輪軌接觸力學教學與實踐的改革探討

祁亞運 鄭國鋒 陳兆偉 崔曉璐

摘 ?要：輪軌接觸是軌道交通車輛特有的接觸形式，其相互作用具有復雜性。該文針對《輪軌接觸力學》課程教學中的相關問題，更新教學內容，增加工程項目研究的相關內容;并對教學手段和方法進行探討，采用問題導向和小項目驅動的方式，提高學生解決問題的能力，以及對于課程如何在新工科的要求下與實踐結合進行探討。希望進一步提升課程效果，加強學生對于軌道車輛實際運營中解決問題的能力。

關鍵詞：力學 ?輪軌接觸 ?教學實踐 ?課程改革

中圖分類號：U213 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2021）04（c）-0149-03

Reform of the Teaching and Practice of wheel-rail Contact Mechanics

QI Yayun ?ZHENG Guofeng ?CHEN Zhaowei ?CUI Xiaolu

（School of Mechatronics & Vehicle Engineering， Chongqing Jiaotong University， Chongqing， 400074 ?China）

Abstract： Wheel-rail contact is a unique form of contact in rail vehicles， and its interaction is complex. In order to address the relevant issues in the course of Wheel-Rail Contact Mechanics， the content of the course is updated， and the relevant content of engineering project research is added; the teaching methods and approaches are discussed， and the problem-oriented and small project-driven approach is adopted to improve students' problem-solving ability， as well as how the course can be combined with practice under the requirements of the new engineering disciplines. This will further enhance the effectiveness of the course and strengthen students' problem-solving skills in the actual operation of rail vehicles.

Key Words： Mechanics; Wheel-rail contact; Teaching practice; Curriculum reform

1 ?《輪軌接觸力學》課程教改的初衷

隨著我國高速列車和城市軌道交通的不斷開行，輪軌接觸相關的問題不斷突出，并成為軌道交通運維的主要問題。輪軌磨耗、輪軌損傷等，使得我國軌道交通運維成本不斷增加。輪軌接觸力學這門課程主要是對于輪軌相互作用原理和接觸關系理論介紹，為車輛軌道耦合計算提供依據(jù)。軌道車輛的生產制造和運營維護都需要對輪軌接觸力學能夠熟練掌握，對于軌道車輛的學生在就業(yè)后能夠提高其解決實踐問題的能力[1]。

《輪軌接觸力學》作為一門給研究生開設的課程，要求學生在掌握了基本的軌道車輛構造的基礎知識，同時還需要具備一定的力學知識，主要包括理論力學、材料力學和彈塑性力學，以及相應的數(shù)學知識，包括高等數(shù)學、線性代數(shù)、數(shù)值計算等。輪軌接觸力學對于軌道車輛動力學研究、輪軌損傷研究和輪軌廓形的設計優(yōu)化都具有重要的意義。這門課程是軌道車輛領域核心課程。但對于研究生而言，本科階段不一定系統(tǒng)學習了力學課程，因而對于該課程理論推導不一定能夠有效掌握，因此需要對教學內容和方法進行相應的改進。輪軌接觸力學是軌道交通特有的接觸，學習其相關知識一定是要建立在解決實踐問題的基礎之上，停留在公式和課堂教學是遠遠不夠的。為了進一步提升學生的實踐能力，通過仿真計算和試驗驗證，能夠利用輪軌接觸力學解決一些軌道車輛運營中的實際問題。對于輪軌接觸關系和輪軌動力學這樣復雜的問題如何運用有更深一步的認識，進而提高學生解決現(xiàn)場運維問題和設計制造的能力。

2 ?教學內容與方法的改進

2.1 教學內容改革

輪軌接觸力學主要包括輪軌接觸幾何計算和力學計算，包括經典的法向接觸力計算模型和切向力計算模型。課程中主要以公式推導和理論分析為主，難度較大，學生不易聽懂。對于輪軌接觸力學這門課程的教學內容需要適當改革以達到教學培養(yǎng)目標。

