车辆横向运动稳定性及脱轨研究一直是铁道车辆动力学领域研究的热点及难点问题。近年来,世界高速铁路的快速发展不仅给国计民生带来了巨大的经济效益,同时也对高速列车动力学相关理论的研究提出了新的难题和更高的要求。尤其是随着车速的提高,轮轨相互作用系统间存在的轮轨接触几何非线性和蠕滑力／率非线性特征表现得比低速时更加明显,迫切需要针对高速列车横向运动稳定性和动态脱轨问题进行深入的理论分析。一方面,目前国内外关于高速列车横向运动稳定性的在线监测标准并不完全统一,由于车辆设计理念、结构特性及线路情况等的不同,国外的评价标准并不一定适用于对我国的高速列车动力学性能进行合理评价,因此亟需建立合理完善的高速列车横向运动稳定性评价标准。另一方面,目前我国采用的脱轨系数和轮重减载率评价指标已暴露出了较大的局限性,如何更好地进行高速列车脱轨评价还未形成清晰和全面的认识,因此迫切需要针对高速列车脱轨机理进行深入研究,并提出合理的高速列车脱轨安全性评价方法。鉴于此,本文以轮轨相互作用为核心,针对我国高速列车横向运动稳定性及脱轨安全性研究亟需解决的问题,从理论分析和在线监测相结合的角度,围绕高速列车横向运动稳定性关键影响因素、高速列车横向运动稳定性评价方法、高速列车动态脱轨过程及关键影响因素、高速列车动态脱轨评价方法进行深入研究。开展的研究工作及取得的创新性成果总结如下：(1)从高速列车蛇行失稳及脱轨过程中轮轨相互作用关系所表现出的大蠕滑、大自旋及大接触角等特点出发,建立了针对任意轮轨廓形并能实现轮轨多点接触求解的轮轨三维几何接触算法。设计了能实现快速在线计算的轮轨三维几何接触数值求解模型,并基于此建立了轮轨在单点及多点接触情况下的法向接触力、蠕滑力及蠕滑力矩求解模型。验证及分析表明,本文建立的轮轨三维几何接触求解算法可以准确模拟轮缘和踏面同时与钢轨接触时接触点位置的跳跃及轮轨几何接触参数的非线性陡变特性,适合于进行高速列车横向运动稳定性及脱轨安全性分析,且可以实现轮轨接触点的实时在线计算,方便与动力学方程联合求解。(2)将所建立的轮轨三维几何接触求解算法及轮轨非线性接触力求解方法与整车动力学方程相结合,建立了一套更适用于进行高速列车非线性系统动力学分析的模型,并编制了相应的计算机分析程序。通过与Adams/rail计算结果相比,证明了本文所建高速列车非线性动力学分析模型能够有效模拟车辆在直线轨道运行时的横向运动稳定性,可以较准确地计算出轮对动态横移量及轮轨蠕滑力的非线性变化特征。与Adams/rail软件相比,所设计的高速列车动力学数值计算方法在保证计算精度的同时,在计算速率方面具有较大优势,且提高了计算过程的可控性,在详细捕捉高速列车脱轨全过程特征量及深入分析冲角对脱轨的影响方面具有优势。通过与现场试验结果进行对比,证明了本文所建高速列车非线性动力学分析模型能较好地反映转向架的动力学响应在时域及频域范围内随速度的变化规律。(3)基于本文建立的高速列车非线性动力学分析模型,研究了高速列车非线性系统蛇行运动的极限环分岔特性及其数值计算方法。针对高速列车蛇行运动稳定性关键影响因素,开展了轮轨非线性几何参数与车辆悬挂参数的合理匹配关系研究。给出了轮轨接触几何非线性及车辆悬挂非线性因素对高速列车蛇行临界速度及蛇行运动极限环的影响规律。提出了与轮轨几何非线性参数相匹配的一系纵向定位刚度、抗蛇行减振器节点刚度及阻尼系数值的取值范围。研究表明：高速列车横向运动稳定性对轮轨接触几何非线性关系十分敏感,不同的轮轨几何匹配情况下,轮对等效锥度的非线性特征存在差异,从而导致高速列车蛇行失稳临界速度以及蛇行运动极限环分岔形式的改变。高速列车蛇行临界速度随轮对内侧距的变化规律与车辆定位参数的取值有关。高速列车一系纵向定位刚度的最佳取值范围与轮轨型面的几何匹配关系密切相关。对于LMA型踏面与CHN60型钢轨相匹配的低等效锥度情况,高速列车在相对较低的纵向定位刚度范围内容易获得较高的蛇行临界速度。