车轮多边形磨耗一直是铁路轮轨关系研究中的难点问题。近年来我国高速列车、普速铁路和地铁均出现车轮多边形问题,使得车轮多边形成为研究热点。车轮多边形磨耗的形成机理非常复杂,不同车型车轮多边形磨耗形成机理不一样;相同车型在不同线路运行时表现出的车轮多边形特征不一样;不同学者对相同车型车轮多边形磨耗形成机理认识不同。车轮多边形会显著增大机车车辆的振动和噪声,影响机车车辆的运行安全和运行品质,而且车轮多边形引起的异常振动对机车车辆和轨道结构部件的疲劳寿命极为不利。因此,开展车轮多边形磨耗形成机理研究具有很强的理论意义和工程应用价值。本文主要针对我国和谐型电力机车车轮多边形磨耗现象,开展了以下几方面的研究工作:(1)首先对国内外车轮多边形磨耗和车轮磨耗预测的研究现状进行了详细论述,明确了车轮多边形磨耗研究的意义和研究方向。(2)系统地调查了我国主流电力机车车轮不圆度状态和特征。通过机车线路振动试验和关键部件模态分析,揭示了某型大功率交流传动货运电力机车车轮多边形形成机理及关键影响因素,并提出了相应的控制措施。探明了不落轮镟修对车轮多边形形成和发展的影响,提出了车轮镟修方式改进措施。对原轮对进行了改进设计,以期达到减缓或抑制车轮多边形形成和发展的作用,通过轮对动态响应特性研究对此进行了初步理论验证。结果表明:轮对结构共振是车轮多边形磨耗形成的内在因素,不合理的车轮镟修对车轮多边形磨耗的形成和发展起到至关重要的作用;通过增厚车轮辐板改变轮对动力特性和改变车轮镟修定位方式来改善车轮镟修效果均能有效抑制或减缓车轮多边形磨耗的形成和发展。(3)将轮轨接触模型作为后处理模块,详细对比研究了不同轮轨接触建模对法向和切向接触计算精度的影响,并且研究了轮轨接触建模对车轮磨耗预测精度和计算效率的影响,为车轮磨耗预测模型中接触算法的选取提供了理论支撑。结果表明:在车轮磨耗预测中采用Hertz理论进行轮轨接触计算是一个较好的选择,它具有非常高的计算效率,同时计算精度也较高。(4)建立了较为完整的机车车轮踏面磨耗预测模型,模型中包含机车-轨道耦合动力学模型、考虑轮轨大蠕滑特性的滚动接触理论模型、蠕滑控制模型、车轮材料摩擦磨损计算模型和车轮磨耗平滑与更新策略,并发展了相应的数值程序。通过商业软件和现场试验对磨耗预测模型中机车-轨道耦合动力学模型进行了验证。该模型是目前国内外较为完整的车轮磨耗计算模型,突破了以往将轮轨局部接触和磨耗计算作为后处理的做法,实现了车轮磨耗在线仿真。此外,该模型能够分析机车车轮在牵引/制动、大蠕滑条件下和复杂轮轨界面环境下的磨耗行为。利用车轮磨耗预测模型研究了轨道结构柔性、车轮型面更新策略、牵引/制动控制和复杂轮轨界面环境等对车轮磨耗的影响。结果表明:轨道结构柔性、牵引/制动和蠕滑控制对机车车轮磨耗有不可忽视的影响,必须在车轮磨耗预测中予以考虑;采用与速度相关的蠕滑控制既能保证牵引力的发挥又能有效降低车轮磨耗。(5)在机车车轮踏面磨耗预测模型的基础上,进一步建立了车轮多边形磨耗预测模型。模型中对机车子系统模型进行了更为详细地建模,考虑了轮对的柔性和旋转效应以及构架柔性,发展了相应的数值程序。动力学模型中能够考虑机车-轨道高频动态相互作用,使得研究车轮高阶多边形磨耗成为可能。该模型是目前国内外较为完整的车轮多边形磨耗计算模型,能够详细地考虑轨道和转向架结构柔性、牵引/制动控制等对车轮多边形形成和发展的影响。为了提高磨耗预测的计算效率,发展了相应的并行算法。通过现场测试数据对动力学模型和车轮多边形磨耗预测模型进行了验证,仿真结果与实测结果吻合较好。利用该模型研究了车轮局部缺陷、线路坡度(即机车牵引)和轮对结构形式等对车轮多边形形成和发展的影响,揭示了车轮局部缺陷引起车轮多边形的形成机制。结果表明:车轮出现擦伤后如未及时处理,车轮扁疤深度将会逐渐加深,并且容易导致车轮形成多边形磨损,波长小于等于0.25 m的扁疤更容易引起高阶车轮多边形;线路坡道(或机车牵引/制动力)对车轮多边形的发展影响较大,当坡度大于等于7.5‰时车轮多边形发展迅速;改变轮对结构能显著影响车轮多边形的形成和发展。