首先，對于課程思政內容的引入，在介紹沈氏理論時，引入我國輪軌接觸領域的奠基人沈志云院士的事跡。沈院士使得我國輪軌接觸領域從落后到引領世界，創(chuàng)立了牽引動力國家重點實驗室，奠定了我國高速鐵路的發(fā)展，沈院士在科研中艱苦奮斗、求真務實、不斷創(chuàng)新的精神以及培養(yǎng)學生扎根一線，不斷奮斗和進取的精神值得大家學習。其次，需要對輪軌接觸力學的教學內容進行調整，有一定的側重點，培養(yǎng)學生的工程應用能力，冗余的公式推導并不能對其原理清楚掌握[2-3]。需要借助一些工程小案例來帶動學生的學習興趣，例如一些輪軌接觸幾何計算、等效錐度計算、鋼軌打磨廓形的計算等，做到學以致用。要求學生做好課前預習和課后復習，在原理掌握的基礎上利用Matlab程序編制相應的計算程序。對于經典的輪軌接觸理論、法向理論和切向理論，法向理論中的Hertz接觸理論和半Hertz接觸理論，切向理論中的Kalker線性理論、Fastsim算法、Fastrip算法進行編程計算。對于工程實踐中應用較多的多體動力學軟件SIMPACK和UM進行介紹，演示如何利用商業(yè)軟件進行輪軌接觸計算和結果分析，提升學生解決實踐問題的能力。UM中輪軌接觸嵌入了CONTACT算法，可以使輪軌接觸計算精度進一步提高;還可以分別建立高速列車模型和地鐵車輛模型進行分析，包括接觸斑大小、垂向力和橫向力以及蠕滑率的計算。適當增加一些現(xiàn)場的工程案例進行拓展，針對我國地鐵線路中存在的小曲線波磨、車輛輪緣磨耗等問題，讓學生在動力學軟件中仿真應用，對輪軌接觸力學的應用進行拓展;并對這些進行課后反饋，培養(yǎng)學生自主解決問題的能力。

2.2 多種教學手段的運用

目前的教學方式主要是傳統(tǒng)的PPT課程教學和板書公式推導，無法激發(fā)學習興趣，感到枯燥，教學效果不佳[4-5]?；贠BE理念的學生培養(yǎng)模式，華盛頓協(xié)議指出需要培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力，因此在實際教學需要利用多元化手段提高教學效果，不能僅僅依照之前按照學習成績來評判，還要通過學生就業(yè)后的就業(yè)來評估專業(yè)以及教學成效。

首先，利用多元化的教學軟件學習通、雨課堂等增加課堂和課后的互動交流，在課堂上增加一些小的測試。做好教學設計，能夠對于學生的學習難點及時掌握，在下次課時能夠補充說明。為了能夠調動學生的積極性，利用翻轉課堂這樣的型式，進行研討式教學，分組進行，布置相應的課堂任務，學生在課下查閱資料，現(xiàn)場調研，查閱文獻。在課堂上通過學生的講解可以有效發(fā)現(xiàn)問題，從而對于難點進行進一步的深化，課后布置相應的計算和仿真任務，使得每個人都能夠參與進來，使得整個教學達成閉環(huán)。最后以大作業(yè)的形式布置一個小型課題進行自主分析和仿真計算。

其次，采用多體動力學軟件SIMPACK和UM，使得研究生能夠掌握相關理論的計算更加熟悉。不僅可以分析輪軌接觸問題，還可以分析其他軌道車輛的動力學問題，以及穩(wěn)定性、平穩(wěn)性和安全性等?？梢岳脩眠@些軟件做一些科研項目，與自身的課題相結合做一些創(chuàng)新，并在此基礎上可以書寫論文。平常在查閱資料的過程中經常從知網下載論文進行查閱，能夠有效地利用這些科研工具，對于平常的小作業(yè)也能進行深入研究。由于多體動力學軟件的輪軌接觸模塊都是集成封裝的，沒辦法查看具體的計算過程，可以采用Matlab或者Fortran編程語言對于輪軌接觸理論進行編程計算，能夠提升自身的科研能力和解決問題的能力。還可以利用有限元軟件來仿真計算，提高自身學習的能力，在ANSYS中建立輪軌接觸模型，可以與動力學軟件結構進行相互驗證和對比，樹立嚴謹?shù)目蒲凶黠L。

最后，要以教學結果為導向[6-7]，對于學生的課堂和課后表現(xiàn)，建立評估體系，及時進行評估，并及時地對于教學內容和方法改進，做到持續(xù)改進，這樣才能夠對于每個人的學習情況能夠掌握。對于原有的評價體系進行一定改革，不需要考試進行考核，同樣是以編寫程序和小論文的方式考核，根據(jù)學生的自身科研情況，可以引導學生發(fā)表一篇小文章作為對該門課程的考核。這樣有利于學生在掌握所學知識的基礎上，能夠小有創(chuàng)新，前進一步，且增加了其學習興趣，又能夠有所成果。

