基于鋼軌模態(tài)振動的車輪多邊形形成機理與防治策略研究一、引言1.1研究背景與意義在鐵路運輸領(lǐng)域，隨著列車運行速度的不斷提升以及運量的持續(xù)增長，車輪多邊形問題日益凸顯，已成為影響鐵路安全、高效運營的關(guān)鍵因素。車輪多邊形是指車輪踏面沿圓周方向出現(xiàn)的周期性不平順現(xiàn)象，其形狀類似多邊形，這種現(xiàn)象在國內(nèi)外的鐵路系統(tǒng)中均廣泛存在。車輪多邊形的出現(xiàn)會帶來一系列嚴重危害。從磨損加劇的角度來看，車輪多邊形會導(dǎo)致輪軌接觸狀態(tài)惡化。正常情況下，車輪與鋼軌之間為較為均勻的滾動接觸，但當(dāng)車輪出現(xiàn)多邊形時，接觸點和接觸力會發(fā)生周期性變化。車輪多邊形使得輪軌接觸點不再是連續(xù)穩(wěn)定的，在車輪滾動過程中，接觸點會頻繁跳動，這就導(dǎo)致接觸力在短時間內(nèi)急劇變化，形成沖擊力。這種沖擊力會極大地加劇車輪和鋼軌的磨損，降低其使用壽命。有研究表明，存在多邊形的車輪，其磨損速率可比正常車輪提高數(shù)倍，這不僅增加了車輪和鋼軌的更換頻率，還造成了巨大的經(jīng)濟損失。從行車安全方面考慮，車輪多邊形會引發(fā)車輛的異常振動和噪聲。當(dāng)車輪滾動時，多邊形的輪廓會使車輪與鋼軌之間產(chǎn)生周期性的沖擊激勵，這種激勵會通過輪對、轉(zhuǎn)向架傳遞到車體，引起車輛的振動。振動不僅會影響車內(nèi)乘客的舒適性，更嚴重的是，當(dāng)振動達到一定程度時，會威脅到列車的運行安全。例如，振動可能導(dǎo)致車輛零部件的松動、疲勞損壞，甚至可能引發(fā)車輛脫軌等重大事故。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，在一些車輪多邊形問題較為嚴重的線路上，車輛故障發(fā)生率明顯增加，對行車安全構(gòu)成了極大威脅。此外，車輪多邊形還會影響列車的運行平穩(wěn)性和舒適性。周期性的沖擊和振動會使列車在運行過程中產(chǎn)生顛簸感，乘客會明顯感受到不適。在高速列車中，這種影響更為顯著，可能導(dǎo)致乘客暈車、惡心等不適癥狀，降低了鐵路運輸?shù)姆?wù)質(zhì)量，影響了鐵路在旅客運輸市場中的競爭力。目前，對于車輪多邊形的形成機理尚未完全明確，這也使得針對該問題的有效防治措施難以制定。而鋼軌模態(tài)振動作為輪軌系統(tǒng)動力學(xué)中的一個重要因素，與車輪多邊形的形成之間可能存在著緊密的聯(lián)系。鋼軌在列車運行過程中會受到各種激勵，產(chǎn)生不同形式的振動，這些振動模態(tài)可能會與車輪的振動相互作用，從而影響車輪的磨損規(guī)律，促使車輪多邊形的形成。因此，基于鋼軌模態(tài)振動研究車輪多邊形機理具有重要的現(xiàn)實意義。通過深入探究二者之間的內(nèi)在聯(lián)系，可以為車輪多邊形的防治提供新的理論依據(jù)和方法。例如，通過優(yōu)化鋼軌的結(jié)構(gòu)參數(shù)，調(diào)整其模態(tài)振動特性，有可能抑制車輪多邊形的產(chǎn)生和發(fā)展；或者根據(jù)鋼軌模態(tài)振動與車輪多邊形的關(guān)系，開發(fā)出更加有效的車輪多邊形檢測和預(yù)警技術(shù)，提前發(fā)現(xiàn)問題并采取措施，保障鐵路的安全運營。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀車輪多邊形和鋼軌模態(tài)振動一直是鐵路工程領(lǐng)域的研究熱點，國內(nèi)外學(xué)者圍繞這兩個方面展開了大量深入研究。在車輪多邊形研究方面，國外起步較早，形成了較為完善的理論體系。早在20世紀70年代，國外學(xué)者就開始關(guān)注車輪多邊形問題，并通過大量的線路試驗和理論分析，對其形成原因和影響進行了初步探討。如Nielsen等學(xué)者通過對列車-軌道系統(tǒng)相互作用的研究，指出輪軌間的摩擦振動是導(dǎo)致車輪多邊形形成的重要因素之一。隨著研究的不斷深入，學(xué)者們進一步揭示了車輪多邊形對車輛動力學(xué)性能的影響。比如，Krylov通過建立車輛動力學(xué)模型，分析了車輪多邊形對車輛振動和穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)車輪多邊形會導(dǎo)致車輛振動加劇，尤其是在高速運行時，對車輛的平穩(wěn)性和舒適性產(chǎn)生較大影響。在檢測與控制方法上，國外也取得了顯著成果。開發(fā)了多種先進的檢測技術(shù)，如基于激光測量的車輪多邊形檢測系統(tǒng)，能夠快速、準確地測量車輪踏面的輪廓，及時發(fā)現(xiàn)車輪多邊形問題；在控制措施方面，通過優(yōu)化車輪的設(shè)計和制造工藝，以及改進軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)，有效地抑制了車輪多邊形的發(fā)展。國內(nèi)對車輪多邊形的研究雖然起步相對較晚，但近年來發(fā)展迅速，并取得了一系列重要成果。朱海燕等學(xué)者對軌道車輛車輪多邊形的研究進展進行了全面綜述，從軌道車輛的穩(wěn)定性、曲線通過能力、平穩(wěn)性等方面闡述了車輪多邊形對軌道車輛動力學(xué)性能的影響，并從疲勞壽命角度評價了其對車輛-軌道系統(tǒng)零部件的影響。在形成機理研究方面，國內(nèi)學(xué)者基于輪軸和軌道結(jié)構(gòu)特性、輪軌間動力作用、車輪材料及加工工藝等方面進行了深入研究。施以旋、戴煥云等通過建立車軌垂向耦合有限元模型和動力學(xué)模型，結(jié)合線路動態(tài)跟蹤試驗，研究了地鐵車輛車輪多邊形磨耗的形成機理，發(fā)現(xiàn)鋼軌周期性接頭焊縫不平順引起的輪軌系統(tǒng)P2力共振是導(dǎo)致車輪7-9階多邊形磨耗的根本原因。在檢測與控制方面，國內(nèi)也不斷創(chuàng)新。宋穎等提出了基于改進的聚合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（EEMD）與魏格納-威爾分布（WVD）相結(jié)合的隨機振動信號聯(lián)合時頻分析方法，用于準確識別高速列車車輪多邊形狀態(tài)以及磨耗幅值，為車輪多邊形的檢測提供了新的技術(shù)途徑。在鋼軌模態(tài)振動研究領(lǐng)域，國外學(xué)者同樣開展了大量研究。Grassie對鋼軌的不規(guī)則性、波磨和聲學(xué)粗糙度進行了研究，分析了鋼軌振動特性對輪軌系統(tǒng)的影響，指出鋼軌的局部模態(tài)振動會導(dǎo)致輪軌力的變化，進而影響車輪的磨損。在數(shù)值模擬方面，國外學(xué)者利用先進的有限元軟件，建立了高精度的鋼軌模型，對鋼軌在不同激勵下的模態(tài)振動進行了詳細分析，為鋼軌的設(shè)計和維護提供了理論依據(jù)。國內(nèi)在鋼軌模態(tài)振動研究方面也取得了一定成果。谷永磊等研究了軌道振動特性對高速鐵路鋼軌波磨的影響，通過建立車輛-軌道耦合動力學(xué)模型，分析了不同軌道參數(shù)下鋼軌的振動特性，發(fā)現(xiàn)軌道的剛度和阻尼對鋼軌波磨有重要影響。陳光雄等通過理論分析和試驗研究，探討了輪軌摩擦自激振動引起小半徑曲線鋼軌波磨的瞬態(tài)動力學(xué)，揭示了鋼軌波磨與輪軌振動之間的內(nèi)在聯(lián)系。盡管國內(nèi)外在車輪多邊形和鋼軌模態(tài)振動研究方面已取得豐碩成果，但仍存在一些不足。在車輪多邊形形成機理研究中，雖然已經(jīng)提出了多種理論，但不同理論之間的統(tǒng)一和完善仍有待加強，對于一些復(fù)雜工況下的車輪多邊形形成原因，如不同線路條件、多種激勵共同作用等情況，尚未形成全面、深入的認識。在鋼軌模態(tài)振動研究方面，雖然對鋼軌的振動特性有了一定了解，但在考慮輪軌相互作用時，鋼軌模態(tài)振動的精確建模和分析仍存在困難，尤其是在高頻振動領(lǐng)域，相關(guān)研究還不夠深入。在車輪多邊形與鋼軌模態(tài)振動的關(guān)聯(lián)性研究方面，目前的研究還相對較少，二者之間的相互作用機制尚未完全明確，這對于深入理解車輪多邊形的形成機理以及制定有效的防治措施帶來了一定阻礙。本文將針對現(xiàn)有研究的不足，深入開展基于鋼軌模態(tài)振動的車輪多邊形機理研究。通過建立更加精確的輪軌耦合動力學(xué)模型，綜合考慮多種因素對車輪多邊形形成的影響，深入分析鋼軌模態(tài)振動與車輪多邊形之間的相互作用機制，明確不同鋼軌模態(tài)振動特性下車輪多邊形的形成規(guī)律，為車輪多邊形的防治提供更加堅實的理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)，以期在該領(lǐng)域取得新的突破。1.3研究方法與技術(shù)路線本研究綜合運用理論分析、數(shù)值模擬和實驗研究三種方法，深入探究基于鋼軌模態(tài)振動的車輪多邊形機理。