而对于S1002型踏面与UIC60型钢轨相匹配的高等效锥度情况,纵向定位刚度值较大时,高速列车的横向稳定性较高。(4)从高速列车横向运动稳定性理论分析和在线监测相结合的角度,利用数值计算和实测数据相结合的手段,对比研究了线性稳定性理论分析方法、非线性稳定性理论分析方法和列车在线试验监测方法在评价高速列车横向运动稳定性时的差异。结果表明：当高速列车的蛇行失稳表现为“亚临界”分岔形式时,失稳以后车辆的振动幅值会明显增大,用非线性稳定性理论分析方法计算得到的非线性临界速度与用转向架横向加速度限值等于8m/s2的标准评价得到的失稳速度相差不大；而当高速列车的蛇行失稳表现为“超临界”分岔形式时,失稳初期车辆的振动幅值不是太大,用非线性稳定性理论分析方法计算得到的非线性临界速度远小于用转向架横向加速度限值等于8m/s2的标准评价得到的失稳速度,在这种情况下转向架横向加速度峰值监测法不利于及早发现并预警高速列车失稳的发生。针对高速列车在“超临界”蛇行失稳极限环分岔形式下,转向架横向加速度峰值监测法无法有效监测转向架小振幅蛇行失稳的不足,首次提出了一种基于转向架横向振动能量分布特征的高速列车横向运动稳定性评价方法。对CRH3型高速列车的算例验证表明：新的评价方法可以实现对2种轮轨匹配情况下的高速列车横向运动稳定性进行有效评价,且可实现对“超临界”分岔形式下构架的小幅蛇行振荡进行有效监测。(5)建立了车辆脱轨临界状态的判断方法,研究了车辆动态爬轨脱轨过程中轮对运动姿态及轮轨作用力的变化规律和非线性特征。结果表明：轮轨接触点接近最大轮缘角位置是脱轨过程的关键临界点,轮缘与钢轨接触时,车轮抬升量、轮轨接触角、轮轨接触力及轮对横移速度等均呈现非线性陡增特性,且轮对横移运动极限环出现“耳形”回折。如果轮缘能够突破钢轨的阻碍完全通过最大接触角位置,将很容易在较大的惯性力作用下脱轨。建立了高速车轮与钢轨发生较大的碰撞冲击后的跳轨脱轨分析模型,并分析了影响高速车轮跳轨脱轨的关键因素。结果表明：影响高速车轮跳轨行为的主要因素为轮对横移速度、轮轨摩擦系数和轮轨垂向力。轮对横移速度越大,轮轨摩擦系数和轮轨垂向力越小,车轮的跳轨高度越大,越容易发生跳轨脱轨。从非线性系统动力学的角度研究了影响高速列车动态脱轨过程的关键因素及其影响规律,结果表明：其他参数一定时,踏面磨耗程度越严重以及轮对内侧距越大时,车轮将越早进入轮缘接触区,对应相同轮对横移量情况下,车辆越容易脱轨。随着冲角的增大,轮轨之间的纵向蠕滑力减小而横向蠕滑力增大,横向蠕滑力的值在整个蠕滑力中所占比例越大,车辆越容易脱轨。从车辆脱轨的表现形式及内在力学机理等方面剖析了高速列车的动态脱轨机理。结果表明：高速列车脱轨的本质原因是高速列车系统丧失横向运动稳定性；脱轨的前提条件是轮对横移量增大并超过轮轨游间；脱轨的力学机理是高速列车系统本身的阻尼不足以衰减外界诱因引起的轮对不断增长的振幅并冲破钢轨对轮缘的阻挡而发生脱轨；脱轨的最不利因素为轮对具有足够大的横移速度、大的横向蠕滑力及大的冲角的情况。(6)研究了现有脱轨系数指标在评价高速列车脱轨安全性时的局限性问题,分析了高速列车动态脱轨过程中各主要动力学指标与车轮抬升量的关系。结果表明：轮对横向振动的动能及惯性力越大,车辆横向自激振动的能量越大,脱轨的可能性越大,反映轮对横向振动能量及惯性力大小的轮对横移速度和加速度可以作为限定车轮抬升量的间接指标。针对现有脱轨系数指标在评价高速列车脱轨安全性时的局限性,首次提出基于轮对横移加速度移动均方根值、转向架横向振动加速度和脱轨系数的高速列车动态脱轨安全性综合评价方法,利用仿真计算方法得到了不发生脱轨时的轮对横移加速度移动均方根限值为1.50g。对2组轮轨匹配情况下高速列车的脱轨安全性进行对比分析的结果表明：轮对横移加速度移动均方根值与车轮抬升量的时间变化历程具有很好的同步性。与单个脱轨系数指标相比,本文所提方法可以更准确地监测高速列车的脱轨安全性,从而减小了使用单个脱轨系数指标所引起的误判率,且便于实现在线监测和工程应用。