近年来,随着我国城市轨道交通大规模的修建和运营,车轮磨耗问题越发突出,影响了列车运行的安全性和乘客乘坐舒适性,车轮的快速磨耗导致的车轮更换与镟修也带来了巨大的经济损失。因此,为了缓解轮轨磨耗问题,针对现有的轮轨系统结构和运行环境,对地铁车轮型面进行优化,本文采用三次NURBS曲线构造车轮型面几何特征,设计低磨耗车轮型面优化设计模型,与车辆动力学模型进行集成,联合优化粒子群算法对车轮型面优化模型进行多次迭代求解,获得优化的车轮型面。之后将优化后型面与标准型面进行动力学性能及磨耗对比验证。研究结果表明:(1)通过对标准车轮型面LM和优化设计型面LM-OPTI与CHN60轨进行轮轨静态接触分析可知,相对LM型面来说,LM-OPTI型面在轮缘与轨侧处有较少的接触,这一改变对减少轮缘磨耗和轨道侧磨有利;LM-OPTI/CHN60匹配相对LM/CHN60匹配情况下,等效锥度、滚动圆半径差、接触角差及接触点半径均有减少。(2)对LM和LM-OPTI车轮型面与新轨和实测磨耗后轨道进行动力学计算,通过对比分析两种型面在新轨和磨耗轨匹配工况下不同曲线半径和不同运行速度下的车辆运行稳定性、运行平稳性、曲线通过安全性参数。分析出优化型面较标准型面在车辆运行稳定性和运行平稳性方面有一定的优化比例;在曲线通过安全性方面轮轨横向力与脱轨系数有较大的优化比例;轮轨垂向力与轮重减载率两型面性能相差不大;且所有指标均符合我国现行标准。在速度为50km/h时,车轮与磨耗轨匹配轮轨横向力最大值有最大优化比例,为28.31%。(3)通过对多曲线与直线相结合的线路进行仿真计算。仿真分析得出优化车轮型面相对于标准车轮型面,动力学数值均有不同程度的降低。其中,构架横向振动加速度有效值优化比例最大,为20.97%;轮轨垂向力有效值优化比例最小,为0.71%。(4)对LM车轮型面与LM-OPTI车轮型面分别与新轨和磨耗轨匹配情况下进行十万公里的磨耗预测分析,可以得出,优化型面较标准型面轮缘磨耗量有大幅度减小,踏面磨耗有所增加,综合来看,优化车轮型面磨耗量小于标准型面磨耗量。(5)通过对两型面车轮有限元分析可得,LM-OPTI车轮型面轮缘处应力低于LM标准车轮型面,且都没有超过车轮材料的弹性极限。通过对轮轨接触分析可得,在横移量由0mm-5mm变化过程中,LM型面车轮出现两点接触,LM-OPTI型面无两点接触。