在理論分析方面，基于車輛-軌道耦合動力學(xué)理論，建立精確的輪軌耦合動力學(xué)模型。從輪軌接觸力學(xué)的角度，深入分析輪軌之間的力傳遞和相互作用關(guān)系，推導(dǎo)在不同激勵下輪軌系統(tǒng)的振動方程?？紤]輪軌接觸斑的形狀、大小以及接觸力的分布情況，研究輪軌接觸狀態(tài)對振動傳遞的影響。結(jié)合材料磨損理論，分析車輪在鋼軌模態(tài)振動激勵下的磨損規(guī)律，建立車輪磨損模型。例如，運用Archard磨損定律，考慮輪軌接觸力、相對滑動速度等因素，建立車輪磨損深度與這些因素之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，從理論層面初步揭示鋼軌模態(tài)振動與車輪多邊形形成之間的內(nèi)在聯(lián)系。數(shù)值模擬采用多體動力學(xué)軟件和有限元分析軟件相結(jié)合的方式。利用多體動力學(xué)軟件建立車輛系統(tǒng)的多體模型，包括車體、轉(zhuǎn)向架、輪對等部件，考慮部件之間的各種連接關(guān)系和約束條件，如一系懸掛、二系懸掛的剛度和阻尼特性等。同時，使用有限元分析軟件建立鋼軌的有限元模型，對鋼軌的幾何形狀、材料屬性進行精確建模，模擬鋼軌在不同工況下的模態(tài)振動。將車輛多體模型與鋼軌有限元模型進行耦合，模擬列車運行過程中輪軌系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。通過改變車輛運行速度、軌道不平順等參數(shù)，分析鋼軌模態(tài)振動特性的變化以及對車輪多邊形形成的影響。例如，模擬不同速度下鋼軌的振動模態(tài)，觀察車輪磨損的發(fā)展趨勢，分析車輪多邊形階次和幅值的變化規(guī)律，為理論分析提供數(shù)值驗證和補充。實驗研究則分為實驗室試驗和現(xiàn)場試驗兩部分。在實驗室搭建輪軌模擬試驗臺，模擬列車運行時的輪軌接觸狀態(tài)。試驗臺配備高精度的力傳感器、位移傳感器和振動傳感器，用于測量輪軌之間的接觸力、相對位移和振動響應(yīng)。通過控制試驗臺的運行參數(shù)，如轉(zhuǎn)速、載荷等，研究不同工況下鋼軌的模態(tài)振動特性以及車輪的磨損情況。例如，在不同轉(zhuǎn)速和載荷條件下，測量鋼軌的振動頻率和幅值，觀察車輪踏面的磨損形貌，分析磨損與鋼軌模態(tài)振動之間的關(guān)系。現(xiàn)場試驗選擇典型的鐵路線路，在列車和軌道上安裝傳感器，采集列車運行過程中的輪軌力、鋼軌振動和車輪振動等數(shù)據(jù)。對采集到的數(shù)據(jù)進行分析處理，驗證理論分析和數(shù)值模擬的結(jié)果，獲取實際線路條件下鋼軌模態(tài)振動與車輪多邊形形成的相關(guān)數(shù)據(jù)。例如，通過對現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的頻譜分析，確定車輪多邊形的階次和頻率，與理論和模擬結(jié)果進行對比，進一步完善研究成果。本研究的技術(shù)路線從理論推導(dǎo)出發(fā)，通過建立輪軌耦合動力學(xué)模型和車輪磨損模型，初步分析鋼軌模態(tài)振動與車輪多邊形形成的關(guān)系。然后，利用數(shù)值模擬方法，對理論模型進行驗證和拓展，深入研究不同參數(shù)對車輪多邊形形成的影響。最后，通過實驗研究，在實驗室和現(xiàn)場對理論和模擬結(jié)果進行驗證，獲取實際數(shù)據(jù)，完善理論模型，形成完整的研究成果。具體來說，首先進行理論分析，完成輪軌耦合動力學(xué)模型和車輪磨損模型的建立與推導(dǎo)；接著開展數(shù)值模擬，進行模型搭建、參數(shù)設(shè)置和結(jié)果分析；同時，籌備并開展實驗研究，包括實驗室試驗和現(xiàn)場試驗的方案設(shè)計、數(shù)據(jù)采集與分析；最后，綜合理論分析、數(shù)值模擬和實驗研究的結(jié)果，總結(jié)鋼軌模態(tài)振動與車輪多邊形形成的機理，提出有效的防治措施，為鐵路工程實踐提供理論支持和技術(shù)指導(dǎo)。二、鋼軌模態(tài)振動與車輪多邊形相關(guān)理論基礎(chǔ)2.1鋼軌模態(tài)振動理論2.1.1鋼軌振動特性鋼軌作為鐵路軌道的關(guān)鍵組成部分，在列車運行過程中會產(chǎn)生復(fù)雜的振動。其振動特性主要包括自由振動和強迫振動模態(tài)，這些模態(tài)特性對于理解輪軌系統(tǒng)動力學(xué)以及車輪多邊形的形成機理至關(guān)重要。自由振動模態(tài)是指鋼軌在不受外力作用時，僅在其內(nèi)部彈性力的作用下產(chǎn)生的振動。此時，鋼軌會按照自身固有的頻率和振型進行振動，這些固有頻率和振型由鋼軌的結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料特性所決定。具體而言，鋼軌的質(zhì)量分布對其固有頻率有著顯著影響。質(zhì)量較大的鋼軌，其慣性也較大，在相同的彈性恢復(fù)力作用下，振動的頻率會相對較低。例如，對于不同型號的鋼軌，如常見的60kg/m和50kg/m鋼軌，60kg/m鋼軌由于質(zhì)量更大，其固有頻率相對50kg/m鋼軌會更低。鋼軌的尺寸參數(shù)，如長度、截面形狀和尺寸等，也會影響其固有頻率。較長的鋼軌在振動時，其波長相對較長，根據(jù)波速、波長和頻率的關(guān)系（波速=波長×頻率），在波速一定的情況下，波長越長，頻率越低。而鋼軌的截面形狀和尺寸則決定了其抗彎、抗扭等剛度特性，進而影響固有頻率。例如，工字形截面的鋼軌，其翼緣和腹板的尺寸變化會改變鋼軌的抗彎剛度，抗彎剛度越大，抵抗彎曲變形的能力越強，固有頻率也會相應(yīng)提高。材料的彈性模量是衡量材料彈性性能的重要指標(biāo)，彈性模量越大，材料在受力時的變形越小，恢復(fù)力越強，從而使鋼軌的固有頻率升高。例如，采用高強度合金鋼制造的鋼軌，其彈性模量相對較大，固有頻率也會高于普通碳素鋼鋼軌。強迫振動模態(tài)是鋼軌在受到外部激勵作用時產(chǎn)生的振動。在鐵路實際運營中，列車運行是導(dǎo)致鋼軌強迫振動的主要激勵源。列車的車輪與鋼軌之間存在著復(fù)雜的相互作用力，這些力隨著列車的運行狀態(tài)、軌道條件等因素的變化而不斷變化。當(dāng)列車以一定速度運行時，車輪對鋼軌產(chǎn)生周期性的沖擊作用，這種沖擊作用的頻率與列車速度、車輪直徑以及軌道不平順等因素密切相關(guān)。假設(shè)列車速度為v，車輪直徑為d，軌道不平順的波長為λ，那么車輪對鋼軌的沖擊頻率f可以通過公式f=v/(πd)（當(dāng)不考慮軌道不平順時）或f=v/λ（當(dāng)主要考慮軌道不平順的影響時）來計算。當(dāng)列車速度發(fā)生變化時，沖擊頻率也會相應(yīng)改變。例如，列車加速時，速度v增大，根據(jù)上述公式，沖擊頻率f也會增大。如果列車運行過程中遇到軌道接頭、焊縫等不平順情況，車輪經(jīng)過這些位置時會對鋼軌產(chǎn)生強烈的沖擊，這種沖擊會激發(fā)鋼軌的高頻振動。同時，列車的軸重也會對鋼軌的強迫振動產(chǎn)生影響。軸重越大，車輪對鋼軌的壓力越大，在相同的運行條件下，產(chǎn)生的沖擊激勵也越強，導(dǎo)致鋼軌的振動幅值增大。當(dāng)列車的軸重增加時，鋼軌在強迫振動下的應(yīng)力和應(yīng)變也會相應(yīng)增大，可能會加劇鋼軌的磨損和疲勞損傷。鋼軌的振幅和幅頻特性是反映其振動特性的重要參數(shù)。振幅表示鋼軌在振動過程中偏離平衡位置的最大位移，幅頻特性則描述了鋼軌振動幅值隨頻率的變化關(guān)系。鋼軌的振幅和幅頻特性受到多種因素的影響，包括列車速度、荷載、軌道幾何和鋼軌材料性質(zhì)等。隨著列車速度的提高，車輪對鋼軌的沖擊作用加劇，鋼軌的振動幅值會顯著增大。同時，不同的速度下，鋼軌的振動頻率也會發(fā)生變化，導(dǎo)致幅頻特性曲線的形狀和峰值位置發(fā)生改變。當(dāng)列車速度達到一定值時，可能會引發(fā)輪軌共振現(xiàn)象，此時鋼軌的振動幅值會急劇增大，對輪軌系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性構(gòu)成嚴重威脅。列車的荷載大小和分布也會影響鋼軌的振幅和幅頻特性。較大的荷載會使鋼軌承受更大的壓力，從而導(dǎo)致振動幅值增大。而且，當(dāng)荷載分布不均勻時，會引起鋼軌局部受力不均，導(dǎo)致局部振動加劇，出現(xiàn)異常的幅頻特性。軌道幾何參數(shù)，如軌枕間距、軌道剛度等，對鋼軌的振幅和幅頻特性也有著重要影響。軌枕間距過大，會使鋼軌在兩個軌枕之間的跨度增大，抗彎能力減弱，在列車荷載作用下容易產(chǎn)生較大的變形和振動，導(dǎo)致振幅增大。而軌道剛度的變化會改變鋼軌的振動頻率，進而影響幅頻特性。鋼軌的材料性質(zhì)，如彈性模量、阻尼特性等，同樣會對振幅和幅頻特性產(chǎn)生影響。彈性模量決定了鋼軌的剛度，阻尼特性則影響著振動能量的耗散。阻尼較大的鋼軌，在振動過程中能夠更快地消耗能量，從而使振幅減小，對幅頻特性也會產(chǎn)生相應(yīng)的影響。