拥有“世界第一”头衔的中国高铁,却在轨道维修装备方面显得相对薄弱,这严重制约轨道交通进一步发展。轨道维修主要指钢轨更换,目前主干线使用的轨道更换装备主要是传统的换轨车,智能化程度低,机械化程度不高,需要大量的作业人员,且在工作过程容易出现掉道情况,安全性低,因此,传统换轨车整车工作性能较低,不再适用于我国目前的轨道建设。现自动化程度较高的换轨车是中车在2016年开发的纵向换轨车,但该换轨车仅适用于城市换轨,不适合主干线这种长距离、大规格钢轨的更换。基于轨道主干线钢轨更换设备的更新迫在眉睫,本课题结合主干线桁架式换轨车和城市纵向换轨车的结构特点,设计一款适合主干线轨道更换、自动化程度高的换轨机器人。本文主要研究内容如下:(1)换轨机器人总体结构设计。对主干线桁架式换轨车和城市纵向换轨车的结构进行糅合改进,设计一款适合主干线轨道更换的换轨机器人,并给出换轨施工装备方案。(2)机械臂可靠性分析。整理机械臂相关技术性能参数,结合结构力学与刚结构理论对机械臂和机械大臂进行结构强度计算,完成机械臂大臂和机械臂整体的稳定性校核,利用ANSYS软件对机械臂进行静力学分析,并将仿真分析结果与前面理论计算结果进行对比,验证机械臂设计的合理性。(3)换轨机器人脱轨安全性分析。针对换轨机器人脱轨系数具有保守性,轮重减载率作为辅助判别指标却没有同一标准的问题,提出冲角判别换轨机器人脱轨的判别方法,结合脱轨系数与轮重减载率的定义,引入列车准静态脱轨判别准则,建立轮对力矩准静态模型,构建换轨机器人多参数耦合的脱轨判别式,探究不同摩擦系数、不同轮缘角下冲角与脱轨系数的函数关系以及冲角与脱轨判别式的映射关系式,并与桁架式换轨车脱轨工作性能进行对比分析,验证换轨机器人脱轨安全性。