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基于有限元的高速列车车轮多边形磨耗成因分析

研究了中国高速列车车轮多边形磨耗的形成原因。考虑轮对的旋转惯量，建立了高速列车轮对-轨道-盘式制动系统有限元模型。基于轮轨系统摩擦自激振动的理论，采用有限元复特征值分析法研究了高速列车制动时轮对-轨道-盘式制动系统的稳定性。研究了饱和的轮轨蠕滑力和盘式制动系统摩擦力耦合作用对车轮多边形磨耗的影响，并调查了轮轨-轨道-盘式制动系统的参数敏感性。数值模拟结果表明：在饱和的轮轨蠕滑力和盘式制动器摩擦力耦合作用下轮轨系统的摩擦自激振动导致了高速列车车轮多边形磨耗的产生，其导致的21～22阶和23～24阶车轮多边形磨耗占主导地位，这与中国高速列车高阶车轮多边形磨耗最为显著符合。饱和的轮轨蠕滑力主要影响较低阶车轮多边形磨耗，盘式制动器摩擦力主要影响较高阶车轮多边形磨耗。制动压力为13 kN时，车轮多边形磨耗形成的几率最小，发展速度最慢。过高或者过低的垂向悬挂力均不利于抑制车轮多边形磨耗。垂向悬挂力为75 kN时，车轮多边形磨耗形成的可能性最小，发展速度最慢。