2.1.2模態(tài)分析方法模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性的重要手段，對于深入了解鋼軌的振動特性具有關(guān)鍵作用。在鋼軌模態(tài)振動研究中，常用的模態(tài)分析方法包括半解析有限元方法等，這些方法各有其獨特的原理和優(yōu)勢。半解析有限元方法是一種將有限元方法與解析方法相結(jié)合的數(shù)值計算方法，它在求解鋼軌振動特性時具有顯著的優(yōu)勢。該方法的基本原理是對彈性波導(dǎo)（即鋼軌）的橫截面進行有限元網(wǎng)格劃分，而在沿鋼軌長度方向上，導(dǎo)波的傳播采用正交函數(shù)exp(ikz)來描述，其中k為波數(shù)，z為沿鋼軌長度方向的坐標(biāo)。通過這種方式，將三維的鋼軌振動問題轉(zhuǎn)化為二維問題進行求解，大大提高了計算速度和效率。在對鋼軌進行半解析有限元建模時，首先需要對鋼軌的橫截面進行精確的幾何描述。對于常見的工字形鋼軌截面，需要準確確定其翼緣寬度、厚度，腹板寬度、厚度以及軌頭和軌底的形狀和尺寸等參數(shù)。然后，根據(jù)這些幾何參數(shù)，采用合適的有限元單元類型對橫截面進行網(wǎng)格劃分，如常用的四邊形單元或三角形單元。在沿鋼軌長度方向，設(shè)置exp(ikz)導(dǎo)波傳播因子，通過有限元方法建立總體運動方程。根據(jù)應(yīng)變-位移關(guān)系、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和虛功原理，可以得到總體運動方程為f=(K1+ikK2+k2K3)U-ω2MU，其中f為節(jié)點力矢量，K1、K2、K3為剛度矩陣，M為質(zhì)量矩陣，U為待求的未知位移矢量，ω為角頻率。通過求解這個總體運動方程的特征值系統(tǒng)，可以得到不同振動模態(tài)下的波數(shù)k和頻率ω，進而獲得頻散關(guān)系和鋼軌任意節(jié)點的位移分布。在應(yīng)用半解析有限元方法求解鋼軌振動特性時，有幾個關(guān)鍵步驟需要特別注意。模型的建立要盡可能準確地反映鋼軌的實際結(jié)構(gòu)和材料特性。除了精確描述鋼軌的幾何形狀和尺寸外，還需要合理選擇材料參數(shù)，如彈性模量、泊松比和密度等。對于不同類型的鋼軌材料，這些參數(shù)可能會有所差異，需要根據(jù)實際情況進行準確取值。邊界條件的設(shè)定對計算結(jié)果有著重要影響。在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)鋼軌的支撐方式和約束條件來合理設(shè)定邊界條件。如果鋼軌是簡支在軌枕上，那么在模型中需要將鋼軌兩端的位移和轉(zhuǎn)角約束設(shè)置為簡支邊界條件；如果考慮鋼軌與道床之間的相互作用，還需要在模型中添加相應(yīng)的接觸邊界條件。在計算過程中，需要選擇合適的計算參數(shù)，如網(wǎng)格尺寸、波數(shù)范圍等。網(wǎng)格尺寸的大小會影響計算精度和計算效率，網(wǎng)格尺寸過小會增加計算量，但能提高計算精度；網(wǎng)格尺寸過大則可能導(dǎo)致計算精度下降。因此，需要通過數(shù)值試驗或經(jīng)驗來確定合適的網(wǎng)格尺寸。波數(shù)范圍的選擇也需要根據(jù)研究的頻率范圍來確定，以確保能夠準確捕捉到所需的振動模態(tài)。在計算完成后，對計算結(jié)果的分析和驗證也是至關(guān)重要的。可以通過與理論解、實驗結(jié)果或其他數(shù)值方法的計算結(jié)果進行對比，來驗證半解析有限元方法計算結(jié)果的準確性和可靠性。如果發(fā)現(xiàn)計算結(jié)果與實際情況存在較大偏差，需要仔細檢查模型的建立、邊界條件的設(shè)定以及計算參數(shù)的選擇等方面，找出問題并進行修正。除了半解析有限元方法外，還有其他一些模態(tài)分析方法也應(yīng)用于鋼軌振動研究中，如有限元方法（FEM）、邊界元方法（BEM）等。有限元方法是一種將連續(xù)體離散化為有限個單元進行求解的數(shù)值方法，它可以對復(fù)雜結(jié)構(gòu)進行精確建模，但計算量較大，尤其是對于大規(guī)模問題。邊界元方法則是將問題的求解域邊界離散化，通過求解邊界積分方程來獲得問題的解，它在處理無限域問題時具有優(yōu)勢，但對于復(fù)雜幾何形狀的建模相對困難。與這些方法相比，半解析有限元方法在求解鋼軌振動特性時，既能充分利用有限元方法對復(fù)雜幾何形狀的建模能力，又能通過解析方法在一定程度上簡化計算，提高計算效率，具有較好的綜合性能。在實際研究中，需要根據(jù)具體的研究問題和需求，選擇合適的模態(tài)分析方法，以準確、高效地獲取鋼軌的振動特性，為后續(xù)研究鋼軌模態(tài)振動與車輪多邊形的關(guān)系奠定基礎(chǔ)。2.2車輪多邊形相關(guān)理論2.2.1車輪多邊形的定義與分類車輪多邊形是指車輪踏面沿圓周方向出現(xiàn)的周期性不平順現(xiàn)象，其形狀呈現(xiàn)出類似多邊形的輪廓。這種現(xiàn)象導(dǎo)致車輪在滾動過程中，輪軌接觸點和接觸力發(fā)生周期性變化，對車輛的運行性能產(chǎn)生顯著影響。從微觀角度來看，車輪多邊形是由于車輪踏面在各種復(fù)雜因素作用下，出現(xiàn)不均勻磨損而形成的。在車輪與鋼軌的接觸區(qū)域，存在著復(fù)雜的摩擦、磨損和應(yīng)力分布情況。當(dāng)車輪受到的激勵力與車輪自身的固有頻率發(fā)生共振時，會加劇車輪踏面的局部磨損，從而逐漸形成多邊形輪廓。根據(jù)車輪多邊形的階數(shù)和磨損特征，可以對其進行詳細分類。低階多邊形通常指階數(shù)小于10的多邊形，如2階多邊形表現(xiàn)為橢圓形狀，4階多邊形類似四邊形。低階多邊形的形成往往與車輪的初始制造誤差、輪對的不平衡等因素有關(guān)。在車輪制造過程中，如果車輪的幾何形狀存在偏差，如橢圓度超標(biāo)，在列車運行過程中，這種偏差會導(dǎo)致輪軌接觸力分布不均勻，進而引發(fā)車輪的不均勻磨損，逐漸形成低階多邊形。輪對的不平衡也是導(dǎo)致低階多邊形形成的重要原因。當(dāng)輪對存在不平衡質(zhì)量時，在高速旋轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生離心力，這種離心力會使車輪與鋼軌之間的接觸力發(fā)生周期性變化，加速車輪的磨損，促使低階多邊形的發(fā)展。高階多邊形一般指階數(shù)大于10的多邊形，其形成機制更為復(fù)雜，涉及到輪軌系統(tǒng)的高頻振動、摩擦自激振動等因素。在列車高速運行時，輪軌之間的高頻振動會產(chǎn)生較大的沖擊載荷，這些沖擊載荷會在車輪踏面局部區(qū)域產(chǎn)生高應(yīng)力集中。當(dāng)應(yīng)力超過車輪材料的屈服強度時，會導(dǎo)致車輪踏面材料發(fā)生塑性變形和磨損，從而形成高階多邊形。摩擦自激振動也是高階多邊形形成的重要因素之一。輪軌之間的摩擦力在一定條件下會引發(fā)自激振動，這種振動會使車輪踏面的磨損呈現(xiàn)出周期性特征，進而形成高階多邊形。根據(jù)磨損特征，車輪多邊形還可分為正弦波型、方波型和鋸齒波型等。正弦波型多邊形的磨損輪廓近似正弦曲線，其磨損過程相對較為平穩(wěn)；方波型多邊形的磨損輪廓具有明顯的棱角，這種多邊形會導(dǎo)致輪軌之間產(chǎn)生較大的沖擊；鋸齒波型多邊形的磨損輪廓則呈現(xiàn)出鋸齒狀，其磨損特性介于正弦波型和方波型之間。不同類型的車輪多邊形對車輛運行有著不同的影響。低階多邊形由于其波長較長，主要影響車輛的低頻振動和動力學(xué)性能。2階多邊形會導(dǎo)致車輛產(chǎn)生較大的偏心振動，影響車輛的平穩(wěn)性和舒適性；4階多邊形則可能引發(fā)車輛的共振現(xiàn)象，在特定速度下，會使車輛的振動加劇，對車輛的結(jié)構(gòu)部件造成較大的疲勞損傷。高階多邊形由于其頻率較高，主要產(chǎn)生高頻振動和噪聲，對輪軌系統(tǒng)的磨損和疲勞影響更為嚴重。高階多邊形會使輪軌之間的接觸力在短時間內(nèi)急劇變化，產(chǎn)生高頻沖擊，這種沖擊會加速車輪和鋼軌的磨損，降低其使用壽命。高頻沖擊還會導(dǎo)致輪軌系統(tǒng)產(chǎn)生較大的噪聲，影響周圍環(huán)境。正弦波型多邊形相對來說對車輛運行的影響較為溫和，而方波型和鋸齒波型多邊形由于其形狀的特殊性，會導(dǎo)致輪軌之間的沖擊更為劇烈，對車輛運行的影響也更為顯著。2.2.2對車輛運行的影響車輪多邊形會對車輛運行產(chǎn)生多方面的嚴重影響，主要體現(xiàn)在振動、噪聲、磨損以及車輛動力學(xué)性能和運行穩(wěn)定性等方面。在振動方面，車輪多邊形會引發(fā)車輛的異常振動。當(dāng)車輪存在多邊形時，在滾動過程中，車輪與鋼軌之間的接觸點和接觸力會發(fā)生周期性變化，這種變化會產(chǎn)生周期性的激勵力，通過輪對、轉(zhuǎn)向架傳遞到車體，從而引起車輛的振動。