高速铁路、重载铁路及城市地铁等现代轨道交通制式的迅猛发展,导致了线路养护需求逐年攀升、作业时间日趋紧张,不断推动着钢轨打磨装备和技术向高效化、智能化及多样化发展。随着近年来砂带制备工艺和磨料性能的进步与创新,一种基于砂带磨削的新型钢轨打磨技术——钢轨砂带打磨技术,凭借其弹性磨削、冷态磨削、高效磨削等特点应时而生,于实际工程中也得到了应用。然而,尚不健全的基础理论体系难以支撑打磨装备设计、工艺参数选取、打磨模式制定等关键技术的研发,极大阻碍了钢轨砂带打磨技术的发展与推广。因此,本文围绕砂带磨削的物理本质基础——接触轮、砂带和工件三者间的复杂接触行为,开展面向钢轨砂带打磨的材料去除机理及表面完整性研究。首先,依据接触轮、钢轨和砂带弹性模量间的显著差异,将接触部件间的三维接触问题转化为外包弹性圆环的刚性圆与刚性平面的二维接触问题,建立了内凹及平型接触轮与理想圆柱轨面的接触模型,发现接触斑形态受接触轮同钢轨的曲率匹配关系和接触压力影响,分为椭圆形、双三角形和马鞍形;在此基础上,针对接触轮打磨位姿任意和轨面曲率骤变的接触情况,通过数值方法实现了接触边界及其接触应力的求解;通过有限元仿真和接触实验对上述模型的有效性与准确性进行了验证分析。随后,针对砂带磨粒形状和分布位置随机性,视磨粒出刃为球顶圆锥状,统计分析了砂带表面出刃特征,获取了出刃高度分布的概率密度函数;与单磨粒切削受力方程相结合,推导了局部接触应力与磨粒最大切深的数学关系;基于所提出的宏观接触模型,由力平衡方程建立了材料去除模型;利用钢轨砂带打磨实验台对模型进行了验证,结果表明平均打磨深度百分误差小于10%,而打磨深度随接触压力增加呈斜率递减的非线性增长,随砂带速度增加呈线性增长,随列车速度增加呈反比例降低趋势。接着,运用二维数字滤波技术实现了砂带表面形貌的模拟;运用离散化方法将整体打磨过程转化为受压不同的局部平面磨削过程,计算了不同时刻局部砂带磨粒的整体切深,进而提取了有效磨粒在打磨方向投影集的下包络线,实现了基于成形机理的钢轨砂带打磨轨面粗糙度轮廓仿真,获取了二维粗糙度值;仿真与实验结果表明,接触压力对粗糙度Ra和Rsm有显著的正相关影响,而砂带速度和列车速度的影响并不明显,通过打磨实验验证了上述规律和仿真方法的有效性。最后,基于打磨实验研究了打磨工艺参数对轨面残余应力的影响,发现残余应力在磨削方向呈拉应力,在另一正交方向主要呈压应力;建立了三维热力耦合磨粒划擦有限元仿真模型,揭示了接触面摩擦、磨粒球顶半径、磨粒切入深度、磨粒切削速度以及磨粒切削前角对轨面表层残余应力分布的影响规律;进一步探究了磨削过程中残余应力的形成机制,开展了前后相邻磨粒、左右相邻磨粒划擦的残余应力有限元仿真,得到了先行磨粒残余应力场受后续磨粒划擦行为的影响规律。