随着重载铁路技术在我国运用越来越广,兼具时效性与载运量的重载货车有效缓解国内铁路货运供需矛盾。重载铁路在运营过程中会难以避免的产生大量钢轨轨头严重磨损的过度磨耗钢轨,影响正常的轮轨关系,甚至会引起列车脱轨等严重安全事故。应对钢轨异常磨耗现象,对钢轨进行打磨廓形维护可以有效解决钢轨病害、延长钢轨的生命周期。针对过度磨耗钢轨进行打磨维护需要基于现场的测量情况进行打磨廓形设计,但现有的廓形设计方法多是以钢轨标准廓形为基础进行优化,难以适用于磨耗钢轨,亟需寻找针对过度磨耗钢轨延长钢轨使用寿命的打磨廓形设计方法。本文针对重载线路过度磨耗的外侧钢轨,提出一种以圆弧切点为表征的钢轨打磨廓形设计方法,集成遗传退火算法进行求解,获得优化钢轨廓形。研究成果如下:1、介绍了轮轨接触几何、接触力学参数以及车辆系统动力学求解方法,建立轮轨静态接触模型、钢轨磨耗模型、车辆-轨道系统动力学模型,并对动力学模型进行验证,为钢轨廓形优化设计建立了理论基础。2、为了得到代表重载线路曲线区段的钢轨廓形,采用最小二乘距离法、算术平均法、加权平均法和散点重构法得出四种钢轨代表廓形,并使用Pearson相关系数、Kendall秩相关系数和Spearman秩相关系数得出四种算法的钢轨代表廓形与实测廓形接触点概率分布曲线的相关性,取相关性最高的代表廓形代替。3、分析国内外钢轨构成元素,提出以圆弧切点为表征的钢轨廓形设计方法,集成模拟退火算法作为寻优方法,以降低钢轨预测磨耗量及钢轨打磨切削去除量为优化目标,以边界范围、廓形曲线凹凸性、脱轨系数、轮轨横向力作为约束条件。廓形优化结果表明,Ropt优化廓形位于Rwear磨耗廓形曲线的下方,可通过有限次的打磨实现,Ropt优化廓形的金属切削量是Rreal-gri实际打磨廓形是的0.35倍,金属切削量显著减少。对Ropt优化廓形和Rreal-gri实际打磨廓形进行轮轨静态接触、动力学和有限元分析。Ropt廓形具有更佳的轮轨匹配接触,更合理的等效锥度曲线,在重车工况下轮轨横向力、轮重减载有所降低;在空车工况下轮轨横向力则显著下降,轮重减载率略微下降,而车体横向、垂向振动加速度、轮轨垂向力、轮对横移量相差较小。综合重车与空车工况,Ropt廓形动力学性能未明显降低,具备更佳的轮轨静态匹配性能,预测磨耗量略微增加,但金属切削量显著下降,能有效延长钢轨生命周期。