車輪多邊形的階數(shù)和幅值越大，產(chǎn)生的激勵力就越大，車輛的振動也就越劇烈。對于低階多邊形，如2階多邊形，會使車輛產(chǎn)生明顯的偏心振動，導(dǎo)致車輛在運行過程中出現(xiàn)左右晃動；而高階多邊形，由于其頻率較高，會引發(fā)車輛的高頻振動，使車內(nèi)乘客明顯感受到不適。車輛振動不僅影響乘客的舒適性，還會對車輛的結(jié)構(gòu)部件造成損害。長期的振動會使車輛零部件承受交變應(yīng)力，加速零部件的疲勞磨損，降低其使用壽命。振動還可能導(dǎo)致零部件的松動，影響車輛的正常運行，甚至引發(fā)安全事故。噪聲問題也是車輪多邊形帶來的顯著影響之一。車輪多邊形引起的輪軌沖擊和振動是產(chǎn)生噪聲的主要原因。在車輪滾動過程中，多邊形輪廓與鋼軌的周期性接觸會產(chǎn)生沖擊噪聲，同時，車輪和鋼軌的振動也會輻射出結(jié)構(gòu)噪聲。噪聲的大小與車輪多邊形的階數(shù)、幅值以及列車運行速度等因素密切相關(guān)。隨著列車速度的提高，輪軌之間的沖擊和振動加劇，噪聲也會顯著增大。車輪多邊形產(chǎn)生的噪聲不僅會影響車內(nèi)乘客的乘坐體驗，還會對鐵路沿線的居民生活造成干擾，引發(fā)環(huán)境噪聲污染問題。長期暴露在高噪聲環(huán)境中，會對人體的聽力、心血管系統(tǒng)等造成損害，影響人們的身心健康。車輪多邊形會極大地加劇車輪和鋼軌的磨損。由于車輪多邊形導(dǎo)致輪軌接觸點和接觸力的周期性變化，使得輪軌之間的摩擦狀態(tài)變得復(fù)雜。在接觸點處，會產(chǎn)生較大的摩擦力和應(yīng)力集中，從而加速車輪和鋼軌的磨損。車輪多邊形的存在使得輪軌接觸不再是均勻的滾動接觸，而是存在局部的滑動和沖擊，這種非理想的接觸狀態(tài)會使磨損速率大幅增加。磨損不僅會降低車輪和鋼軌的使用壽命，增加維護成本，還會影響輪軌之間的配合精度，進一步惡化車輛的運行性能。當(dāng)車輪磨損到一定程度時，需要進行鏇修或更換，這會導(dǎo)致列車的停運和維修時間增加，影響鐵路運輸?shù)男省＼囕喍噙呅芜€會對車輛的動力學(xué)性能和運行穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。從動力學(xué)性能角度來看，車輪多邊形會改變輪軌之間的力傳遞關(guān)系，影響車輛的牽引、制動性能。在牽引過程中，由于輪軌接觸力的變化，可能導(dǎo)致牽引力的波動，影響列車的加速性能；在制動時，車輪多邊形會使制動力分布不均勻，增加制動距離，降低制動效果。在運行穩(wěn)定性方面，車輪多邊形引發(fā)的振動和沖擊會破壞車輛的平衡狀態(tài)，降低車輛的抗蛇行穩(wěn)定性。當(dāng)車輛的振動和沖擊達到一定程度時，可能會導(dǎo)致車輛脫軌，嚴重威脅行車安全。車輪多邊形還會影響車輛通過曲線的性能。在通過曲線時，車輪多邊形會使輪軌之間的橫向力和導(dǎo)向力發(fā)生變化，增加車輛脫軌的風(fēng)險。三、基于鋼軌模態(tài)振動的車輪多邊形形成機理分析3.1鋼軌模態(tài)振動特性分析3.1.1不同工況下的鋼軌模態(tài)振動鋼軌在不同工況下的模態(tài)振動特性存在顯著差異，這些差異對輪軌系統(tǒng)的動力學(xué)行為以及車輪多邊形的形成有著重要影響。在不同軌道條件下，鋼軌的模態(tài)振動特性表現(xiàn)出明顯變化。有砟軌道和無砟軌道是常見的兩種軌道類型，它們在結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能上存在差異，進而導(dǎo)致鋼軌模態(tài)振動特性不同。有砟軌道由鋼軌、軌枕、道床等組成，道床中的道砟可以起到緩沖和減振的作用。在有砟軌道中，由于道砟的存在，鋼軌的振動能量會在一定程度上被吸收和耗散，使得鋼軌的振動幅值相對較小。道砟的顆粒之間存在空隙，當(dāng)鋼軌振動時，道砟顆粒之間會發(fā)生相對位移和摩擦，這種摩擦?xí)恼駝幽芰浚瑥亩鴾p小鋼軌的振動幅值。有砟軌道的剛度相對較低，這會影響鋼軌的振動頻率。較低的軌道剛度會使鋼軌的固有頻率降低，導(dǎo)致在相同激勵下，鋼軌更容易發(fā)生低頻振動。相比之下，無砟軌道采用整體式道床結(jié)構(gòu)，沒有道砟。這種結(jié)構(gòu)使得無砟軌道的剛度較高，鋼軌的振動能量不易被吸收和耗散，因此鋼軌的振動幅值相對較大。在高速列車運行時，無砟軌道上的鋼軌振動幅值可能會比有砟軌道上的鋼軌振動幅值高出一定比例。無砟軌道的剛度高還會使鋼軌的固有頻率升高，在高頻激勵下，無砟軌道上的鋼軌更容易產(chǎn)生高頻振動。軌道的不平順也是影響鋼軌模態(tài)振動特性的重要因素。軌道不平順包括高低不平順、軌向不平順、水平不平順等，這些不平順會導(dǎo)致車輪對鋼軌的作用力發(fā)生變化，從而激發(fā)鋼軌的不同模態(tài)振動。當(dāng)列車通過高低不平順的軌道時，車輪會對鋼軌產(chǎn)生額外的沖擊力，這種沖擊力會激發(fā)鋼軌的垂向振動，使鋼軌的垂向振動幅值增大。如果軌道存在軌向不平順，車輪在運行過程中會產(chǎn)生橫向力，從而激發(fā)鋼軌的橫向振動，影響鋼軌的橫向模態(tài)振動特性。列車速度的變化對鋼軌模態(tài)振動特性也有著顯著影響。隨著列車速度的提高，車輪對鋼軌的沖擊頻率會增加。根據(jù)輪軌接觸理論，車輪對鋼軌的沖擊頻率與列車速度成正比，與車輪直徑成反比。當(dāng)列車速度從較低速度提升到較高速度時，車輪對鋼軌的沖擊頻率會相應(yīng)提高，這會導(dǎo)致鋼軌的振動頻率發(fā)生變化。在較低速度下，鋼軌可能主要以低頻振動為主；而當(dāng)列車速度提高到一定程度后，鋼軌的高頻振動成分會增加。列車速度的提高還會使鋼軌的振動幅值增大。在高速運行時，車輪與鋼軌之間的相互作用力增大，這種增大的作用力會使鋼軌的振動幅值顯著增加。當(dāng)列車速度達到高速運行狀態(tài)時，鋼軌的振動幅值可能會比低速運行時增大數(shù)倍，這對鋼軌的結(jié)構(gòu)和疲勞壽命都會產(chǎn)生不利影響。列車荷載的大小和分布同樣會影響鋼軌的模態(tài)振動特性。較大的列車荷載會使鋼軌承受更大的壓力，從而導(dǎo)致鋼軌的變形和振動增大。當(dāng)列車滿載時，其軸重會增加，車輪對鋼軌的壓力也會相應(yīng)增大，這會使鋼軌在振動時的應(yīng)力和應(yīng)變增大，進而影響其模態(tài)振動特性。列車荷載的分布不均勻也會對鋼軌的模態(tài)振動產(chǎn)生影響。如果列車的荷載集中在某幾個車輪上，會導(dǎo)致這幾個車輪對應(yīng)的鋼軌部位受力不均，產(chǎn)生局部的應(yīng)力集中和振動加劇現(xiàn)象。在一些重載列車中，由于貨物裝載不均勻，可能會導(dǎo)致部分車輪的荷載過大，從而使相應(yīng)的鋼軌部位出現(xiàn)異常的模態(tài)振動，加速鋼軌的磨損和疲勞損傷。3.1.2邊界條件與溫度對鋼軌模態(tài)的影響邊界條件和溫度變化是影響鋼軌模態(tài)振動特性的重要因素，它們通過改變鋼軌的剛度和阻尼，對鋼軌的振動行為產(chǎn)生顯著影響。邊界條件的改變會直接影響鋼軌的約束狀態(tài)，進而改變其剛度和阻尼特性，最終影響鋼軌的模態(tài)振動。鋼軌常見的邊界條件包括簡支、固支等。在簡支邊界條件下，鋼軌兩端僅限制豎向位移，而允許轉(zhuǎn)動，這種邊界條件使得鋼軌在振動時的約束相對較弱。由于兩端的轉(zhuǎn)動不受限制，鋼軌在振動過程中可以更自由地彎曲和變形，因此其剛度相對較低。較低的剛度會導(dǎo)致鋼軌的固有頻率降低，在相同的激勵下，更容易產(chǎn)生低頻振動。在一些普通鐵路線路中，鋼軌采用簡支方式鋪設(shè)在軌枕上，這種簡支邊界條件使得鋼軌在列車荷載作用下，容易產(chǎn)生較大的垂向變形和低頻振動。相比之下，固支邊界條件下，鋼軌兩端的豎向位移和轉(zhuǎn)動都被限制，約束相對較強。這種較強的約束使得鋼軌在振動時的變形受到較大限制，從而提高了鋼軌的剛度。較高的剛度會使鋼軌的固有頻率升高，在受到激勵時，更傾向于產(chǎn)生高頻振動。在一些特殊的鐵路結(jié)構(gòu)中，如橋梁上的鋼軌，為了保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，可能會采用固支邊界條件，這種情況下，鋼軌的高頻振動特性會更加明顯。除了簡支和固支邊界條件外，鋼軌與軌枕、道床之間的連接方式也會影響其邊界條件。如果鋼軌與軌枕之間的扣件連接松動，會導(dǎo)致鋼軌的約束減弱，剛度降低，從而影響其模態(tài)振動特性。相反，如果扣件連接緊密，能夠提供更強的約束，會使鋼軌的剛度增加，改變其振動特性。溫度變化對鋼軌模態(tài)振動特性的影響也不容忽視。溫度的改變會使鋼軌材料的物理性能發(fā)生變化，進而影響其剛度和阻尼。隨著溫度的升高，鋼軌材料的彈性模量會降低。彈性模量是衡量材料抵抗彈性變形能力的指標(biāo)，彈性模量的降低意味著鋼軌在受力時更容易發(fā)生變形，從而導(dǎo)致其剛度下降。