目前我国高速铁路网规模已接近3万公里,超过其他国家高速铁路里程总和。由于高速动车组运行强度高、密度大、行驶速度快的特点,长期处于高负荷运转状态,轮轨之间磨耗损伤也远超普通铁道车辆。因此高速客专线运行的动车组的轮轨磨耗也呈现出一些新的特点,主要表现为踏面凹磨和车轮多边形等异常磨耗,前者影响车辆的横向运行稳定性,而后者则影响车辆垂向振动及部件可靠性。本文以运行于多条客运专线的某型高速动车组为研究对象,针对该型动车组较常发生的转向架构架横向振动失稳报警的现象,从踏面凹磨及其对车辆横向稳定性影响的角度开展了相关研究。轮轨几何匹配关系对车辆运行动力学性能有至关重要影响。实际运用维护中,通常用轮对横移3 mm处的名义等效锥度作为检查指标。但同一个检查值下车辆的动力学性能表现出较大的差异性,因此名义等效锥度仅考虑一个点处的等效锥度值的方式存在局限性,其未考虑凹磨踏面等效锥度复杂的演变过程。本文基于多体系统动力学、轮轨滚动接触、轮轨磨耗理论方法,建立了车辆动力学和踏面磨耗预测模型;结合现场测试的磨耗踏面数据,研究了凹磨踏面等效锥度曲线非线性特、凹磨踏面“假轮缘效应”以及凹磨踏面对车辆稳定性影响;同时开展了凹磨踏面磨耗预测研究。具体内容如下:(1)针对名义等效锥度局限性,采用非线性等效锥度方法对等效锥度曲线的非线性特性进行分析,在名义等效锥度的基础上,将等效锥度曲线斜率和各个点的等效锥度值离散程度都加以考虑,采用“非线性因子”和非线性等效锥度的定量方法表征凹磨踏面非线性特征,为今后凹磨踏面评判提供了一种新的表征方式。(2)基于对一列某型动车组列车在一个镟修周期内的踏面磨耗演变跟踪测量数据,对踏面磨耗深度、凹磨深度、凹磨宽度等数据进行了归纳总结。建立了车辆动力学仿真分析模型,结合获得的凹磨踏面外形参数,分析了凹磨踏面外形参数对轮轨冲击的影响。结果表明:凹磨深度达到一定程度后,轮轨局部几何匹配类似于钢轨与轮缘的接触几何,增加了横向冲击,形成了“假轮缘效应”;凹磨深度较大的轮对对应的轮轨横向冲击较大,凹磨宽度和磨耗深度对轮轨横向冲击影响较小;凹磨踏面的“假轮缘效应”与踏面等效锥度曲线非线性特性有着密切的关系,具有较大非线性等效锥度凹磨踏面对应的“假轮缘效应”明显较强。(3)利用上述模型,进行了不同运行里程凹磨踏面对车辆运行动力学性能的影响分析。当踏面凹磨较为严重情况时,车辆高速运行过程中发生转向架蛇行,频率约7Hz左右,使得构架横向加速度超过标准限制值。此外通过仿真分析发现凹磨踏面主要影响轮轨横向冲击,如脱轨系数、车轴横向力、轮轨横向力等指标。而轮轨垂向作用,如轮轨垂向力、轮重减载率受到影响很小。通过现场试验与仿真分析发现踏面凹磨是造成构架失稳报警主要原因。轮对镟修或者钢轨打磨都能改善轮轨匹配情况,降低构架横向加速度,特别是轮对镟修能够显著降低构架横向加速度。(4)基于Archard磨耗理论在UM软件中建立动车组轮对磨耗预测分析模型,结合拟合的线路条件以及走行部参数,模拟凹磨踏面演化过程,并与实测凹磨踏面磨耗深度进行对比,修正磨耗系数,分析不同走行部参数以及线路条件对踏面凹磨的影响。发现构架参数本身对踏面凹磨影响较小,而线路条件、轨道不平顺激励对踏面凹磨有着显著影响。