城市地铁轨道交通的大力建设和快速发展对于缓解城市交通拥堵发挥了越来越大的作用。地铁线路由于地理条件的限制,通常存在较高比例的小半径曲线,其线路条件较复杂和特殊。车辆运行通过小半径曲线时会产生较大的轮对冲角,并且导致较高的轮轨横向力,加剧轮缘和钢轨侧面磨耗。此外,小半径曲线上钢轨更易出现波磨、疲劳裂纹、踏面剥离等损伤病害,因此地铁线路小半径曲线钢轨的运用维护形势最为严峻。车轮和钢轨廓形的匹配是否合理直接影响到轮轨接触几何特性、轮轨接触力学特性的好坏,进而影响车辆的曲线通过动力学性能。因此,改善地铁线路小半径曲线轮轨相互作用的有效手段之一是开展轮轨廓形的优化设计。目前,钢轨打磨是实现钢轨修型的主要方式,对钢轨打磨目标廓形进行科学合理地优化设计可以有效改善地铁线路小半径曲线的轮轨匹配性能。本文结合轮轨接触几何关系算法、钢轨廓形三次NURBS曲线构造方法和非线性约束优化复合形算法建立了一种基于目标滚动圆半径差逆向反求钢轨打磨目标廓形的优化设计数值方法并编制了MATLAB计算程序。针对地铁线路小半径曲线车辆运行通过能力不足、轮轨相互作用剧烈和轮轨磨耗损伤严重等特点,使用建立的优化设计方法对地铁线路小半径曲线标准型60 kg/m钢轨和磨耗后钢轨分别进行了预防性打磨和修复性打磨目标廓形的优化设计。对打磨设计前、后轮轨廓形匹配的轮轨接触几何特性、轮轨接触力学特性、车辆曲线通过动力学性能进行了对比分析。本文所建立的钢轨打磨廓形优化设计方法能够为地铁线路小半径曲线钢轨的预打磨和修复性打磨提供指导,对预防钢轨表面异常磨耗、损伤和延长钢轨的使用寿命等具有重要的工程应用价值。论文的主要工作和结论如下:(1)对国内外轮轨廓形优化设计方法和钢轨打磨技术的研究现状分别进行了介绍、总结和分析。总结了钢轨打磨廓形优化设计的相关理论和方法。在分析和总结国内外研究现状的基础上提出了本论文研究的切入点、思路和技术路线。(2)建立了以车轮滚动圆半径差为优化目标的地铁线路小半径曲线钢轨打磨廓形优化设计方法。基于NURBS非均匀有理B样条曲线(Non-Uniform Rational B-Splines)的几何特性及NURBS曲线插补点计算的De Boor算法,建立了钢轨廓形的三次NURBS曲线构造方法,再在轮轨接触几何关系算法和复合形算法的基础上建立了钢轨打磨廓形优化设计的数值方法和公式化数学模型,并编写了相应的MATLAB优化计算程序。(3)基于SIMPACK多体动力学软件建立某地铁B型车的车辆系统动力学模型,可用于仿真计算地铁线路小半径曲线钢轨打磨廓形优化设计前、后车辆的曲线通过动力学性能,包括脱轨系数、轮重减载率、轮对横移量、轮轨横向力、轮对冲角和磨耗指数等。(4)利用所建立的钢轨打磨廓形优化设计方法对地铁线路小半径曲线标准60kg/m钢轨廓形和实测磨耗钢轨廓形分别进行了预打磨和修复性打磨优化设计。结果表明:标准钢轨的预打磨设计廓形能够改善轮轨接触几何特性、轮轨接触力学特性和提升车辆曲线通过动力学性能,虽然改善和提升的幅度有限,但符合钢轨预打磨方式的预期。磨耗钢轨廓形修复性打磨设计后的轮轨廓形匹配性能和车辆曲线通过能力较打磨设计前得到了明显改善和提升,对延长钢轨的使用寿命、提升小半径曲线段地铁车辆的动力学性能具有重要的意义。