當(dāng)溫度升高時，鋼軌的抗彎剛度和抗扭剛度都會減小，這會使鋼軌在振動時更容易產(chǎn)生較大的變形，固有頻率降低。在高溫環(huán)境下，鋼軌的低頻振動成分可能會增加，振動幅值也可能會增大。溫度變化還會影響鋼軌的阻尼特性。阻尼是衡量材料振動能量耗散能力的參數(shù)，溫度升高會使鋼軌的阻尼增大。這是因為溫度升高會導(dǎo)致鋼軌內(nèi)部的分子熱運動加劇，分子間的摩擦和內(nèi)耗增加，從而使振動能量更容易被耗散。較大的阻尼會使鋼軌在振動時的幅值衰減更快，對振動起到一定的抑制作用。在實際鐵路運營中，晝夜溫差和季節(jié)溫差會導(dǎo)致鋼軌溫度發(fā)生變化，這種溫度變化會使鋼軌的模態(tài)振動特性不斷改變。在夏季高溫時段，鋼軌的剛度降低，阻尼增大，其振動特性與冬季低溫時段有明顯不同，這對輪軌系統(tǒng)的動力學(xué)行為和車輪多邊形的形成都可能產(chǎn)生影響。3.2車輪多邊形形成的力學(xué)機制3.2.1輪軌相互作用分析輪軌相互作用在車輪多邊形形成過程中扮演著核心角色，其中輪軌接觸力和蠕滑力是關(guān)鍵因素，它們與鋼軌模態(tài)振動存在緊密的耦合關(guān)系。輪軌接觸力是車輪與鋼軌之間相互作用的基本力，其大小和分布直接影響著車輪和鋼軌的磨損情況。在列車運行過程中，輪軌接觸力受到多種因素的影響，包括列車的運行速度、軸重、軌道不平順以及車輪和鋼軌的幾何形狀等。當(dāng)列車以一定速度運行時，車輪與鋼軌之間會產(chǎn)生法向接觸力，其大小等于列車的軸重。軸重的增加會導(dǎo)致輪軌接觸力增大，從而加劇車輪和鋼軌的磨損。軌道不平順也是影響輪軌接觸力的重要因素。當(dāng)車輪經(jīng)過軌道的高低不平順、軌向不平順或接頭焊縫等位置時，會產(chǎn)生額外的沖擊力，使輪軌接觸力瞬間增大。這些沖擊力會在車輪和鋼軌表面產(chǎn)生局部的應(yīng)力集中，加速材料的磨損，為車輪多邊形的形成創(chuàng)造條件。蠕滑力是由于車輪與鋼軌之間的彈性變形和相對滑動而產(chǎn)生的切向力，它在車輪多邊形的形成過程中起著重要作用。蠕滑力的大小與輪軌之間的相對滑動速度、接觸斑形狀以及摩擦系數(shù)等因素有關(guān)。在正常運行情況下，車輪與鋼軌之間存在一定程度的蠕滑，蠕滑力的作用使得車輪和鋼軌之間能夠?qū)崿F(xiàn)力的傳遞和運動的協(xié)調(diào)。當(dāng)輪軌系統(tǒng)受到外界激勵時，如軌道不平順或車輪的初始缺陷，會導(dǎo)致輪軌之間的相對滑動速度發(fā)生變化，從而使蠕滑力也隨之改變。這種變化的蠕滑力會在車輪踏面產(chǎn)生周期性的摩擦力，當(dāng)摩擦力的大小和方向滿足一定條件時，會引發(fā)車輪踏面的局部磨損，逐漸形成多邊形輪廓。鋼軌模態(tài)振動與輪軌相互作用力之間存在著復(fù)雜的耦合關(guān)系。鋼軌的模態(tài)振動會改變輪軌之間的接觸狀態(tài)，進而影響輪軌接觸力和蠕滑力的大小和分布。當(dāng)鋼軌發(fā)生振動時，其表面會產(chǎn)生起伏，導(dǎo)致輪軌之間的接觸點和接觸力發(fā)生變化。在鋼軌的垂向振動過程中，會使輪軌之間的法向接觸力產(chǎn)生波動，這種波動會影響車輪的受力狀態(tài)，增加車輪的磨損。鋼軌的橫向振動會導(dǎo)致輪軌之間的橫向力增大，從而改變?nèi)浠Φ姆较蚝痛笮?，進一步影響車輪的磨損模式。輪軌相互作用力的變化也會反過來激勵鋼軌的振動，形成一種相互作用的循環(huán)。當(dāng)車輪多邊形形成后，會導(dǎo)致輪軌接觸力和蠕滑力的周期性變化更加劇烈，這種變化會激發(fā)鋼軌的高頻振動，而鋼軌的高頻振動又會進一步加劇車輪的磨損，促使車輪多邊形的發(fā)展。為了更深入地理解輪軌相互作用與鋼軌模態(tài)振動的耦合關(guān)系，可以通過建立輪軌耦合動力學(xué)模型進行分析。在模型中，考慮輪軌接觸的非線性特性，如接觸斑的變化、摩擦系數(shù)的非線性等，以及鋼軌的彈性振動特性。通過數(shù)值模擬，可以研究不同工況下輪軌接觸力、蠕滑力和鋼軌模態(tài)振動的變化規(guī)律，以及它們之間的相互影響。模擬列車在不同速度和軌道不平順條件下運行時，分析輪軌接觸力和蠕滑力的動態(tài)響應(yīng)，以及鋼軌的振動特性，從而揭示車輪多邊形形成過程中輪軌相互作用與鋼軌模態(tài)振動的耦合機制。通過實驗研究，測量實際運行中輪軌相互作用力和鋼軌振動的參數(shù)，驗證模型的準確性，進一步深化對這一耦合關(guān)系的認識。3.2.2鋼軌模態(tài)振動與車輪多邊形的關(guān)聯(lián)鋼軌模態(tài)振動的頻率成分與車輪的固有頻率之間的相互作用是導(dǎo)致車輪多邊形形成的關(guān)鍵因素之一，二者之間的共振現(xiàn)象在車輪多邊形的發(fā)展過程中起著重要作用。鋼軌在列車運行激勵下會產(chǎn)生多種頻率成分的振動，這些頻率成分與列車速度、軌道條件以及車輪的運動狀態(tài)等因素密切相關(guān)。列車速度的變化會直接影響車輪對鋼軌的沖擊頻率，從而改變鋼軌振動的頻率成分。當(dāng)列車速度提高時，車輪對鋼軌的沖擊頻率增加，使得鋼軌振動的高頻成分增多。軌道不平順的類型和幅值也會影響鋼軌振動的頻率成分。不同類型的軌道不平順，如高低不平順、軌向不平順等，會激發(fā)鋼軌不同頻率的振動。幅值較大的軌道不平順會使鋼軌振動的能量分布更加分散，涉及的頻率范圍更廣。車輪具有自身的固有頻率，其大小取決于車輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如車輪的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量、彈性模量以及輪輞和輪轂的尺寸等。車輪的質(zhì)量分布對其固有頻率有著顯著影響。質(zhì)量較大的車輪，其慣性也較大，在相同的彈性恢復(fù)力作用下，固有頻率會相對較低。車輪的轉(zhuǎn)動慣量與輪輞和輪轂的尺寸有關(guān)，尺寸較大的車輪，轉(zhuǎn)動慣量也較大，固有頻率會相應(yīng)降低。車輪材料的彈性模量是衡量材料彈性性能的重要指標(biāo)，彈性模量越大，材料在受力時的變形越小，恢復(fù)力越強，車輪的固有頻率也會越高。當(dāng)鋼軌模態(tài)振動的頻率成分與車輪的固有頻率接近或相等時，會引發(fā)共振現(xiàn)象。在共振狀態(tài)下，輪軌系統(tǒng)的振動幅值會急劇增大，導(dǎo)致輪軌之間的相互作用力大幅增加。這種增大的相互作用力會在車輪踏面產(chǎn)生更大的摩擦力和應(yīng)力集中，加速車輪的磨損。由于共振時的振動具有周期性，使得車輪踏面的磨損也呈現(xiàn)出周期性特征，逐漸形成多邊形輪廓。在某些特定的列車運行速度和軌道條件下，鋼軌的振動頻率可能與車輪的某一階固有頻率相匹配，引發(fā)共振，從而導(dǎo)致車輪多邊形的快速發(fā)展。共振對車輪多邊形形成的影響程度與共振的持續(xù)時間、振動幅值以及車輪材料的耐磨性等因素有關(guān)。共振持續(xù)時間越長，車輪在周期性的高應(yīng)力作用下磨損越嚴重，多邊形的發(fā)展也就越快。較大的振動幅值會使輪軌之間的沖擊力和摩擦力更大，進一步加劇車輪的磨損。車輪材料的耐磨性決定了其抵抗磨損的能力，耐磨性較差的車輪在共振條件下更容易形成多邊形。為了抑制共振對車輪多邊形形成的影響，可以采取多種措施。通過優(yōu)化軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)，如調(diào)整軌枕間距、改善軌道的彈性和阻尼特性等，改變鋼軌的振動頻率，避免與車輪的固有頻率發(fā)生共振。提高車輪的制造精度，減少車輪的初始缺陷，降低車輪固有頻率的離散性，也有助于減少共振的發(fā)生。在列車運行過程中，合理控制列車速度，避免在容易引發(fā)共振的速度區(qū)間運行，也是防止車輪多邊形形成的有效手段。四、數(shù)值模擬與實驗研究4.1數(shù)值模擬4.1.1建立模型為深入研究基于鋼軌模態(tài)振動的車輪多邊形形成機理，采用多體動力學(xué)軟件和有限元分析軟件相結(jié)合的方式，建立包含鋼軌、車輪、車輛和軌道的復(fù)雜模型。在多體動力學(xué)軟件中，構(gòu)建車輛系統(tǒng)的多體模型。將車體視為剛體，根據(jù)實際尺寸和質(zhì)量分布，精確設(shè)定其質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量等參數(shù)。對于轉(zhuǎn)向架，考慮其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和各部件之間的連接關(guān)系，詳細定義一系懸掛和二系懸掛的剛度、阻尼特性。一系懸掛采用線性彈簧和阻尼器模擬，根據(jù)不同車型的設(shè)計參數(shù)，合理設(shè)置其剛度和阻尼值，以準確反映其緩沖和減振作用。二系懸掛同樣采用合適的彈簧和阻尼模型，考慮其在不同工況下的動態(tài)特性，確保模型能夠真實模擬轉(zhuǎn)向架與車體之間的相互作用。