轮轨几何型面匹配关系直接影响铁路车辆的运行性能、运输成本和运行安全,直是国内外铁路工作者的重要研究课题。虽然人们通过对轮轨型面的优化设计取得了非常丰富的成果,但该问题仍未得到很好地解决。随着列车运行速度的提高,轮轨界面动态作用加剧,轮轨磨耗现象变得更为突出。因此,以降低轮轨动态作用力改善轮轨接触状态为目的,结合车辆系统动力学开展轮轨型面优化设计研究,对铁路轮轨损伤综合防治具有重要工程应用价值和理论指导意义。本文发展了铁路车辆车轮型面的两种设计方法,分别是依据钢轨型面的车轮型面设计方法和车轮型面数值优化模型。依据钢轨型面设计车轮型面的设计方法是发展了Leary等人的钢轨型面扩展法,用解析表达式将反映动力学性能的轮对等效锥度与代表轮轨型面共形度的钢轨型面扩展系数联系起来,并将扩展系数视为设计变量,可以设计不同等效锥度、轮轨间隙并能适合不同轨底坡的多种车轮型面。在Shevtsov、Jahed等人的工作基础上,利用3次样条理论提出了数值优化约束条件,并根据轮轨蠕滑理论提出了目标滚动圆半径差曲线的确定方法。在论文第4、5和6章中,根据钢轨型面设计了车轮型面,通过轮轨接触特性分析和车辆动力学计算,分别研究了轮对等效锥度、轮轨名义间隙以及钢轨轨底坡对车辆动力学性能和轮轨作用特性的影响。第7章对一个镟修周期内某高速动车组车轮型面磨耗连续跟踪测量结果进行了详细分析,针对测量结果所发现的问题,结合前面章节研究结果提出了车轮型面设计的新建议。本论文主要结果和结论如下。(1)在轮对等效锥度与车辆动力学性能的关系方面,车辆临界速度并不严格地与轮对等效锥度平方根成反比。而是存在一个临界速度比较高的小锥度区域,等效锥度在该区域的变化不会引起临界速度明显变化。等效锥度大于该区域时车辆临界速度方与等效锥度的平方根成反比。锥度太小将导致轮对恢复对中位置能力不足,在一定的情况下车辆临界速度随等效锥度的减小而迅速降低。磨耗型车轮型面在上述小等效锥度范围内临界速度与锥形型面几乎相同。等效锥度应随轮对横移量的增大而持续增大,在轮缘接触前形成轮对等效锥度较高的过渡平台,可以提高车辆曲线通过性能,有效地减少轮缘接触。(2)关于“轮轨名义间隙”对车辆动力学性能及轮轨接触特性影响方面。通过不同轮轨名义间隙车轮型面的设计分析表明,轮轨名义间隙的减小会导致车辆临界速度明显降低,并在轨道不平顺作用下容易发生轮缘接触。但是,若轮对等效锥度设计适当,仍可获得足够高的临界速度,并减小轮缘接触几率。对于采用较小轮轨间隙的锥形车轮型面,车辆临界速度明显降低,并低于磨耗型车轮型面所对应的临界速度。锥形型面轮对在轨道不平顺作用下发生较大横移量时无法提供足够大的轮径差,故不可避免地发生轮缘接触。因此,轮轨名义间隙对车辆动力学性能和轮轨接触状态影响均很大。(3)关于轨底坡对车辆动力学性能及轮轨作用力的影响方面。轨底坡的变化对锥形车轮轮对等效锥度影响很小,故对车辆临界速度、曲线通过性能、轮轨作用力未构成实质影响。而依据不同轨底坡设计的磨耗型轮对的临界速度有差别,轨底坡越大它们临界速度差异越大,但磨耗型轮对均存在着临界速度较高的小等效锥度工作区域。只是由于设计的磨耗型轮对的等效锥度随着轨底坡的增大而增大,能够兼顾最佳钢轨受力状态的高临界速度等效锥度区域变窄。依据不同轨底坡设计的并具有相同等效锥度的轮对通过曲线性能和轮轨动态作用力无实质差别。因此,轨底坡仅对车辆临界速度有影响。(4)车轮型面磨耗跟踪测量结果分析可知,车轮踏面和轮缘平均累积磨耗深度变化规律基本一致,表明车轮型面异常磨耗现象得到缓解。跟踪测试结果发现,列车的运用模式对车轮型面磨耗影响很重要。分析还表明,在约4万公里的初始运用期间,车轮踏面和轮缘磨耗量均几乎占一个镟修周期总磨耗量的一半。