摘要
近年来，我国高速铁路里程快速增加，高速列车运营速度不断提高。在高铁技术由引进吸收逐步转向自主创新的背景下，高速动车组车轮高阶多边形磨耗问题频繁发生。车轮高阶多边形不仅恶化了旅客的乘坐舒适性，还对车辆和轨道结构的可靠性构成了严重威胁，在带来安全隐患的同时，极大地增加了高速铁路运维成本，已然成为了制约我国高铁发展的“绊脚石”。虽然车轮多边形是铁路工程领域的经典课题，但我国高速动车组车轮高阶多边形的形成机理尚不明确，至今尚缺乏从根源上控制多边形的有效措施。因此，开展车轮高阶多边形的产生机理及其控制措施研究具有十分重要的现实意义。基于此，本文针对动车组车轮高阶多边形开展了详细的线路试验与数值仿真研究，主要工作与结论如下： （1）开展了动车组车轮多边形不圆度和振动线路跟踪测试，统计分析结果表明：我国高速动车组车轮高阶多边形符合“频率固定”机理，车轮多边形的阶次与车速成反比，与车轮直径成正比，各型动车组多边形特征频率主峰均位于550~650Hz，次峰均位于300~400Hz，是由车辆轨道系统的模态共振引起。 （2）建立了考虑轮轨高频振动的动车组车轨刚柔耦合动力学模型，在欧拉坐标系下建立了旋转柔性轮对模型，基于最小二乘法改进了滑移窗激励模式中轨道的衔接方式，在不增加系统自由度的前提下，实现了移动车辆在轨道上长距离高效仿真，同时反映轨道沿纵向支撑刚度的动态变化。并利用实测轮轨稳态响应验证了动力学模型。 （3）基于车轨刚柔耦合动力学模型和Archard磨耗模型，搭建了车轮多边形磨耗长期预测模型，再现了我国高速动车组车轮高阶多边形的演化过程。研究了车轮多边形磨耗发展的一般性规律，结果显示：多边形起源于车轮初始不圆顺，车轮表面初始不圆顺是多边形形成的外因，而轨道不平顺不会改变多边形的本质发展规律。多边形的增长速率是由磨耗量波动幅值以及周期性磨耗量与初始车轮不平顺之间的相位角差共同决定，相位角差越接近反相，多边形增长速率越快。 （4）建立了车轨耦合垂向线性模型，研究对比了不同耦合状态下车轨系统的振动特性，识别出与高阶多边形形成相关的共振模态，并基于Carter二维接触理论和Archard磨耗模型，分析了车轨耦合振动模态对多边形磨耗的影响。结果表明：当多轮对与轨道系统耦合时，转向架前后轮对间的钢轨3阶和2阶局部垂向弯曲共振频率为645Hz和400Hz，可以引起法向力和磨耗量的周期性波动，与此同时，它们还导致了周期性磨耗量与车轮表面初始不平顺的相位角差在565Hz和330Hz最接近反相位。两者综合影响下，多边形磨耗在572Hz和342Hz左右的增长率达到最高，这与我国高速动车组车轮高阶多边形特征频率一致。因此本文认为车轨耦合状态下钢轨局部3阶和2阶弯曲共振是引起车轮高阶多边形的内在根本原因，且最终形成的多边形特征频率会略低于初始模态共振频率。 （5）针对车轮高阶多边形的产生机理，开展了线路试验验证工作。一方面，通过高速列车车轨耦合振动测试，在实际线路上捕捉了钢轨局部弯曲模态的共振频率。另一方面，利用某动车组多边形和振动长期跟踪实测数据，与磨耗预测仿真结果开展了详细的比对工作，包括多边形的演化过程、轴箱加速度均方根值发展过程以及加速度频谱变化过程，对比结果显示仿真预测和线路实测结果吻合较好。特别是，在实测和仿真中均观察到振动主频由最初的650Hz左右逐渐下移至590Hz附近的现象，这符合理论机理研究中“多边形特征频率略低于初始模态共振频率”的推断。 （6）基于多边形的产生机理，从外因和内因角度分别研究提出了多边形的控制措施。一方面对车轨耦合系统关键参数进行优化分析，仿真结果表明：在车辆系统中，轮对柔性振动对我国动车组高阶车轮多边形磨耗的贡献很小。增大转向架轴距可以减小车轮多边形的阶次，却并不能抑制多边形的增长。在轨道系统中，提高轨垫板阻尼系数或减小扣件间距均可以使高阶多边形的增速放缓，当轨垫板阻尼系数提高至50kN·s/m以上或将扣件间距减小至0.4m以下时，可以消除车轮高阶多边形。另一方面，分析了车轮表面典型初始不平顺对高阶多边形磨耗的影响权重，结果显示车轮扁疤促使高阶多边形沿扁疤附近快速发展，镟后残留多边形则会显著加快同侧相邻车轮的多边形发展速率，因此应对以上两者严格管控。 （7）从理论上提出了安装钢轨动力吸振器控制多边形的新思路，设计了一种单自由度动力吸振器，通过改变车轨耦合系统的相频特性，可使高阶多边形的幅值增速下降50%以上，若进一步缩短动力吸振器的安装间距，可以达到完全抑制高阶车轮多边形产生的效果。
NETL