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地铁轨道交通以其高效、准时、绿色环保以及占用地面空间少等优势深受人们青睐。由于城市规划建设和发展的限制,地铁线路往往存在着较大比重的小半径曲线。车辆通过小半径曲线时轮对会产生较大的横移量和摇头角,加剧轮缘和轨侧的磨耗,从而导致轮轨使用寿命缩短及运营维护成本提高。合理的轮轨匹配可确保车辆具有足够的运行稳定性和曲线通过性能,还可保证较均匀的轮轨接触点分布和较低的接触应力,避免轮轨界面处的非均匀磨耗与疲劳伤损。因此,开展轮轨型面的优化设计是改善轮轨匹配关系、减缓轮缘和轨侧磨耗的有效手段之一。针对国内某B型地铁车辆严重的轮缘磨耗现象,本文通过现场调研和数值仿真的手段对其原因做出深入分析,基于滚动圆半径差对车轮型面进行了优化设计,并通过数值仿真对新型面加以验证,主要工作和结论如下:(1)对国内外轮缘磨耗和轮轨型面优化设计分别进行了介绍和总结,明确了车轮型面优化对于减缓轮缘磨耗的意义,进而提出本论文研究的切入点、手段和技术路线。(2)对某B型地铁车辆的轮轨磨耗状况进行了现场测试,对车轮轮缘磨耗情况、钢轨轨头磨耗情况和线路轨底坡情况等做了大量调研与分析。发现该地铁列车运行初期出现严重的轮缘磨耗现象,同时伴随着小半径曲线外轨轨距角侧较为明显的轨侧磨耗。(3)基于轮轨静态接触特性、车辆动力学性能和车轮磨耗预测方法对地铁车轮轮缘磨耗的原因做深入分析。研究结果表明:该地铁车辆轮缘磨耗的主要原因是轮轨匹配关系不合理,轮对横移量较大时不能提供足够的滚动圆半径差导致了车辆较差的曲线通过能力,此外线路轨底坡偏大和小半径曲线比重偏大也加剧了轮缘磨耗。(4)结合轮轨接触几何关系算法和复合形优化算法,建立了基于滚动圆半径差逆向求解车轮型面的优化方法,并编写了相应的MATLAB数值计算程序。经数值验证,设计出的优化型面在1/20轨底坡和1/40轨底坡下的轮轨接触几何特性、静态力学性能、直线运行稳定性、曲线通过性能和车轮磨耗演变特性基本都优于原车辆采用的S1002型面,10万公里运行里程下可将轮缘厚度损失量降低约78.9%,有效减缓了轮缘磨耗。