轮轨匹配等效锥度是评价轮轨几何关系的关键参数之一,可以直接反映轮轨几何接触特性和动力学性能。车轮型面磨耗特征和车轮型面镟修策略也是车轮运用经济性的关键决定因素。为评估中国高速铁路的轮轨关系和动车组运行稳定性,对中国骨干线路的服役动车组进行了跟踪测试研究。结果发现,中国高速铁路轮轨关系总体良好,但部分服役动车组也出现了轮轨几何匹配关系不良,构架失稳报警和车体低频晃动等问题,影响了高速铁路运行安全性与舒适性。为研究这些异常振动问题的产生机理,制定对应措施,论文开展了四项研究工作:(1)轮轨等效锥度计算方法研究。中国高速动车组共有5种服役车轮型面(其中一种正在运用考核),3种钢轨廓形,轮轨匹配关系多样;国内外关于轮轨等效锥度的计算方法多达10种,有必要统一轮轨等效锥度的计算方法,作为我国高铁研究轮轨几何关系的基础。论文通过对比国内外的等效锥度算法原理和计算结果稳定性,结合中国轮轨关系的应用现状,确定了波长等效法作为等效锥度国内高速轮轨关系的基础算法。论文推导了波长等效法计算公式,编制了执行程序和算法,并以LMA和LMB的匹配计算结果进行了误差校量,首次制定了中国等效锥度的计算方法标准,目前该标准已作为铁道行业标准正式颁布实施。(2)基于动车组低频异常振动的轮轨等效锥度值研究。针对部分服役高铁构架失稳报警问题,论文开展了试验研究,将报警车轮制作成测力轮对,成功测试得到了报警时的轮轨作用力数据,抽取了报警时的轮轨作用力特征;跟踪相同运行交路动车组的轮轨型面匹配数据,实证了轮轨接触等效锥度过大是构架报警的主要原因。通过统计分析和跟踪测试得到了轮轨实际型面匹配的等效锥度区间;通过分析振动性能与等效锥度的相关关系,提出了车轮的服役等效锥度限值。针对新镟修动车组晃动问题,通过理论分析、镟修轮轨几何匹配特征统计和现场验证等手段提出了镟修等效锥度限值,减少了因镟修引起的晃车问题,同时为评价车轮镟修质量提供了参考。论文利用实测的轮轨匹配外形,抽取得到了不同磨耗状态下的轮轨等效锥度曲线几何特征,利用整车模型仿真研究了不同等效锥度曲线下的横向稳定性和平稳性特征,从而提出了非线性因子,修正名义等效锥度,最终得到了非线性等效锥度指标。该指标能够反映1mm-6mm内的等效锥度曲线非线性等征,能更贴切反映磨耗条件下的轮轨接触关系。路局依据车轮等效锥度对车轮实施状态修后,动车组低频振动现象大幅度减少。(3)车轮型面优化设计。LMB踏面(曾用名S1002CN或S1002G)是针对CRH3型动车组设计的车轮型面,运用过程中出现线路适应性不强,在镟修周期末期的等效锥度偏大易激起构架的大幅蛇行运动。论文统计不同磨耗状态下的LMB车轮型面,抽取服役过程中的型面几何特征,确定优化区域;采用非均匀B样条表达型面,采用遗传算法优化了轮轨根部和轮轨接触区域外形,优化时按照等效锥度与车辆稳定性为目标:滚动圆处初始等效锥度0.10～0.12之间(±3mm),轮缘厚度为32mm,车轮镟修周期不小于LMB踏面(25万公里以上)。优化结果显示:新设计踏面应能够继承LMB踏面的动力学安全性,在轮对横移6～10mm后能够产生较大轮径差,确保曲线通过性能及车辆稳定性;新设计的踏面外形运行稳定性和平稳性满足相关要求,且动力学性能优于LMB踏面。(4)研究车轮镟修策略,设计了新型系列薄轮缘外形,解决镟修后车体失稳问题。京津城际运营的部分动车组车轮镟修后,部分动车组出现车体失稳问题,通过跟踪测试得到了车轮车体失稳时的轮轨几何匹配关系和振动特征。通过理论分析和试验验证确定了镟修后轮轨等效锥度偏低是车体失稳的主要原因;最后通过仿真计算、镟修验证和线路试验,得出导致镟修后轮轨等效锥度偏低的原因是车床镟修策略不合适。针对中国服役动车组和镟修车床,论文设计了系列薄轮缘外形,调整了镟修策略,恢复了镟修后的车轮等效锥度。线路考核结果显示:应用了薄轮缘外形的动车组恢复了运行稳定性和平稳性,同时镟修经济性也得到了保证,并形成国内第一个薄轮缘镟修的规范性文件。本文聚焦我国动车组车轮型面服役过程出现的问题,从轮轨匹配等效锥度方面研究提出了构架报警、车体晃车的形成机理,并制定了服役轮轨等效锥度限值与镟修等效锥度限值,为车轮状态修提供支撑;优化了 LMB踏面,降低了车轮磨耗提高构架稳定性;研究和设计了薄轮缘外形,优化镟修策略。目前服役等效锥度限值与薄轮缘外形两项措施已得到应用推广;论文同时创新提出了轮轨等效锥度曲线的判定指标,修正名义等效锥度值;作者完成的等效锥度计算方法形成了一项铁道行业标准(正式颁布),目前编制动车组薄轮缘外形暂行技术规范,组织技术评审。图233幅,表42个,参考文献119篇。