摘要
车轮多边形与钢轨波磨已成为影响列车运行平稳性和安全性的关键因素，因此本研究针对高速铁路中的车轮多边形与钢轨波磨耦合作用进行了系统的理论分析。首先，依据摩擦耦合振动理论，构建了稳态与动态两种轮轨周期性磨耗的有限元模型，采用复特征值分析法和瞬时动态分析法进行数值模拟，从而全面揭示了车轮多边形与钢轨波磨在高速铁路中的耦合作用机制，探讨了两种磨耗在稳态和动态特性中的竞争关系，并分析了其关键参数对轮轨摩擦耦合振动的影响规律。然后，通过建立轮轨非周期性磨耗的有限元模型，对比分析了轮轨非周期性磨耗与周期性磨耗在振动特性上的差异。此外，进一步探讨了轮轨非周期性与周期性磨耗的频率特性对其耦合作用的影响。本文主要工作和结论如下： （1）在高速铁路轮轨周期性磨耗耦合作用的稳态分析中，首先通过现场调研构建了车轮多边形与钢轨波磨耦合作用的稳态模型，采用复特征值分析法从频域的角度，探讨了不同工况下两种磨耗现象对轮轨系统摩擦耦合振动的竞争关系，深入比较了同异相位接触对轮轨系统摩擦耦合振动的影响，并探讨了关键参数对轮轨系统的振动效应。结果显示：在轮轨系统的摩擦耦合振动竞争关系中，车轮多边形的影响大于钢轨波磨，当两者共存时耦合振动最为剧烈。轮轨周期性磨耗的同相位接触会加剧振动，而异相位接触则会减弱振动。随着车轮多边形与钢轨波磨磨耗深度和轮轨间摩擦系数的增加，轮轨系统的不稳定性趋势增强。 （2）在高速铁路轮轨周期性磨耗耦合作用的动态分析中，根据高速铁路中车轮多边形和钢轨波磨耦合作用的稳态特性，进一步构建了动态的有限元模型，采用瞬时动态分析法从时域的角度，揭示了轮轨系统摩擦耦合振动的动态特性，并深入研究了两种周期性磨耗在轮轨摩擦耦合振动中的竞争关系。结果显示：车轮多边形在耦合作用中的影响大于钢轨波磨，且动态分析结果与稳态分析结果的高度一致，实现了两者之间的相互验证，并进一步验证了研究结果的准确性。此外，随着磨耗深度的增加，轮轨系统的不稳定性趋势显著增强。 （3）在高速铁路轮轨非周期性磨耗的耦合作用分析中，引入了轮轨非周期性磨耗的仿真方法，以更真实地模拟了实际运营中的轮轨磨耗情况。通过对比轮轨非周期性与周期性磨耗在摩擦耦合振动中的差异性，进一步阐明这两种磨耗在轮轨系统中的不同表现和影响机制。结果显示：轮轨周期性磨耗导致轮轨接触力呈现稳定周期性变化，而非周期性磨耗则引起不规律的轮轨接触力波动。但两种情况均揭示了车轮多边形与钢轨波磨在摩擦耦合振动诱导频率之间的相关性。
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