近年以来,车轮多边形磨耗已成为轮轨关系领域研究的难点问题,随着高速铁路的迅速发展,列车的运行速度和轴重不断提高,目前车轮多边形问题在高速铁路动车组中普遍存在。车轮多边形化不仅会造成轮轨之间的作用力增大,严重的冲击振动还会缩短轨道—车辆部件的使用寿命,影响列车的运行品质、安全和运营成本。本文采用有限元仿真的方法,围绕高速情形下车轮多边形磨耗对钢轨振动响应的影响,提出了一种基于压电加速度传感的车轮多边形状态轨旁检测方法,并对所设计压电加速度传感器的动态特性和检测方法的可行性进行了仿真验证,可为实际工程应用提供理论指导。主要的研究工作包括:(1)利用有限元分析软件ANSYS建立了高速铁路无砟轨道有限元模型,通过动力学仿真软件Universal Mechanism(UM)建立车辆轨道耦合系统动力学仿真模型求解车轮多边形作用下的轮轨作用力,并将轮轨垂向力谐波荷载激励以数组形式输入到轨道结构有限元模型中,分析高速时车轮多边形作用下的钢轨振动响应特征,确定压电加速度传感器的测点位置,为基于压电加速度传感的车轮多边形状态轨旁检测方法传感器布设方案提供理论指导。(2)根据压电元件中不同材料和结构类型的适用条件,设计用于钢轨振动加速度测量的新型压电加速度传感器;建立压电加速度传感器有限元仿真模型,分析传感器结构参数变化如质量块的质量和压电元件的厚度等,对压电加速度传感性能的影响,对压电加速度传感器进行结构优化设计,以满足车轮多边形状态检测要求。(3)建立压电加速度传感器与轨道结构的耦合模型,建立车轮多边形磨耗深度、谐波阶数和运行速度与压电加速度传感器输出电压的关系模型,验证基于压电加速度传感的车轮多边形状态轨旁检测方法的可行性和合理性,为后续现场实验提供理论指导。