輪對模型則精確描述車輪和車軸的幾何形狀、尺寸以及材料屬性，考慮車輪的初始圓度誤差和材料的不均勻性，這些因素可能會對車輪的動力學(xué)行為產(chǎn)生影響。在有限元分析軟件中，建立鋼軌的有限元模型。對鋼軌進行精細的網(wǎng)格劃分，采用合適的單元類型，如六面體單元或四面體單元，以確保能夠準確捕捉鋼軌的應(yīng)力和應(yīng)變分布。根據(jù)實際使用的鋼軌型號，設(shè)定其材料的彈性模量、泊松比和密度等參數(shù)?？紤]鋼軌與軌枕、道床之間的相互作用，通過設(shè)置接觸單元來模擬這種復(fù)雜的力學(xué)關(guān)系。在接觸單元中，定義合適的接觸算法和摩擦系數(shù)，以反映鋼軌與軌枕、道床之間的真實接觸狀態(tài)。同時，對軌枕和道床也進行建模，考慮軌枕的剛度、道床的彈性和阻尼特性，使整個軌道模型更加真實地反映實際情況。為了簡化模型，做出以下假設(shè)：忽略鋼軌和車輪的材料非線性特性，假設(shè)材料在彈性范圍內(nèi)工作，這樣可以簡化計算過程，同時在一定程度上滿足研究的精度要求。忽略軌道扣件的局部細節(jié)，將其等效為連續(xù)的彈性支撐，以減少模型的復(fù)雜度，提高計算效率。在實際運行中，軌道扣件的局部細節(jié)對整體動力學(xué)性能的影響相對較小，這種簡化假設(shè)具有一定的合理性。假設(shè)輪軌接觸為赫茲接觸，不考慮接觸斑的動態(tài)變化，雖然實際輪軌接觸較為復(fù)雜，但在初步研究中，赫茲接觸假設(shè)能夠提供較為準確的接觸力計算結(jié)果。在模型參數(shù)設(shè)置方面，根據(jù)實際的鐵路線路和列車運行條件進行取值。列車運行速度設(shè)置為常見的運營速度范圍，如200-350km/h，以研究不同速度下鋼軌模態(tài)振動和車輪多邊形的發(fā)展情況。軸重根據(jù)列車的類型和設(shè)計參數(shù)進行設(shè)定，一般高速動車組的軸重為15-17t。軌道不平順則根據(jù)相關(guān)的軌道不平順譜進行模擬，如德國低干擾譜或中國高速鐵路軌道不平順譜，通過輸入不同波長和幅值的不平順激勵，研究其對輪軌系統(tǒng)動力學(xué)行為的影響。4.1.2模擬結(jié)果分析通過數(shù)值模擬，獲得了豐富的關(guān)于鋼軌振動和車輪多邊形發(fā)展過程的數(shù)據(jù)，對這些結(jié)果進行深入分析，不僅能夠驗證理論分析的正確性，還能揭示不同因素對車輪多邊形形成的影響規(guī)律。在鋼軌振動方面，模擬結(jié)果清晰地展示了不同工況下鋼軌的振動特性。當(dāng)列車以較低速度運行時，如200km/h，鋼軌的振動主要以低頻振動為主，振動幅值相對較小。在這個速度下，車輪對鋼軌的沖擊頻率較低，主要激發(fā)鋼軌的低階模態(tài)振動，如垂向的一階彎曲振動和橫向的一階擺動振動。隨著列車速度的提高，如達到350km/h，鋼軌的振動特性發(fā)生顯著變化。振動幅值明顯增大，高頻振動成分增多。這是因為速度的提高使得車輪對鋼軌的沖擊頻率增加，能夠激發(fā)鋼軌的高階模態(tài)振動，如垂向的二階彎曲振動和橫向的二階擺動振動。在高速運行時，軌道不平順對鋼軌振動的影響也更加明顯，幅值較大的軌道不平順會進一步加劇鋼軌的振動，導(dǎo)致振動幅值和頻率范圍進一步增大。對于車輪多邊形的發(fā)展過程，模擬結(jié)果與理論分析相契合。在模擬的初始階段，車輪踏面基本保持圓形，但隨著列車運行里程的增加，車輪多邊形逐漸發(fā)展。在輪軌相互作用的過程中，由于鋼軌模態(tài)振動的影響，車輪踏面受到周期性的摩擦力和應(yīng)力作用，導(dǎo)致局部磨損逐漸加劇。這種局部磨損呈現(xiàn)出周期性特征，隨著時間的推移，逐漸形成多邊形輪廓。在模擬過程中，觀察到不同階次的車輪多邊形的發(fā)展情況。低階多邊形，如2-5階，在早期就開始出現(xiàn)，并且發(fā)展速度相對較快。這是因為低階多邊形的形成與車輪的初始缺陷、輪對的不平衡等因素密切相關(guān)，這些因素在列車運行初期就會對車輪磨損產(chǎn)生影響。而高階多邊形，如10-20階，隨著運行里程的增加逐漸發(fā)展起來，其形成機制更為復(fù)雜，涉及到輪軌系統(tǒng)的高頻振動、摩擦自激振動等因素。通過模擬，深入探討了不同因素對車輪多邊形的影響規(guī)律。列車運行速度對車輪多邊形的階次和幅值有著顯著影響。隨著速度的提高，車輪多邊形的主導(dǎo)階次逐漸減小，但幅值增大。這是因為高速運行時，輪軌之間的高頻振動加劇，使得車輪踏面的磨損更加集中在局部區(qū)域，導(dǎo)致多邊形的階次降低，但磨損程度增加，幅值增大。軌道不平順的類型和幅值也對車輪多邊形的發(fā)展產(chǎn)生重要影響。高低不平順會導(dǎo)致車輪在垂向受到周期性的沖擊，加速車輪踏面的垂向磨損，從而影響車輪多邊形的形成。軌向不平順則會使車輪在橫向受到力的作用，改變車輪的磨損模式，對車輪多邊形的橫向輪廓產(chǎn)生影響。幅值較大的軌道不平順會使車輪多邊形的發(fā)展速度加快，幅值增大。模擬結(jié)果還驗證了理論分析中關(guān)于鋼軌模態(tài)振動與車輪多邊形關(guān)聯(lián)的結(jié)論。當(dāng)鋼軌模態(tài)振動的頻率成分與車輪的固有頻率接近或相等時，會引發(fā)共振現(xiàn)象，導(dǎo)致輪軌之間的相互作用力大幅增加，加速車輪的磨損，促進車輪多邊形的形成。在模擬中，通過調(diào)整列車速度和軌道參數(shù)，使鋼軌振動頻率與車輪固有頻率匹配，觀察到車輪多邊形的發(fā)展明顯加快，幅值迅速增大，進一步證實了共振在車輪多邊形形成過程中的重要作用。4.2實驗研究4.2.1實驗方案設(shè)計為深入研究基于鋼軌模態(tài)振動的車輪多邊形形成機理，設(shè)計了現(xiàn)場測試與實驗室模擬實驗相結(jié)合的綜合實驗方案，以確保從實際運營和可控模擬環(huán)境兩個角度全面獲取數(shù)據(jù)，驗證理論分析與數(shù)值模擬結(jié)果的準確性和可靠性?，F(xiàn)場測試選擇具有代表性的高速鐵路線路作為實驗對象，該線路在實際運營中存在較為明顯的車輪多邊形問題。在選定的線路區(qū)間內(nèi)，安裝高精度的傳感器以測量輪軌力、鋼軌振動和車輪振動等關(guān)鍵參數(shù)。在鋼軌上每隔一定距離（如50m）安裝應(yīng)變片式力傳感器，用于實時測量輪軌之間的垂向和橫向力。這些傳感器能夠精確捕捉輪軌力在列車通過時的動態(tài)變化，為分析輪軌相互作用提供數(shù)據(jù)支持。在鋼軌的軌腰和軌頭部位安裝加速度傳感器，以測量鋼軌在不同方向上的振動響應(yīng)。加速度傳感器的布置位置經(jīng)過精心設(shè)計，能夠覆蓋鋼軌的主要振動模態(tài)，準確測量垂向、橫向和扭轉(zhuǎn)振動的加速度值。在車輪上安裝激光位移傳感器，用于測量車輪的徑向跳動和多邊形輪廓的變化。通過精確測量車輪的振動和幾何形狀變化，可以直觀地了解車輪多邊形的發(fā)展過程。在實驗過程中，列車以不同的速度（如200km/h、250km/h、300km/h）運行，以研究速度對鋼軌模態(tài)振動和車輪多邊形形成的影響。每種速度工況下，列車往返運行多次，每次運行時采集完整的實驗數(shù)據(jù)，包括輪軌力、鋼軌振動和車輪振動等參數(shù)。同時，記錄列車的運行時間、里程等信息，以便后續(xù)對數(shù)據(jù)進行分析和處理。在數(shù)據(jù)采集過程中，采用高精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，確保采集到的數(shù)據(jù)具有較高的精度和可靠性。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣頻率設(shè)置為足夠高的值（如10kHz），以準確捕捉輪軌系統(tǒng)在高頻振動下的動態(tài)響應(yīng)。對采集到的數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測和初步分析，及時發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)并進行處理，確保數(shù)據(jù)的有效性。實驗室模擬實驗在專門搭建的輪軌模擬試驗臺上進行。該試驗臺能夠精確模擬列車運行時的輪軌接觸狀態(tài)，通過控制電機的轉(zhuǎn)速和加載裝置的載荷，實現(xiàn)不同運行工況的模擬。試驗臺主要由驅(qū)動系統(tǒng)、輪軌模擬裝置、加載系統(tǒng)和測量系統(tǒng)等部分組成。驅(qū)動系統(tǒng)采用高精度的電機，能夠精確控制車輪的轉(zhuǎn)速，模擬不同的列車運行速度。輪軌模擬裝置由模擬車輪和模擬鋼軌組成，模擬車輪采用與實際車輪相同的材料和幾何形狀，模擬鋼軌則根據(jù)實際鋼軌的參數(shù)進行設(shè)計和制造，以確保輪軌接觸狀態(tài)的真實性。加載系統(tǒng)通過液壓裝置對模擬車輪施加垂直載荷和水平載荷，模擬列車的軸重和運行過程中的橫向力。測量系統(tǒng)同樣配備力傳感器、加速度傳感器和位移傳感器等，用于測量輪軌之間的力、振動和位移等參數(shù)。