我国高速铁路在长期运营过程中,出现车轮高阶多边形和钢轨波磨等短波轮轨不平顺导致扣件弹条疲劳断裂的问题,严重影响弹条服役寿命和行车安全,本文参考国内外学者的相关研究成果,对扣件弹条共振疲劳性能、共振疲劳优化方法和共振疲劳试验进行了系统的研究,主要研究内容包括:1.高速铁路扣件系统有限元模型修正基于非线性接触理论,建立了包括所有零部件的扣件系统精细化有限元模型。基于灵敏度分析的有限元模型修正理论,修正了弹条接触刚度参数与弹性垫板弹性模量参数,使得弹条模态频率的理论值和试验值误差在3%以内,得到高精度的扣件系统有限元模型。修正后的模型表明弹条最大等效应力出现在后弯支点圆弧内侧表面,与弹条现场断裂位置一致。并分析了弹条固有频率、模态振型、模态应力、加速度频响函数等动态特性,揭示了弹条振动疲劳的动力学本质。2.高速铁路扣件系统动力响应分析基于车辆-轨道耦合动力学模型和扣件系统精细化有限元模型进行联合仿真,系统研究了车轮多边形幅值及阶数、钢轨波磨幅值及波长、列车运行速度对轮轨力、钢轨加速度、弹条加速度的影响规律,从时域和频域分析了高频激励在轮轨力-钢轨-弹条路径下的振动传递规律,分析了不同工况下的弹条共振状态,得到不同速度下弹条振动最敏感的车轮多边形阶数和波磨波长。提出一种基于改进L-P小波的弹条振动监测方法,能够有效识别车轮多边形以及钢轨波磨。3.高速铁路扣件弹条振动疲劳性能研究基于车辆-轨道耦合动力学模型和扣件系统精细化有限元模型联合仿真,提取弹条危险点动态最大等效应力,基于疲劳理论建立考虑平均应力的扣件弹条振动疲劳寿命预测时域法和频域法,并对比分析窄带法、Dirlik法和Zhao-Baker方法三种频域方法的适用性。利用时域法详细研究了车轮多边形幅值及阶数、钢轨波磨幅值及波长、运行速度对弹条应力幅值、疲劳寿命的影响规律,揭示了弹条共振疲劳断裂的机理,提出基于弹条疲劳寿命的不同运行速度下钢轨打磨和车轮镟修限值要求。利用频域法详细研究了高低频组合位移载荷对弹条疲劳寿命的影响规律,提出了不同频率下的弹条疲劳位移限值要求。4.高速铁路扣件弹条抗共振疲劳优化研究为了避免弹条发生共振疲劳断裂,提出提高弹条的固有频率和和附加动力吸振器两种方法改变弹条动态特性,从而进行振动疲劳控制。建立了高频弹条扣件系统精细化有限元模型,基于多自由度系统等价质量识别法,确定弹条附加动力吸振器的质量、刚度、阻尼和附加位置,建立了带动力吸振器的扣件系统精细化有限元模型。探讨了高频弹条、带动力吸振器弹条的静动力特性,对高频弹条、带动力吸振器弹条进行了动力响应分析和疲劳寿命分析,通过与原弹条对比,揭示了高频弹条、带动力吸振器的弹条抵抗钢轨波磨、车轮多边形的能力,确定了弹条抗共振疲劳的优化效果。5.高速铁路扣件弹条共振疲劳试验研究为了进行弹条共振疲劳试验,基于电动振动试验台自主研制了扣件高频振动疲劳试验系统,对扣件系统进行了扫频试验,找出弹条共振频率,得到钢轨传递到弹条弹臂、弹条中弯的加速度传递率以及弹条后弯圆弧表面的应变传递函数,对弹条进行了特定频率下的耐共振能力考核。为了模拟现场高低频组合载荷对弹条疲劳性能的影响,在现有偏心轮基础上设计增加了高频轮,自主研制了弹条高低频组合疲劳试验机,利用试验机进行高低频组合位移下的疲劳试验,重现了弹条疲劳断裂现象。