重载铁路为满足运能稳定增长的需求,仍要继续提高车辆轴重,增大运输密度。然而在提高铁路运能的同时,轮轨磨耗问题也越益严重,曲线钢轨的磨耗尤为突出。钢轨廓形的非对称优化设计作为减缓曲线钢轨磨耗,延长其使用寿命的有效措施,有必要作更深入的研究。本文的主要研究工作和成果如下:(1)建立钢轨磨耗数值仿真预测模型基于传统单节车辆模型,未能考虑车辆间力的传递作用,建立列车-轨道耦合动力学模型,并将两种模型对钢轨的磨耗影响作对比分析,论证了选用列车模型的必要性,根据曲线轮轨接触特性,对多点Kik-Piotrowski(KP)接触力学模型与CONTACT数值计算理论计算的法向力和切向力进行对比分析,验证了该理论的可靠高效性,为钢轨磨耗仿真预测奠定理论基础。(2)钢轨廓形优化的要素分析根据重载铁路小半径曲线严重的磨耗问题,选择特定线形的曲线进行钢轨廓形的非对称优化;提出设计磨耗周期的概念;同时选择金属损失速率对优化后廓形的减磨效果进行评价;对钢轨磨耗量的计算方法以及影响因素进行了研究,得到不同的车轮廓形和不同的速度对钢轨磨耗量的大小及分布、金属损失速率都有不同的影响。(3)提出一种新的内外轨廓形优化方案,并建立钢轨廓形优化模型采用不同的内外轨优化方案进行廓形优化设计,提出基于圆弧参数的钢轨廓形设计变量,运用拉丁超立方抽样得到内外轨廓形样本;以圆弧参数为自变量,金属损失速率为因变量,在一定的约束条件下,运用BP神经网络建立钢轨廓形的非线性数值优化模型,并计算优化模型的拟合优度达到0.98。(4)运用遗传算法求解钢轨廓形优化模型,并进行磨耗和动力学性能分析运用遗传算法求解钢轨廓形优化模型,得到使曲线外轨金属损失速率达到最小的优化廓形的解集;通过对标准75 kg/m优化后的内外轨组合廓形进行仿真计算验证,解集中最优的内外轨组合廓形opt1对应的外轨金属损失速率比标准75 kg/m的内外轨廓形对应的小17.3%,达到了减缓曲线外轨磨耗,延长使用寿命的目的;在设计磨耗周期内,标准廓形的外轨沿x轴的磨耗量均大于优化廓形opt1的外轨,且优化廓形opt1的外轨沿x轴基本是均匀磨耗,而标准廓形在横坐标为20~30 mm的区间上,磨耗比较集中,这样在钢轨磨耗达到限度时,优化后的钢轨廓形对应的累计通过总轴重会比标准廓形的大;优化后的钢轨廓形在列车运行下的安全性和稳定性满足要求。