随着地铁车辆提速增重,行车制动或故障滑行产生的热负荷越来越大,由高热应力引发的热损伤问题越来越突出,这不仅降低车轮寿命,增加运营维护成本,而且影响列车运行安全性和平稳性,使乘客出行体验大打折扣。因此有必要深入研究滑动摩擦副的热响应,准确预测摩擦副的温升情况和应力状态,为合理开展轮轨热损伤和热疲劳研究提供参考,为轮轨修复提供技术依据。本文结合地铁车辆实际运营状态,从正常运营和行车故障角度出发,对某地铁车轮热机耦合行为展开研究。具体研究内容如下:首先,基于经典Hertz弹性接触理论推导轮轨接触压力解析解,验证了采用接触单元法计算得到的有限元解。结果表明:无论是横断面还是纵断面,接触压力有限元解和Hertz接触解析解均较为吻合,且采用两种方法计算得到的最大接触压力误差约2.88%。充分考虑热传导、热辐射和热对流三种热传递方式,推导了修正的车轮热机耦合瞬态热传导方程,保留阻尼环、注油孔和轮毂槽等几何特征,选择弹塑性材料本构,建立了精确的车轮热机耦合三维计算模型。然后,基于上述建立的轮轴三维弹塑性热机耦合计算模型,采用顺序耦合法模拟踏面制动条件下的车轮热响应,得到了车轮温升和热应力随制动过程的变化曲线,分析了热机耦合作用下车轮的应力状态,并进行静强度和疲劳强度评定,讨论了不同轴重、制动减速度及踏面频繁制动对车轮温升的影响。结果表明:车轮踏面最高温升出现在实际制动时间一半左右,且随着制动过程的进行先增大后减小;热应力变化曲线和温升曲线基本一致,热应力随着制动过程的进行先增大后减小;热机耦合作用下车轮辐板主要受压应力,且过盈量对第一主应力影响较大,车轮静强度和疲劳强度均满足要求;车轮踏面最高温升随着轴重的增加成比例增大,不同轴重下最高温升同时出现,制动减速度对踏面温升的影响无明显规律;地铁全线运行时,存在热量累积效应,踏面温升随着制动次数的增加而增大,且紧急制动较电、空混合制动对踏面温升影响显著。最后,基于轮轨三维弹塑性滑动接触热机耦合计算模型,采用直接耦合法模拟纯滑动接触状态下的轮轨热响应,对比分析了二维、三维有限元模型的温升差异,研究了典型工况下轮轨温度场和应力场分布特性,讨论了滑动速度、轴重、环境温度、温度相关参数及材料本构模型对轮轨温度场的影响。结果表明:使用二维模型得到的温升更大,进入稳态所需时间更长;车轮表层温度场近似呈椭球形分布,车轮最高温度出现在接触斑后半部分中心处,钢轨表面最高温度略低于车轮,轮轨热影响层均很薄;车轮表层应力场近似呈马蹄形分布,轮轨最大等效应力均出现在次表层接触斑中心处,且表层应力值相对次表层要小得多,钢轨最大等效应力略高于车轮;轮轨温升随着滑动速度、轴重的增加而增大,且滑动速度对轮轨温升影响显著,是否考虑轮轨间热传导对轮轨温升影响很大,考虑塑性变形和热参数随温度变化时轮轨温升均有所下降。