高速道岔是保证列车运营的安全性、平稳性的关键铁路设备。由于我国高速铁路工程建设规模大、速度快,对道岔疲劳裂纹的研究存在不足,造成早期开通的高铁线路的高速道岔开始集中出现直尖轨纵向裂纹,加剧了车辆与道岔相互作用,缩短了钢轨件的使用寿命,增大了养护维修投入。因此本文通过轮轨应力分析、疲劳裂纹萌生和疲劳裂纹扩展三部分进行了系统研究,揭示直尖轨纵向水平疲劳裂纹的产生机理,并分析了直尖轨疲劳裂纹萌生和扩展的影响因素,最后提出优化设计方案。主要工作和结论如下:1.基于静力分析理论,系统研究了直尖轨在多种工况下的力学性能,从应力应变角度揭示疲劳裂纹产生机理。本文将使用现场实测得到的廓形数据来建立有限元分析模型,采用线性减缩积分来进行静力性能分析,材料本构关系采用理想线性强化弹塑性模型。研究表明,相比于原始设计廓形,道岔直尖轨工作边圆弧过度打磨后,现场实测无疲劳裂纹及现场实测有疲劳裂纹的直尖轨与车轮接触点向非工作边方向移动,接触斑的接触应力幅值明显增加,直尖轨内部应力、塑性应力及剪切应力幅值均有所增大。得出直尖轨非工作边轨顶面下2～10mm范围内等效应力和水平剪切应力的增大是导致了直尖轨纵向水平裂纹的萌生和扩展的结论。2.基于疲劳分析理论,研究了钢轨热处理材料在列车循环荷载作用下的疲劳性能,对疲劳寿命进行了预测。疲劳分析模型主要采用局部应力-应变法进行分析,采用Brown Miller准则进行判断,并采用平均应力公式进行修正,采用Medians(steels)疲劳参数估计方法,采用Miner线性累积损伤理论来分析直尖轨纵向疲劳裂纹萌生影响因素。研究表明,随着热处理材料的直尖轨断面宽度增加,疲劳寿命呈先下降再升高的趋势;相比于原始设计廓形,道岔直尖轨工作边圆弧过度打磨后,裂纹的萌生寿命有所降低,故道岔区应尽量避免过度打磨。此外,对于现场伤损较为严重的尖轨建议更换U75V热处理钢轨。3.基于断裂力学理论,研究了直尖轨在列车循环荷载作用下的疲劳裂纹扩展,对疲劳裂纹扩展周期与裂纹深度的关系进行了研究。断裂分析模型主要采用Pairs公式,读取应力分析结果计算所有裂纹前缘节点的应力强度因子进行直尖轨纵向疲劳裂纹扩展影响因素分析。研究表明在疲劳裂纹扩展分析的过程中,初始裂纹的角度、长度、位置的选取都会影响到裂纹扩展速率。非工作边水平裂纹呈现I-II型复合裂纹,当尖轨顶宽较小时,导致最大接触应力集中分布于非工作边侧,使得直尖轨非工作边侧产生疲劳裂纹的可能性增大。因此在日常工务探伤中,需要注意直尖轨小断面非工作边的表面裂纹。4.基于直尖轨疲劳裂纹萌生和扩展的影响因素分析,提出了不同的优化控制措施,研究了不同方案的可行性和整治效果。通过减少轮轨接触面摩擦系数的整治措施,可以有效的降低直尖轨疲劳裂纹的发展。通过适当调整轮轨相对降低值的方式来延迟轮轨接触斑出现位置,尽量让直尖轨大断面承压受力,可以减少裂纹扩展速率。对于设计断面推荐采用非工作边倒R=5mm圆弧方案,有利于预防尖轨非工作边的裂纹产生;对于现场无伤及有伤断面,推荐采用尖轨廓形打磨方案对尖轨进行修复;对于现场伤损较为严重的尖轨建议进行下道,避免病害进一步恶化危及行车安全根据轮轨接触应力分析结果。图187幅,表33个,参考文献80篇。