随着城市轨道交通的快速发展,地铁车辆车轮多边形磨耗现象日益突出,车轮多边形磨耗不仅会加剧轮轨间相互作用力,引起车辆振动和噪声异常,而且还可能导致车辆和轨道零部件的破坏,影响行车安全。近年来,由车轮多边形磨耗造成车辆轨道部件断裂的现象时有发生。一系钢弹簧作为连接轴箱和构架的重要缓冲装置,直接承受来自轮轨的振动,当车轮存在比较严重的车轮多边形磨耗时,一系钢弹簧可能受到较大的振动冲击而发生损伤,而通过现场调查也表明某些一系钢弹簧断裂与车轮多边形存在相关性。因此,研究车轮多边形磨耗对一系钢弹簧的影响具有重要的研究价值和工程意义。本文针对国内某地铁线路一系钢弹簧断裂的现象,通过现场测试和数值仿真相结合研究了车轮多边形磨耗对一系钢弹簧的影响,具体工作和结论如下:(1)对所调查的地铁车辆进行了车轮多边形磨耗测试并对测试结果进行了分析。结果表明,车轮多边形磨耗与一系钢弹簧断裂现象之间存在相关性。(2)利用ANSYS建立了一系钢弹簧有限元模型,并进行了模态分析和子结构分析,然后将一系钢弹簧有限元模态分析结果导入多体动力学软件SIMPACK柔性体模块中,建立了考虑一系钢弹簧为柔性的整车刚柔耦合动力学模型。(3)仿真研究了列车在不同多边形工况下车辆一系钢弹簧的动态响应。研究结果表明,当车速为90 km/h时,列车在车轮存在6阶多边形时的通过频率接近一系钢弹簧的1阶固有频率,导致弹簧共振,振动和动应力水平明显增大。在同一多边形阶次下,多边形幅值越大,弹簧振动和动应力水平越大;降低橡胶垫刚度能够明显降低弹簧振动和动应力水平。在同一多边形阶次和幅值下,左右侧车轮多边形同相位分布时弹簧振动加速度和动应力最小;左右侧车轮多边形相位相差π时弹簧振动加速度和动应力最大。(4)基于疲劳累积损伤理论,结合材料的S-N曲线,对一系钢弹簧在不同多边形激励下的疲劳寿命展开预测。研究结果表明,当车速为90 km/h时,一系钢弹簧疲劳寿命在多边形阶次较高(5～10阶)时较阶次较低(1～4阶)时低,在6阶时弹簧寿命显著降低。在同一多边形阶次条件下,多边形幅值越大,弹簧寿命越低;橡胶垫刚度越大,弹簧寿命越低;左右侧车轮多边形相位差为0时,弹簧寿命最高,左右侧车轮多边形相位差为π时,弹簧寿命最低。(5)为研究改善一系钢弹簧疲劳寿命的措施,对实测车轮多边形激励下的一系钢弹簧振动和动应力进行了仿真研究,并对一系钢弹簧的寿命进行了预测。研究发现改变行车速度、进行车轮镟修、降低橡胶垫刚度等手段能有效提高弹簧寿命,而改变一系垂向减振器阻尼对于提高弹簧寿命没有明显的作用。