重载铁路的高运量、大轴重、高密度的运输模式使得轮轨伤损加剧,尤其是固定辙叉不可避免的“有害空间”问题,使得固定辙叉较普通钢轨伤损更加严重,养护维修工作量剧增,但是重载铁路运输的高密度特点使得天窗时间有限,无法对辙叉进行系统的维护。随着重载铁路的快速发展,固定辙叉磨耗机理与车轮与辙叉型面匹配研究是轮轨关系研究领域中的关键问题。本文在参考国内外钢轨磨耗理论与道岔动力学研究资料的基础上,将机车车辆与固定辙叉区轨道视为一个整体大系统,以车辆动力学、道岔动力学、轮轨有限元方法为基础,以岔区轮轨关系为联系纽带,应用仿真的方法来研究机车车辆通过固定辙叉的动力特性、行车的平稳性,对固定辙叉心轨进行磨耗预测,为固定辙叉型面优化和养护维修标准的提出提供理论支撑。主要研究工作如下:(1)建立了机车车辆-固定辙叉系统动力学模型,分析机车车辆通过固定辙叉时的轮轨力、滚动圆半径、摩擦功率以及蠕滑率等的变化规律,由于“有害空间”的存在,当机车车辆车轮从固定辙叉翼轨过渡到心轨的瞬时,轮叉之间具有较大的横向力和垂向力以及摩擦功率,滚动圆半径在过渡位置处产生突变,对心轨产生冲击作用,此处心轨磨耗严重。研究了车轮型面对机车车辆通过固定辙叉的垂向力和平顺性的影响,其与车轮踏面中部和踏面外侧的高度差相关,高度差越大,垂向力越大,过叉平顺性越差。(2)建立了机车车辆与固定辙叉三维弹塑性接触有限元模型,研究车轮与固定辙叉关键截面位置的接触斑、等效应力、接触法向力等的分布情况,分析轴重、牵引力对轮叉间纵向摩擦力、等效应力以及接触状态的影响规律,比较不同横移量时的轮叉接触斑、等效应力、接触法向力和纵向摩擦力等。根据不同型面车轮与固定辙叉关键截面位置的接触状态,总结标准与磨耗机车车辆车轮通过标准与磨耗固定辙叉时的接触轨迹,分析车轮与辙叉型面对过叉接触位置的影响。对比不同速度下动载垂向力与静载轴重作用下的等效应力。(3)基于摩擦功理论提出了新的轮轨摩擦功计算方法,建立了轮轨型面磨耗预测模型并编制相应的数值程序,模型中考虑了机车车辆车轮型面、动载垂向力、轮轨材料非线性属性等对轮轨磨耗的影响,根据有限元计算结果,应用磨耗预测模型对钢轨型面进行预测,将预测型面与实测磨耗型面进行对比,吻合度较高,验证了轮轨型面磨耗预测模型的正确性。(4)建立变截面固定辙叉心轨磨耗预测模型,对距离理论尖端480mm位置心轨进行磨耗预测,分析机车车辆车轮对心轨磨耗的影响,得到固定辙叉心轨最大磨耗深度、磨耗量与列车通过量的关系,比较固定辙叉关键截面心轨最大磨耗深度与磨耗量,分析心轨垂向高度与列车通过量的关系,掌握固定辙叉心轨演化规律。