小半径曲线是铁路线路的薄弱环节之一,机车车辆在小半径曲线上运行时,由于轮轨动力作用增加,轮轨磨耗严重,同时增加了安全风险。国内外相关研究主要针对货车运行线路开展,对于动车组通过小半径曲线的运行安全性及钢轨磨耗问题,尚缺乏系统深入研究,也未建立相应的完整研究手段。针对这一问题,本文系统开展小半径曲线线路参数和轨道结构特性对动车组运行安全性及钢轨磨耗的影响规律研究。主要研究工作如下:(1)利用多体动力学建模方法建立了不同型号动车组车辆和考虑车钩、缓冲器的8辆编组动车组列车-曲线轨道耦合系统三维动力学模型。针对车线耦合动力学仿真模型参数校准这一难题,设计并开展了现场试验,系统的校准和验证了仿真分析模型的准确性和可靠性。(2)系统开展了动车组通过小半径曲线研究性试验,全面分析了小半径曲线车辆和轨道动力特性,发现了动车组导向轮、从动轮、曲线外侧车轮、内侧车轮的动力学特性及差异,以及各个车轮作用下的轨道结构动力学响应,得到了动车组进出站加减速特性以及曲线不同断面条件下车辆、轨道动力性能的变化规律。(3)全面系统研究了小半径曲线动车组运行安全性的影响因素,获取了轨道不平顺、行车速度、曲线半径、超高设置、轨距加宽、轨底坡、钢轨类型、轮轨摩擦系数、夹直线长度、道岔类型、岔后曲线方向、超高顺坡率、曲线正矢偏差等对运行安全性的影响规律。研究发现,动车组通过小半径曲线的安全性控制指标主要为脱轨系数,主要影响因素包括曲线半径、高低不平顺、轮轨摩擦系数和轮轨型面匹配。提出了包括曲线容许速度限值、轨距加宽设置、S形曲线超高设置、道岔选型、轨侧摩擦系数控制等提高小半径曲线运行安全性的策略建议。(4)对小半径曲线动车组脱轨实例进行了反演分析,提出了动车组脱轨机理,即轨道高低偏差超限与正矢偏差超限的联合作用,以及新轮与磨耗轨匹配、动车组编组中5车所处不利位置的客观存在,是引发脱轨动车所5车脱轨的根本原因。(5)获取了小半径曲线钢轨磨耗的分布与发展规律;基于正交试验方差分析,发现了影响小半径曲线钢轨磨耗的主要因素,即轮轨摩擦系数、轨道不平顺、曲线半径和车辆运行速度;全面系统研究了各因素对小半径曲线钢轨磨耗的影响规律;创新性地提出了基于轮轨摩擦系数、轨向不平顺、运行速度以及曲线半径的多变量磨耗指数计算公式。