近几年的铁路大提速、客运专线及京沪高速铁路的修建标志着我国铁路将全面进入高速时代。作为高速铁路的关键设备,高速道岔最高过岔速度达到了350 km/h。为确保高速列车运行的平稳、舒适和安全,高速道岔国产化研究中的设计、制造及养护维修等一系列问题急待解决。本文就高速道岔设计及使用阶段的关键技术难点:可动尖轨与心轨的牵引转换及控制进行了全面系统的研究,包括力学模型、计算方法和程序等,并应用于我国高速道岔结构设计分析中,为客运专线18号、42号道岔转换设计提供了理论基础。此外,本文还分析了转换不平顺对道岔动力性能的影响。本文的主要工作如下:(1)在全面总结和分析国内外高速道岔的技术特点、牵引转换及道岔动力学研究现状的基础上,针对高速道岔长大尖轨与心轨转换控制问题,提出了以整组道岔为研究对象,以有限元方法为基础,以减小牵引点扳动力、不足位移及道岔动力性能为目标的研究思路。(2)通过分析尖轨与心轨特殊结构型式,提出了采用非线性回归分析法对尖轨与心轨截面特性进行二次多项式拟合,解决了尖轨、心轨截面非常复杂、梁面积及惯性矩不是线性变化带来的建模和计算问题,实现了用截面非线性变化梁单元来模拟尖轨及心轨,并建立了相应的梁单元刚度矩阵,为更准确模拟尖轨与心轨的转换提供了基础。(3)考虑道岔系统结构特点、受力特性和牵引转换机理建立了道岔转换分析模型,对转换中扣件、滑床板摩擦力、顶铁及密贴作用等因素进行了模拟,并编制了转换仿真程序,实现了道岔尖轨与心轨转换过程的动态仿真,并对转换仿真程序进行了验证。(4)将转换仿真程序应用于客运专线18号道岔和42号道岔尖轨转换初步设计中,对牵引点布置、牵引动程、转换时间差等因素对尖轨扳动力及不足位移的影响进行了计算分析,并对牵引方案进行了优化,为设计和试验提出了合理的建议及结构参数。(5)将转换仿真程序应用客运专线18号道岔单肢弹性可弯心轨和42号道岔双肢弹性可弯心轨转换初步设计中,对心轨结构型式、可动段长度、扣件扣压状态、牵引动程、转换时间差、夹异物等因素的影响进行了计算分析,并通过试验反馈和理论计算进一步优化了转换设计,得到了合理的转换方案。(6)总结分析了一机多点的牵引方式和工作原理,建立了一机多点牵引时转辙机电动力的计算方法,以法国Cogifer 18、41号高速道岔为例进行了转换仿真计算,对高速道岔一机多点和多机多点两种牵引方式进行了系统的比较,并提出了合理建议。(7)考虑轮轨接触特性及道岔结构中的线性、非线性因素,建立车辆—道岔耦合动力学计算模型,对理想状态和存在不足位移或夹异物情形下列车直、侧逆向过岔时动力响应进行了模拟分析,对轮缘力、车体加速度、减载率、脱轨系数等指标进行了比较。本文建立的高速道岔尖轨与心轨转换控制分析理论体系是比较完善的,计算模型、方法和程序正确的,仿真程序分析的结果是可信的,客运专线18号道岔和42号道岔研制成功并正式生产表明本文的工作对高速道岔结构设计具有重要的指导意义。