3 ?教學實踐改革

目前的教學實踐主要問題在于缺乏相應的實踐能力，尤其是解決實踐問題的能力。只會仿真計算也是不行的，需要和實際問題相結合。輪軌接觸關系是極其復雜的，輪軌接觸影響著車輛動力學性能以及后期維護的成本，而車輛動力學性能也會影響輪軌接觸關系。因此，在解決實際問題時需要全方位思考，不能單一地來考慮。對于復雜的輪軌體系是整個車輛動力學的核心內容，而很多問題也是在這里產生。教學過程中一定要結合現(xiàn)場實際工程問題展開，通過計算找到現(xiàn)場實際工程問題的產生機理，為解決問題提供有力的支撐。

在教學過程中需要去軌道交通部門實際查看和調研一些現(xiàn)場實際問題，通過將工程問題提升為學術問題，進行研究討論，通過仿真計算提出相應的措施，這是一個典型的實踐案例的過程。在教學時，根據(jù)不同的內容設置教學案例，讓學生在實驗室中能夠參與進來，盡快地掌握相關理論知識。以專業(yè)認證的相關標準體系建立的教學實踐，包括了教學過程實踐和畢業(yè)論文的相關部分，該課程的相關學習可以直接畢業(yè)論文過程中進行實踐檢驗。同時，在畢業(yè)以后從事軌道交通設計和維護時，分析車輛振動和軌道振動也離不開輪軌接觸力學的相關知識。

4 ?結語

《輪軌接觸力學》是軌道交通專業(yè)研究生的重要課程，該文通過對于《輪軌接觸力學》目前教學當中的問題進行分析，從教學內容、教學方法、和教學實踐3個方面對于這些問題及教學改革方案進行了探討，主要是培養(yǎng)學生能力，增強與實際結合，提高實踐能力。教學中不斷更新內容，基于OBE理念，對于輪軌接觸力學的教學內容不能只停留在公式推導，側重應用介紹。改進教學方法，采用科研小項目的形式，同時利用新的教學軟件加強與學生的作業(yè)交流和指導，進一步加強教學實踐。在平常的科研和學習中要緊密聯(lián)系工程實踐，做到持續(xù)改進，才能培養(yǎng)新一代創(chuàng)新型人才。

參考文獻

[1] 李佰洲，蔡蘭蓉，劉瑛.研究生機械動力學課程翻轉課堂初探[J].科技視界，2018（55）：96.

[2] 吳雪萍，袁李蘭.美國研究型大學研究牛創(chuàng)新人才培養(yǎng)的基礎、經驗及其啟示[J].高等教育研究，2019（6）：102-109.

[3] 周萌，曹政才，吳啟迪.新工科背景下基于“五位一體”的機器人技術教學改革研究[J].高等工程教育研究，2020（4）：66-70.

[4] 沈曉雨.美國一流大學教師教學發(fā)展研究[D].華中師范大學，2020.

[5] 何諧.工程技術人才產學合作的專業(yè)建設研究[J].科技創(chuàng)新導報，2020（20）：199-201.

[6] 馮建利.OBE理念及工程教育認證下強理論性專業(yè)基礎課的教學改革研究[J].輕工科技，2020（12）：130-132.

[7] 石晶，段敏.OBE理念下汽車試驗學課程教學設計[J].遼寧工業(yè)大學學報：社會科學版，2020（6）：109-112.

①基金項目：重慶交通大學高等教育教學改革研究課題“《軌道車輛設計理論》課程教學改革與創(chuàng)新”（項目編號：1903030）;重慶市高等教育教學改革研究項目《項目驅動與O2O融合的軌道車輛專業(yè)教學體系的改革與實踐》（項目編號：203305）;重慶市研究生教育教學改革研究項目《“互聯(lián)網+”背景下基于協(xié)同創(chuàng)新的軌道交通車輛專業(yè)研究生培養(yǎng)模式研究與實踐》（項目編號：yjg203092）。

作者簡介：祁亞運（1990—），男，博士，講師，研究方向為車輛動力學與輪軌磨耗。