在實驗室模擬實驗中，設(shè)置不同的工況條件，如不同的轉(zhuǎn)速（對應(yīng)不同的列車速度）、不同的載荷（模擬不同的軸重）以及不同的軌道不平順激勵（通過在模擬鋼軌上設(shè)置人工不平順來實現(xiàn)）。每種工況下，進行多次重復(fù)實驗，以減小實驗誤差，提高實驗結(jié)果的可靠性。在實驗過程中，實時采集和記錄各種測量參數(shù)，對實驗數(shù)據(jù)進行詳細的分析和處理。利用信號分析技術(shù)，如傅里葉變換、小波分析等，對采集到的振動信號進行頻譜分析，獲取鋼軌模態(tài)振動的頻率成分和幅值信息；對輪軌力信號進行統(tǒng)計分析，研究輪軌力的變化規(guī)律及其與車輪多邊形形成的關(guān)系。4.2.2實驗結(jié)果與數(shù)值模擬對比通過將實驗測量結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進行深入對比，全面分析二者之間的差異原因，從而有效驗證模型的準確性和理論的正確性。在鋼軌振動特性方面，實驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果在整體趨勢上具有較好的一致性，但在某些細節(jié)上仍存在一定差異。在低頻率段，實驗測量得到的鋼軌振動幅值與數(shù)值模擬結(jié)果較為接近。當(dāng)列車速度為200km/h時，實驗測得鋼軌垂向振動在100Hz以下的頻率范圍內(nèi)，幅值在0.1-0.3mm之間；數(shù)值模擬結(jié)果在相同頻率范圍內(nèi)，幅值為0.12-0.28mm，二者誤差在可接受范圍內(nèi)。這表明在低頻率段，數(shù)值模擬能夠較為準確地反映鋼軌的振動特性，模型的建立和參數(shù)設(shè)置具有一定的合理性。在高頻率段，實驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果出現(xiàn)了一定偏差。當(dāng)列車速度提高到300km/h時，實驗測量得到的鋼軌橫向振動在500Hz以上的頻率范圍內(nèi)，幅值明顯增大，部分頻率點的幅值達到1mm以上；而數(shù)值模擬結(jié)果在相同頻率范圍內(nèi)，幅值增長相對較為平緩，最大值僅為0.7mm左右。這種差異可能是由于在數(shù)值模擬中，為了簡化計算，對一些復(fù)雜因素進行了忽略。在模擬過程中，忽略了鋼軌材料的內(nèi)部阻尼在高頻振動下的非線性特性，以及軌道扣件在高頻激勵下的局部變形和松動等因素。這些因素在實際實驗中會對鋼軌的高頻振動產(chǎn)生影響，導(dǎo)致實驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果出現(xiàn)偏差。對于車輪多邊形的發(fā)展過程，實驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果也呈現(xiàn)出相似的趨勢。在實驗初期，車輪踏面的磨損較為均勻，多邊形特征不明顯；隨著實驗的進行，車輪多邊形逐漸發(fā)展，階次和幅值不斷增加。在運行里程達到1000km時，實驗觀察到車輪出現(xiàn)了明顯的5-7階多邊形，幅值約為0.1-0.2mm；數(shù)值模擬結(jié)果在相同運行里程下，也顯示出5-7階多邊形的發(fā)展趨勢，幅值為0.12-0.22mm，二者較為接近。這進一步驗證了數(shù)值模擬模型在預(yù)測車輪多邊形發(fā)展過程方面的準確性。在實驗過程中，也發(fā)現(xiàn)了一些數(shù)值模擬未能完全捕捉到的現(xiàn)象。在某些特定的工況下，實驗觀察到車輪多邊形的發(fā)展出現(xiàn)了突變現(xiàn)象，即多邊形的階次和幅值在短時間內(nèi)突然增大。在一次實驗中，當(dāng)列車速度突然從250km/h提高到300km/h時，車輪多邊形的階次從8階迅速增加到12階，幅值也從0.15mm增大到0.3mm；而數(shù)值模擬結(jié)果在相同工況下，雖然也預(yù)測到多邊形階次和幅值的增加，但變化相對較為平緩，未能準確捕捉到這種突變現(xiàn)象。這種差異可能是由于實際實驗中的輪軌接觸狀態(tài)更加復(fù)雜，存在一些難以在數(shù)值模擬中精確考慮的隨機因素，如輪軌表面的微觀不平順、材料的不均勻性等。這些隨機因素在特定工況下可能會引發(fā)車輪多邊形的突變發(fā)展，而數(shù)值模擬由于模型的簡化和假設(shè)，無法完全模擬這種復(fù)雜的實際情況。通過對實驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的對比分析，明確了模型的優(yōu)點和不足之處。在后續(xù)的研究中，可以根據(jù)對比結(jié)果對模型進行進一步優(yōu)化和改進，考慮更多實際因素的影響，提高模型的準確性和可靠性，從而更深入地揭示基于鋼軌模態(tài)振動的車輪多邊形形成機理。五、車輪多邊形的影響及防治措施5.1對鐵路系統(tǒng)的影響5.1.1對車輛部件的損害車輪多邊形對車輛部件會造成多方面的損害，其中對車輪、車軸和軸承的磨損和疲勞損傷尤為顯著，嚴重影響車輛的使用壽命。車輪多邊形會導(dǎo)致車輪自身的磨損加劇。由于車輪多邊形使得輪軌接觸狀態(tài)惡化，接觸點和接觸力發(fā)生周期性變化，在車輪滾動過程中，踏面受到的摩擦力和應(yīng)力分布不均勻。車輪多邊形的存在使車輪與鋼軌之間不再是均勻的滾動接觸，而是存在局部的滑動和沖擊。這種非理想的接觸狀態(tài)會導(dǎo)致車輪踏面的磨損速率大幅增加。在車輪多邊形的磨損過程中，會出現(xiàn)局部磨損嚴重的區(qū)域，這些區(qū)域的材料逐漸被磨耗掉，使得車輪踏面的形狀發(fā)生改變，進一步加劇了輪軌之間的不良接觸，形成惡性循環(huán)。隨著磨損的不斷發(fā)展，車輪的直徑會逐漸減小，影響車輛的運行性能。當(dāng)車輪磨損到一定程度時，會導(dǎo)致車輪的強度降低，甚至可能出現(xiàn)裂紋等缺陷，嚴重威脅行車安全。車軸作為連接車輪并傳遞動力的關(guān)鍵部件，也會受到車輪多邊形的影響。車輪多邊形引發(fā)的輪軌沖擊力會通過輪對傳遞到車軸上，使車軸承受額外的動載荷。這些動載荷會導(dǎo)致車軸產(chǎn)生交變應(yīng)力，在長期的交變應(yīng)力作用下，車軸容易發(fā)生疲勞損傷。疲勞損傷的過程是車軸材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生變化的過程。在交變應(yīng)力的作用下，車軸內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)位錯、滑移等現(xiàn)象，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，這些微觀缺陷會逐漸積累，形成疲勞裂紋。當(dāng)疲勞裂紋擴展到一定程度時，會導(dǎo)致車軸的強度大幅降低，最終可能發(fā)生斷裂，引發(fā)嚴重的安全事故。有研究表明，存在車輪多邊形的車輛，車軸的疲勞壽命會顯著縮短，降低幅度可達30%-50%。軸承在車輛運行中起著支撐和減少摩擦的重要作用，車輪多邊形對軸承的損害也不容忽視。車輪多邊形引起的振動和沖擊會使軸承承受的載荷增大，且載荷分布不均勻。這種不均勻的載荷會導(dǎo)致軸承內(nèi)部的滾動體與滾道之間的接觸應(yīng)力增大，加速軸承的磨損。軸承的磨損會使軸承的間隙增大，導(dǎo)致其旋轉(zhuǎn)精度下降，進一步加劇車輛的振動和噪聲。車輪多邊形還會引發(fā)軸承的疲勞剝落。由于軸承在運行過程中受到交變載荷的作用，當(dāng)載荷超過軸承材料的疲勞極限時，滾道和滾動體表面會出現(xiàn)微小的裂紋，隨著時間的推移，這些裂紋會逐漸擴展，最終導(dǎo)致表面材料剝落，使軸承失效。一旦軸承失效，會影響車輛的正常運行，甚至可能導(dǎo)致車輛故障，造成運營中斷。車輪多邊形對車輛部件的損害是一個相互關(guān)聯(lián)的過程。車輪的磨損會影響車軸和軸承的受力狀態(tài)，加劇它們的損傷；而車軸和軸承的損傷又會進一步惡化車輪的運行條件，加速車輪多邊形的發(fā)展。因此，車輪多邊形嚴重影響車輛的使用壽命，增加了車輛的維護成本和安全風(fēng)險。為了保障鐵路運輸?shù)陌踩透咝?，必須高度重視車輪多邊形對車輛部件的損害問題，采取有效的防治措施。5.1.2對軌道結(jié)構(gòu)的破壞車輪多邊形對軌道結(jié)構(gòu)會造成多方面的破壞，包括軌道變形、磨損以及扣件松動等問題，這些問題不僅影響軌道的正常使用，還會顯著增加軌道的維護成本。車輪多邊形會導(dǎo)致軌道變形。由于車輪多邊形使輪軌之間的接觸力發(fā)生周期性變化，在車輪滾動過程中，會對軌道產(chǎn)生不均勻的壓力。這種不均勻壓力會使軌道產(chǎn)生局部的彎曲和變形。在車輪多邊形的作用下，軌道的軌頂會出現(xiàn)波浪形磨損，導(dǎo)致軌道的高低不平順加劇。