随着地铁客流的增大和发车频次的增加,地铁车轮磨耗问题日益严重,车轮磨耗影响因素及预测研究对减轻轮轨磨耗和降低镟修成本具有重要的指导意义。针对地铁车辆客流实时变化、启动制动频繁、曲线比例较高等运行特点,本文以地铁车轮为研究对象,结合现场实测客流、磨耗和动力学数据,分析了时变载重、时变速度、动态车轮型面、摩擦系数和磨耗系数五个影响因素对地铁车轮磨耗的影响。首先,针对客流动态变化引起的时变载重和车辆牵引制动引起的速度变化,建立了基于变载和变速工况的地铁车轮磨耗仿真模型;然后,针对车轮型面随运行里程的动态变化,综合考虑轮轨磨耗性能和车辆曲线通过能力,提出了基于动态车轮型面的轮轨摩擦系数评价方法。接下来,针对磨耗系数选取的不确定性,运用特定里程的实测磨耗数据对磨耗系数进行优化,建立了数据-模型融合驱动的地铁车轮磨耗预测模型,并用实测值进行了验证。最后,在实测车轮磨耗和不圆数据的基础上,进一步研究了车轮损伤的非对称因素和耦合损伤因素对地铁车辆动力学性能的影响,建立了地铁车轮非对称不圆与磨耗耦合损伤动力学模型。取得的主要成果和结论如下:(1)根据地铁车辆客流实时变化和频繁启动制动的特点,提出了基于动态客流的车体时变载重计算方法,建立了随时间和位置变化的时变速度函数,构建了基于变载和变速工况的地铁车轮磨耗仿真模型。通过联合车辆动力学模型、变载设置模型、变速设置模型、轮轨接触模型、材料磨损模型和踏面更新模型,计算分析了变速情况下恒载、变载两种工况的车轮磨耗仿真结果,并与实测磨耗数据进行了对比。结果表明,相比恒载工况,变载工况下的车轮磨耗计算结果与实测车轮磨耗数据更加接近,且随着运行里程的增加,变载变速模型的计算优势越来越明显,其计算结果与实测值渐趋吻合。因此,考虑客流变化和速度变化因素建立的基于变载和变速工况的地铁车轮磨耗仿真模型的预测精度有了较大的提升,为车轮磨耗的仿真预测和镟修提供了更为准确的依据。(2)针对车轮型面随运行里程的动态变化,综合考虑轮轨磨耗性能和车辆曲线通过能力,提出了基于动态车轮型面的轮轨摩擦系数评价方法。用S型曲线模拟某实际运行区间路段,以磨耗指数和脱轨系数作为评价指标,通过地铁车辆系统动力学模型和磨耗模型,计算分析了4种实测车轮磨耗型面、7个不同摩擦系数值对磨耗指数和脱轨系数的影响规律,得到了不同车轮磨耗型面对应的摩擦系数建议值。研究结果表明,标准车轮型面对应的最佳摩擦系数区间为0.1~0.15,5万、8万、14万公里车轮型面对应的摩擦系数最佳区间为0.1~0.2、0.1~0.2、0.1~0.15;通过轮轨润滑技术调整摩擦系数,0万、5万、8万、14万公里车轮型面的磨耗指数最大值可分别降低71%、73%、69%、56%。因此,从不同运行里程下的车轮动态型面角度进行摩擦系数评价,可以更有效地降低轮轨磨耗,为地铁曲线线路的轮轨摩擦控制提供技术支持。(3)针对磨耗系数选取的不确定性,提出了基于实测数据的磨耗系数优化方法,构建了数据-模型融合驱动的地铁车轮磨耗预测模型。以某一特定运行里程的实测磨耗数据为训练样本,采用遗传算法、粒子群算法、模拟退火算法和禁忌搜索算法分别对Jendel磨损模型中的磨耗系数进行优化,并比较了四种算法在不同线路和运行里程下的计算结果,考虑优化精度和计算时间,粒子群优化算法最好。在磨耗系数优化的基础上,构建了数据-模型融合驱动的地铁车轮磨耗预测模型,对地铁在其他运行里程下的车轮磨耗进行仿真与预测,并与实测数据进行比较。研究结果表明,基于实测数据的磨耗系数优化方法有效减少了凭经验选择磨耗系数的不确定性,降低了实验数据成本;数据-模型融合驱动的地铁车轮磨耗预测模型结合了模型预测和数据预测的优点,提高了车轮磨耗预测的精度,为车轮磨耗仿真预测提供了一种新的途径。(4)针对实际线路中出现的车轮非对称损伤和耦合损伤现象,结合地铁车轮实测磨耗和不圆损伤数据,提出了基于车轮非对称不圆和磨耗耦合损伤的车辆动力学分析方法,建立了地铁车轮非对称不圆与磨耗耦合损伤动力学模型,研究了非对称损伤和耦合损伤对车辆系统动力学性能的影响。分析了非对称不圆和对称不圆、非耦合损伤和耦合损伤、非对称耦合损伤和对称耦合损伤的车辆动力学性能计算结果,并与实测结果进行对比。结果表明,非对称不圆工况的轮轨垂向力、脱轨系数和轮重减载率明显增大;耦合损伤中,磨耗变化对轮轨横向力、轮轴横向力和脱轨系数影响较大,对轮轨垂向力影响较小;与对称耦合损伤工况相比,非对称耦合损伤的垂向振动加速度峰值和平稳性指标更大,与实测数据更贴近。因此,考虑车轮非对称损伤和耦合损伤因素建立的车轮非对称不圆与磨耗耦合损伤动力学模型有利于计算结果的准确性,对地铁车轮的检修和维护具有参考意义。