本文由Yunguang Ye、Sheng Qu、Lai Wei、Dadi Li、Caihong Huang、Jianbin Wang、Zhecheng Tao、Feng Gan、Hao Gao、Bin Zhu、Pingbo Wu、Jing Zeng和Huanyun Dai等作者共同撰写，发表于2024年8月15日的《Mechanical Systems and Signal Processing》期刊上。研究团队主要来自西南交通大学轨道交通车辆系统国家重点实验室和中国铁道科学研究院有限公司。
高速列车车轮的高阶多边形化（主要阶数为18~23）问题自2014年以来在中国频繁出现，给车辆制造商和运营商带来了巨大的经济损失，并引发了脱轨等安全隐患。尽管已有多种应对措施被提出，如车轮频繁修形、列车速度变化、优化扣件系统的刚度/阻尼、改变轨道结构等，但车轮多边形化问题仍未得到根本解决。主要原因在于现有措施大多仅停留在理论层面，难以在工程中实施，且学术界对多边形化形成机制尚未达成一致意见。
目前，研究者认为导致高速列车车轮高阶多边形化的机制主要包括：（a）转向架部件的振动，（b）轮轨摩擦的自激振动，（c）受转向架约束的局部轨道的三阶弯曲（B3）模态振动。其中，机制c由本文研究团队首次提出，尽管存在争议，但团队一直坚持这一观点。为了进一步证明机制c的合理性，本文通过轨道模态测试、车辆跟踪测试和动力学仿真分析，系统证明了：（1）轨道B3模态能够引发轮轨系统的共振，这是导致高速列车车轮高阶多边形化的根本因素；（2）激发的轨道B3模态振动频率与形成的多边形车轮的通过频率之间没有显著的频率偏移，最大差异小于车轮旋转频率。
轨道模态测试：通过锤击法和冲击法，研究团队对CRTS-II型板式轨道进行了模态测试，证明了在转向架约束下，轨道存在B1、B2和B3三种局部弯曲模态，其中B3模态具有明显的振动形状和较低的阻尼比，频率范围为583~612 Hz。
车辆跟踪测试：通过对高速列车进行长期跟踪测试，研究团队发现车轮多边形化的通过频率（PWP频率）与轨道B3模态频率接近，且随着运行里程的增加，多边形化幅值呈现非线性增长趋势。
动力学仿真分析：通过建立刚柔耦合多体动力学模型和车轮多边形化磨损预测模型，研究团队验证了轨道B3模态与车轮高阶多边形化之间的关系。仿真结果表明，无论初始激励是正常粗糙度、车轮扁疤还是偏心，CRTS-II型轨道和CRTS-I型轨道分别导致的主要PWP频率分别为577 Hz和634 Hz，与轨道B3模态频率接近，且频率差异小于车轮旋转频率。
轨道B3模态的存在：实验和仿真均证明了轨道B3模态的存在，且其频率与车轮多边形化的通过频率接近。
车轮多边形化的形成机制：轨道B3模态引发的轮轨系统共振是导致高速列车车轮高阶多边形化的主要原因。车轮多边形化现象是振动的简单再现，只要轨道B3激励频率能够被车轮旋转频率整除，车轮在长期运行中就可能出现高阶多边形化问题。
车轮扁疤和偏心的影响：车轮扁疤会加剧多边形化的发展，扁疤尺寸越大，发展速度越快；偏心对高阶多边形化的发展有一定影响，但偏心小于0.5 mm时影响不显著。
本文通过实验和仿真分析，系统证明了轨道B3模态是导致高速列车车轮高阶多边形化的主要原因，且激发的B3模态频率与多边形车轮的通过频率之间没有显著的频率偏移。这一发现为车轮多边形化问题的解决提供了新的理论依据，具有重要的科学和应用价值。
重要发现：轨道B3模态引发的轮轨系统共振是高速列车车轮高阶多边形化的根本原因。
方法创新：本文采用了轨道模态测试、车辆跟踪测试和动力学仿真相结合的方法，系统验证了轨道B3模态与车轮多边形化之间的关系。
研究对象的特殊性：本文聚焦于高速列车车轮的高阶多边形化问题，特别是18~23阶多边形化，填补了该领域的研究空白。
本文还探讨了轨道扣件系统的建模方法对轨道B3模态的影响，并提出了轨道B3模态与轨道波磨之间可能存在直接关系的假设，为未来的研究提供了新的方向。