发展高速机车车辆是实现铁路现代运输和物流的重要体现。从动力学角度讲,一方面,机车蛇行运动稳定性是机车提速的限制因素之一,高速机车在直线线路上需要有较高的蛇行运动稳定性。另一方面,我国铁路既有线中曲线线路占1/3,其中包含大量的小半径曲线。机车车辆为了适应既有线,亦需较好的曲线通过性能。研究表明,一系纵向刚度是影响机车车辆动力学性能的重要结构参数。增加一系纵向刚度可以提高蛇行失稳临界速度；减小一系纵向刚度,可以提高机车车辆曲线通过性能。二者对一系纵向刚度的要求是矛盾的。目前国内外应对该矛盾的技术措施主要有两种,一是采用径向转向架技术,二是采用悬挂控制技术。径向转向架技术改变了传统转向架的结构,而悬挂控制则引入了控制系统。两种思路均有应用实例,并且有的取得了较好的效果,但总体而言径向转向架技术应用更为广泛。本文在参考前人研究成果的基础上,提出一种新的方案,设计一种一系纵向变刚度定位装置,可以使机车车辆一系纵向定位刚度在直线上较大而在曲线上较小,从而在一定程度上缓解直线运动稳定性和曲线通过性能对一系悬挂水平刚度形成的矛盾。本文首先从理论角度出发,通过建立自由单轮对、弹性定位单轮对、转向架的数学模型,用线性动力学方程描述了机车车辆直线和曲线运动,从理论上说明了一系纵向定位刚度对二者的影响。接着设计了一种一系纵向定位变刚度装置,并采用模块化思想,对该装置检测模块、控制模块、作动器模块等主要组件进行了探讨分析。确定选用导向轮对摇头角位移作为输入变量,明确了信号的处理方式,以及两级“刚度-角位移”特性曲线的形状和表达式。最后以某B0-B0轴式的机车为对象,通过动力学软件SIMPACK建立模型,且通过数学软件MATLAB的仿真分析模块SIMULINK建立控制模型,实现动力学软件和控制软件的联合仿真,模拟实验机车,并与原型机车作对比,分析了一系纵向变刚度定位装置对机车动力学性能产生的影响。分析结果表明：(1)实验机车在直线上具有更高的蛇行失稳临界速度,一系纵向定位刚度较大,说明变刚度装置可以提高机车蛇行失稳临界速度,即提高机车直线运动稳定性。(2)实验机车的直线运行平稳性与原型机车相差不大,说明变刚度装置对提升机车直线运行平稳性作用不大。(3)曲线工况,一系纵向定位刚度较小,轮对具有更小的冲角,更接近径向位置。不同曲线半径下实验机车的轮轴横向力、脱轨系数、轮重减载率、轮轨磨耗均小于原型机车。说明变刚度装置可以改善机车曲线通过性能。随着半径增大,变刚度装置的改善效果逐渐减弱。当半径过大,超出调节范围后,变刚度装置改善效果不明显。通过联合仿真,验证了所设计的一系纵向变刚度定位装置对于缓解机车直线运动稳定性和曲线通过性能之间的矛盾是有效的,但是,这种解决方案具有一定的调节范围。本文研究的内容对进一步整体提升机车动力学性能具有一定参考价值。