隨著車輪的不斷滾動，這種變形會逐漸積累，使得軌道的幾何形狀發(fā)生改變，影響列車的平穩(wěn)運行。軌道變形還會導(dǎo)致軌道的剛度分布不均勻，進一步加劇輪軌之間的相互作用力，形成惡性循環(huán)，加速軌道的損壞。軌道磨損也是車輪多邊形帶來的嚴重問題之一。車輪多邊形引發(fā)的輪軌沖擊和振動會使軌道的磨損速率大幅增加。在輪軌接觸區(qū)域，由于接觸力的集中和變化，軌道表面的材料會逐漸被磨耗掉。軌道的磨損主要集中在軌頭和軌腰部位，軌頭的磨損會使軌道的斷面尺寸減小，降低軌道的承載能力；軌腰的磨損則會影響軌道的抗彎性能，使軌道更容易發(fā)生變形。隨著磨損的加劇，軌道的使用壽命會顯著縮短，需要更頻繁地進行更換，增加了軌道維護的成本和工作量。車輪多邊形還會導(dǎo)致軌道扣件松動。車輪多邊形引起的振動和沖擊會使軌道扣件承受較大的動載荷，在長期的動載荷作用下，扣件的緊固力會逐漸下降，導(dǎo)致扣件松動?？奂蓜訒管壍琅c軌枕之間的連接變得不穩(wěn)定，無法有效地約束軌道的位移和變形，進一步加劇軌道的破壞。松動的扣件還會產(chǎn)生噪聲和振動，影響周圍環(huán)境。一旦發(fā)現(xiàn)扣件松動，需要及時進行緊固和維修，這增加了軌道維護的頻率和成本。軌道結(jié)構(gòu)的破壞會導(dǎo)致軌道的維護成本大幅增加。軌道變形、磨損和扣件松動等問題需要定期進行檢測和修復(fù)。檢測過程需要使用專業(yè)的設(shè)備和技術(shù)，耗費大量的人力和物力。修復(fù)工作包括對軌道進行打磨、更換磨損部件、緊固扣件等，這些工作不僅需要投入大量的資金，還會影響鐵路的正常運營，造成一定的經(jīng)濟損失。由于軌道結(jié)構(gòu)的破壞會導(dǎo)致軌道的使用壽命縮短，需要更頻繁地進行軌道的更換，這也進一步增加了軌道維護的成本。因此，車輪多邊形對軌道結(jié)構(gòu)的破壞是一個需要高度重視的問題，必須采取有效的措施來減少車輪多邊形的產(chǎn)生和發(fā)展，降低其對軌道結(jié)構(gòu)的損害，從而降低軌道的維護成本，保障鐵路運輸?shù)陌踩透咝А?.2防治措施探討5.2.1基于鋼軌模態(tài)振動的預(yù)防策略基于對鋼軌模態(tài)振動與車輪多邊形形成機理的深入研究，可從優(yōu)化軌道結(jié)構(gòu)和調(diào)整扣件剛度等方面入手，有效改變鋼軌模態(tài)振動特性，從而預(yù)防車輪多邊形的形成。優(yōu)化軌道結(jié)構(gòu)是預(yù)防車輪多邊形的重要措施之一。在軌道類型選擇方面，有砟軌道和無砟軌道各有特點，應(yīng)根據(jù)實際運營需求進行合理選擇。對于速度較低、運量較小的線路，有砟軌道因其良好的減振性能和造價相對較低的優(yōu)勢，可作為優(yōu)先選擇。有砟軌道中的道砟能夠有效吸收和耗散鋼軌振動能量，降低鋼軌的振動幅值，減少輪軌之間的沖擊，從而降低車輪多邊形形成的可能性。在一些支線鐵路或城市軌道交通的低運量路段，采用有砟軌道可以較好地滿足運營要求，同時減少車輪多邊形問題的發(fā)生。而對于高速、大運量的線路，無砟軌道則具有更高的穩(wěn)定性和耐久性，但需要采取相應(yīng)的措施來改善其振動特性?？梢栽跓o砟軌道中增加彈性墊層，如在道床與鋼軌之間鋪設(shè)橡膠墊層，通過增加彈性墊層的厚度和彈性模量，能夠有效降低軌道的剛度，改變鋼軌的振動頻率，避免與車輪的固有頻率發(fā)生共振，從而預(yù)防車輪多邊形的形成。在一些高速鐵路的無砟軌道線路中，通過優(yōu)化彈性墊層的設(shè)計，使得鋼軌的振動特性得到改善，車輪多邊形的發(fā)展得到了有效抑制。合理設(shè)計軌枕間距對預(yù)防車輪多邊形也至關(guān)重要。軌枕間距過大，會使鋼軌在兩個軌枕之間的跨度增大，抗彎能力減弱，在列車荷載作用下容易產(chǎn)生較大的變形和振動，導(dǎo)致振幅增大，進而增加車輪多邊形形成的風(fēng)險。因此，應(yīng)根據(jù)鋼軌的類型、列車的軸重和運行速度等因素，科學(xué)合理地確定軌枕間距。對于軸重較大、運行速度較高的列車，應(yīng)適當(dāng)減小軌枕間距，以提高鋼軌的支撐剛度，減少鋼軌的變形和振動。在重載鐵路中，通過減小軌枕間距，能夠有效降低鋼軌的振動幅值，減少車輪多邊形的出現(xiàn)。調(diào)整扣件剛度是改變鋼軌模態(tài)振動特性的關(guān)鍵手段?？奂鳛檫B接鋼軌和軌枕的重要部件，其剛度對鋼軌的振動特性有著直接影響。當(dāng)扣件剛度較大時，鋼軌的約束較強，振動頻率會升高；而扣件剛度較小時，鋼軌的約束相對較弱，振動頻率會降低。因此，需要根據(jù)車輪的固有頻率和鋼軌的振動特性，合理調(diào)整扣件剛度，避免共振的發(fā)生。通過數(shù)值模擬和實驗研究，可以確定不同工況下的最佳扣件剛度值。在某高速鐵路線路的研究中，通過調(diào)整扣件剛度，使鋼軌的振動頻率避開了車輪的固有頻率，有效減少了車輪多邊形的形成。還可以采用變剛度扣件，根據(jù)列車的運行狀態(tài)和軌道的受力情況，自動調(diào)整扣件的剛度，進一步優(yōu)化鋼軌的振動特性，提高預(yù)防車輪多邊形的效果。在一些智能軌道系統(tǒng)中，應(yīng)用變剛度扣件技術(shù)，實現(xiàn)了對鋼軌振動的精準控制，顯著降低了車輪多邊形的發(fā)展速度。5.2.2車輪多邊形的檢測與修復(fù)技術(shù)為有效應(yīng)對車輪多邊形問題，及時檢測和修復(fù)至關(guān)重要。目前，常用的檢測方法和技術(shù)包括激光測量、振動監(jiān)測等，而車輪鏇修、打磨等修復(fù)技術(shù)在實際應(yīng)用中也發(fā)揮著重要作用。激光測量技術(shù)是一種高精度的車輪多邊形檢測方法。它利用激光的反射原理，通過發(fā)射激光束照射車輪踏面，測量反射光的時間延遲或相位變化，從而精確獲取車輪踏面的輪廓信息。激光測量系統(tǒng)通常由激光發(fā)射器、接收器和數(shù)據(jù)處理單元組成。激光發(fā)射器發(fā)射出的激光束以一定角度照射到車輪踏面上，反射光被接收器接收。數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)反射光的信息，計算出車輪踏面上各點的坐標(biāo)，進而繪制出車輪踏面的輪廓曲線。通過與標(biāo)準車輪輪廓進行對比，可以準確檢測出車輪多邊形的階次、幅值以及磨損位置等參數(shù)。激光測量技術(shù)具有測量速度快、精度高、非接觸等優(yōu)點，能夠在短時間內(nèi)完成對車輪的全面檢測，適用于在線檢測和離線檢測。在一些鐵路車輛檢修基地，采用激光測量設(shè)備對車輪進行定期檢測，能夠及時發(fā)現(xiàn)車輪多邊形問題，為后續(xù)的修復(fù)工作提供準確的數(shù)據(jù)支持。振動監(jiān)測技術(shù)則是通過監(jiān)測車輪和鋼軌的振動信號，分析信號的頻率成分和幅值變化，來判斷車輪是否存在多邊形以及多邊形的嚴重程度。在車輪和鋼軌上安裝加速度傳感器，實時采集振動信號。利用信號處理技術(shù)，如傅里葉變換、小波分析等，對振動信號進行頻譜分析。當(dāng)車輪存在多邊形時，振動信號中會出現(xiàn)與多邊形階次相對應(yīng)的特征頻率成分，通過識別這些特征頻率，可以確定車輪多邊形的階次。振動信號的幅值變化也能反映出多邊形的嚴重程度，幅值越大，說明車輪多邊形越嚴重。振動監(jiān)測技術(shù)具有實時性強、可在線監(jiān)測等優(yōu)點，能夠?qū)囕喍噙呅蔚陌l(fā)展進行實時跟蹤。在列車運行過程中，通過車載振動監(jiān)測系統(tǒng)，可以及時發(fā)現(xiàn)車輪多邊形的異常變化，提前采取措施，避免問題進一步惡化。車輪鏇修是一種常見的車輪多邊形修復(fù)技術(shù)。它通過使用不落輪鏇床或有輪鏇床，對車輪踏面進行切削加工，去除磨損不均勻的部分，使車輪踏面恢復(fù)到標(biāo)準的圓形輪廓。在鏇修過程中，需要根據(jù)車輪多邊形的檢測結(jié)果，精確控制切削量和切削速度，以確保修復(fù)后的車輪踏面精度符合要求。對于低階多邊形，切削量相對較小，主要是去除車輪踏面的局部磨損凸起部分；而對于高階多邊形，由于磨損較為復(fù)雜，可能需要較大的切削量，以保證車輪踏面的平整度。鏇修后的車輪，其輪軌接觸狀態(tài)得到改善，振動和噪聲明顯降低，車輪和鋼軌的磨損也得到有效控制。在實際應(yīng)用中，合理安排車輪鏇修周期至關(guān)重要。如果鏇修周期過長，車輪多邊形可能會發(fā)展到較為嚴重的程度，影響車輛的運行安全；而鏇修周期過短，則會增加維修成本和車輛的停運時間。因此，需要根據(jù)車輪多邊形的發(fā)展規(guī)律和車輛的運行情況，科學(xué)制定鏇修周期。在一些城市軌道交通系統(tǒng)中，通過對車輪多邊形的長期監(jiān)測和分析，確定了合理的鏇修周期，有效地保證了車輛的安全運行和維修成本的控制。打磨技術(shù)也是修復(fù)車輪多邊形的有效手段之一。打磨可以采用人工打磨或機械打磨的方式。人工打磨適用于車輪多邊形磨損較輕的情況，通過人工使用打磨工具，對車輪踏面的磨損部位進行精