路的永恒主题。中国高铁持续运营速度已达350km/h，400km/h轮轨研究业已起步。在高速滚动、持续振动等复杂服役过程中，当界面不平顺激励频率超过轮轨结构振动基频时，振动变形对滚动接触行为影响加剧且不可忽略，传统滚动接触理论的稳态变形场假设前提失效，凸显为滚振动接触现象。滚动与振动的跨尺度相互作用、振动的宽频域、滚动的时变非线性等特性，导致界面失形区及道岔区接触斑动态边界数学表征、短波高频激励下接触跳跃等瞬态行为刻画、服役期界面均衡调控非常困难。本项目在轮轨高速滚振动接触机理及行为调控这一核心科学问题研究中取得了重大突破。发现点与贡献：1.揭示了轮轨高速滚振动接触变形协调机理，解决了接触变边界数学表征难题。针对界面失形及高速过岔时的多点接触、接触点迁移、接触斑边界变化、黏滑分界波动等问题，推导了动态接触边界的数学表达，提出了多点滚动接触边界自适应的黏滑精细分布高效算法；发现数百赫兹的轮轨宏观结构振动与接触斑内的细观黏滑振荡具有耦合效应，揭示了滚振动接触变形协调机理及跨尺度联系；探明了接触迁移、接触振荡对轮轨系统动力学特性的影响机制。2.创建了轮轨高频连续体振动下滚振动接触分析方法，解决了瞬态接触行为刻画难题。针对界面短波高频激励下的滚滑、分离、跳跃、冲击等接触问题，率先建立了考虑任意几何、连续体振动、应变率效应和黏滑曲线的高速轮轨瞬态滚振动接触模型，并提出了考虑第三介质的黏着模型，构建了目前唯一且通用的分析方法；发现短波激励下滚振动接触由接触斑附近的数千赫兹高频连续体振动主导；揭示了非光滑区“滚-振-跳”接触机理和“固-（液）-固”黏着机理，预测的跳轨临界速度得到了实线486km/h、滚振台603km/h实车试验验证；探明了接触分离、黏滑失控、界面损伤对行车安全性的影响规律。3.提出了高速轮轨界面均衡匹配的优化方法，解决了接触行为调控难题。理论结合跟踪测试，构建了兼顾行车持稳与轮轨延寿的全生命期接触行为均衡量化调控方法；探明了界面失形、接触行为演变对运营可靠性的影响机制；提出了轮轨型面多目标进化优化方法和预知性钢轨打磨、车轮镟修策略。出版中英文专著2部，全国优博学位论文1篇；发表SCI论文75篇，8篇代表性论著他引301次，引用率前10的文章中有6篇为本项目组成员成果。项目成果得到包括6位院士在内的多位国际著名学者的积极评价，认为是“曼彻斯特基准中多点滚动接触的准确算法”“处理瞬态滚动接触问题最精确的方法”“引领了低黏着滚动接触问题研究”“抓住了高速道岔设计的本质”。本项目丰富和发展了轮轨滚动接触理论与分析方法。支撑高速过岔限速瓶颈的突破，指导研制的高速道岔已铺设9388组（占90%，进口10%）；指导了动车组车轮服役行为评估和型面设计，延长服役寿命一倍以上；指导了俄罗斯400km/h莫喀高铁轮轨设计。成果还拓展应用到轴承、履带、工程机械等相关领域。相关成果曾获四川省科学技术进步奖一等奖、自然科学类一等奖各1项。主要完成人（完成单位）王平、金学松、陈嵘、赵鑫、徐井芒西南交通大学代表性论文（专著）目录序号论文（专著）名称/刊名/作者年卷页码（xx年xx卷xx页）发表时间（年月日）通讯作者（含共同）第一作者（含共同）国内作者他引总次数检索数据库论文署名单位是否包含国外单位1Designofhigh-speedrailwayturnouts:theoryandapplications/AcademicPress/PingWang2015年1-464页2015年4月27日PingWang王平13WebofScience,ScopusCNKI否2Contact-impactstressanalysisofrailjointregionusingthedynamicfiniteelementmethod/Wear/ZefengWen,XuesongJin,WeihuaZhang2005年258卷1301-1309页2005年3月31日XuesongJinZefengWen温泽峰金学松张卫华109WebofScience,ScopusCNKI否3Astudyonhigh-speedrollingcontactbetweenawheelandacontaminatedrail/VehicleSystemDynamics/XinZhao,ZefengWen,MinhaoZhu,XuesongJin2014年52卷1270-1287页2014年7月10日XinZhaoXinZhao赵鑫温泽峰朱旻昊金学松28WebofScience,ScopusCNKI否4Numericalsimulationofrailprofilesevolutionintheswitchpanelofarailwayturnout/Wear/PingWang,JingmangXu,KaizeXie,RongChen2016年366-367卷105-115页2016年11月15日JingmangXu,RongChenPingWang王平徐井芒谢铠泽陈嵘16WebofScience,ScopusCNKI否5两种型面轮轨滚动接触应力分析/机械工程学报/金学松,温泽峰,张卫华2004年40卷2期5-11页2004年2月金学松金学松金学松温泽峰张卫华72WebofScience,ScopusCNKI否6Numericalanalysisonwheel/railadhesionundermixedcontaminationofoilandwaterwithsurfaceroughness/Wear/BingWu,ZefengWen,HengyuWang,XuesongJin2014年314卷140-147页2014年6月15日XuesongJinBingWu吴兵温泽峰王衡禹金学松12WebofScience,ScopusCNKI否7Comparisonofcalculationmethodsforwheel–switchrailnormalandtangentialcontact/ProceedingsoftheInstitutionofMechanicalEngineers,PartF:JournalofRailandRapidTransit/JingmangXu,PingWang,XiaochuanMa,JielingXiao,RongChen2017年231卷148-161页2016年1月13日（在线）RongChenJingmangXu徐井芒王平马晓川肖杰灵陈嵘3WebofScience,ScopusCNKI否8Effectoftrackirregularitiesoninitiationand