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基于钢轨模态振动的车轮多边形形成机理与防治策略研究

一、引言

1.1研究背景与意义

在铁路运输领域，随着列车运行速度的不断提升以及运量的持续增长，车轮多边形问题日益凸显，已成为影响铁路安全、高效运营的关键因素。车轮多边形是指车轮踏面沿圆周方向出现的周期性不平顺现象，其形状类似多边形，这种现象在国内外的铁路系统中均广泛存在。

车轮多边形的出现会带来一系列严重危害。从磨损加剧的角度来看，车轮多边形会导致轮轨接触状态恶化。正常情况下，车轮与钢轨之间为较为均匀的滚动接触，但当车轮出现多边形时，接触点和接触力会发生周期性变化。车轮多边形使得轮轨接触点不再是连续稳定的，在车轮滚动过程中，接触点会频繁跳动，这就导致接触力在短时间内急剧变化，形成冲击力。这种冲击力会极大地加剧车轮和钢轨的磨损，降低其使用寿命。有研究表明，存在多边形的车轮，其磨损速率可比正常车轮提高数倍，这不仅增加了车轮和钢轨的更换频率，还造成了巨大的经济损失。

从行车安全方面考虑，车轮多边形会引发车辆的异常振动和噪声。当车轮滚动时，多边形的轮廓会使车轮与钢轨之间产生周期性的冲击激励，这种激励会通过轮对、转向架传递到车体，引起车辆的振动。振动不仅会影响车内乘客的舒适性，更严重的是，当振动达到一定程度时，会威胁到列车的运行安全。例如，振动可能导致车辆零部件的松动、疲劳损坏，甚至可能引发车辆脱轨等重大事故。据相关统计，在一些车轮多边形问题较为严重的线路上，车辆故障发生率明显增加，对行车安全构成了极大威胁。

此外，车轮多边形还会影响列车的运行平稳性和舒适性。周期性的冲击和振动会使列车在运行过程中产生颠簸感，乘客会明显感受到不适。在高速列车中，这种影响更为显著，可能导致乘客晕车、恶心等不适症状，降低了铁路运输的服务质量，影响了铁路在旅客运输市场中的竞争力。

目前，对于车轮多边形的形成机理尚未完全明确，这也使得针对该问题的有效防治措施难以制定。而钢轨模态振动作为轮轨系统动力学中的一个重要因素，与车轮多边形的形成之间可能存在着紧密的联系。钢轨在列车运行过程中会受到各种激励，产生不同形式的振动，这些振动模态可能会与车轮的振动相互作用，从而影响车轮的磨损规律，促使车轮多边形的形成。因此，基于钢轨模态振动研究车轮多边形机理具有重要的现实意义。通过深入探究二者之间的内在联系，可以为车轮多边形的防治提供新的理论依据和方法。例如，通过优化钢轨的结构参数，调整其模态振动特性，有可能抑制车轮多边形的产生和发展；或者根据钢轨模态振动与车轮多边形的关系，开发出更加有效的车轮多边形检测和预警技术，提前发现问题并采取措施，保障铁路的安全运营。

1.2国内外研究现状

车轮多边形和钢轨模态振动一直是铁路工程领域的研究热点，国内外学者围绕这两个方面展开了大量深入研究。

在车轮多边形研究方面，国外起步较早，形成了较为完善的理论体系。早在20世纪70年代，国外学者就开始关注车轮多边形问题，并通过大量的线路试验和理论分析，对其形成原因和影响进行了初步探讨。如Nielsen等学者通过对列车-轨道系统相互作用的研究，指出轮轨间的摩擦振动是导致车轮多边形形成的重要因素之一。随着研究的不断深入，学者们进一步揭示了车轮多边形对车辆动力学性能的影响。比如，Krylov通过建立车辆动力学模型，分析了车轮多边形对车辆振动和稳定性的影响，发现车轮多边形会导致车辆振动加剧，尤其是在高速运行时，对车辆的平稳性和舒适性产生较大影响。在检测与控制方法上，国外也取得了显著成果。开发了多种先进的检测技术，如基于激光测量的车轮多边形检测系统，能够快速、准确地测量车轮踏面的轮廓，及时发现车轮多边形问题；在控制措施方面，通过优化车轮的设计和制造工艺，以及改进轨道结构参数，有效地抑制了车轮多边形的发展。

国内对车轮多边形的研究虽然起步相对较晚，但近年来发展迅速，并取得了一系列重要成果。朱海燕等学者对轨道车辆车轮多边形的研究进展进行了全面综述，从轨道车辆的稳定性、曲线通过能力、平稳性等方面阐述了车轮多边形对轨道车辆动力学性能的影响，并从疲劳寿命角度评价了其对车辆-轨道系统零部件的影响。在形成机理研究方面，国内学者基于轮轴和轨道结构特性、轮轨间动力作用、车轮材料及加工工艺等方面进行了深入研究。施以旋、戴焕云等通过建立车轨垂向耦合有限元模型和动力学模型，结合线路动态跟踪试验，研究了地铁车辆车轮多边形磨耗的形成机理，发现钢轨周期性接头焊缝不平顺引起的轮轨系统P2力共振是导致车轮7-9阶多边形磨耗的根本原因。在检测与控制方面，国内也不断创新。宋颖等提出了基于改进的聚合经验模态分解（EEMD）与魏格纳-威尔分布（WVD）相结合的随机振动信号联合时频分析方法，用于准确识别高速列车车轮多边形状态以及磨耗幅值，为车轮多边形的检测