我国高速铁路在过去十年迅速发展,数千列高速动车组投入运营,总体运行状态良好,但在运行过程中也出现了不同程度的异常振动问题,一定程度上影响了运营秩序和旅客乘坐舒适性。高速动车组的蛇行运动稳定性是引起异常振动问题的主要因素,本文主要针对某型动车组在长期服役过程中出现的转向架失稳报警、车体抖动和车辆晃动等异常振动问题开展研究,从改善轮轨接触几何匹配关系角度出发,提出车轮踏面设计方法,并对既有动车组车轮踏面外形进行了改进,在通过开展仿真计算、台架试验、线路试验、批量运用考核等进行验证,有效提高了轮轨维护周期内的车辆运动稳定性。具体的研究工作如下:(1)从仿真模拟、线路试验、机理研究方面系统分析了某型高速动车组在服役过程中出现的转向架失稳报警、车体抖动和车辆晃动等异常振动问题,发现了轮轨接触几何关系的不良匹配是根本原因,指出了悬挂系统参数优化等解决措施及其不足。(2)轮轨匹配不良是导致高速动车组出现蛇行稳定性相关的异常振动问题的主要原因,基于我国实测不同状态下的钢轨廓形,分析了既有车轮踏面与实际钢轨接触关系匹配存在的问题。提出了等效锥度分区控制的踏面设计理念,将车轮踏面分为常工作区、高锥度区、低锥度区,进而实现对不同区域的匹配关系需求而进行整体廓形设计。(3)新设计了一种高速列车踏面,根据上述实际问题和踏面廓形设计理念,对踏面不同分区的等效锥度、接触点对分布、接触角等参数进行设计,再将各分区进行衔接以得到整体踏面廓形。针对新设计踏面和原型踏面,开展了多种工况条件下的轮轨接触几何关系和接触应力对比分析,验证了新设计踏面的可行性。(4)建立高速动车组车辆系统三维非线性动力学模型,考虑多个实测钢轨廓形,采用新设计踏面进行车辆动力学性能仿真,通过与原型踏面条件下的车辆动力学性能对比。考察了车辆运动稳定性、运行安全性和平稳性等相关指标,发现新设计踏面在各种工况下均具有良好的动力学性能,新设计踏面的动力学性能优于原型踏面。(5)研究新踏面对线路状态(主要包括轨距、钢轨廓形)和转向架悬挂参数变化的适应能力,提出了等效锥度离散度指标,用于描述对不同线路状态下的等效锥度的变化分布;利用实际出现车辆异常振动路段的钢轨廓形与改进踏面进行匹配分析,并通过动力学仿真方法分析改进踏面方案对轨距和转向架悬挂参数的敏感性。(6)振动新设计踏面开展滚动振动台架试验,验证新踏面对车辆动力学性能提升的效果;进一步,选择4列动车组进行了一个镟修周期的新设计踏面线路服役性能跟踪试验,考察车轮踏面廓形、转向架稳定性、车辆平稳性、转向架关键位置振动特性随车辆运营里程的演变规律;基于线路跟踪试验结果,选取33列动车组开展批量运用考核跟踪试验,并在最新自主研发的高速动车组上批量装车运用,对批量运用新踏面的动车组进行了车轮踏面外形跟踪测试,分析了不同线路、不同季节、不同速度等服役环境下改进踏面的磨耗性能。台架试验、线路跟踪试验、批量运用考核试验均表明新设计踏面能够有效保障高速动车组的动力学性能,解决了原型踏面存在的车辆蛇行和抖动等异常振动问题,并显著提高了车轮踏面的镟修里程,延长了车轮使用寿命。(7)根据用户检修需求及动车组其它车轮踏面运用经验,基于改进踏面设计了改进踏面薄轮缘经济性镟修方案(包括原型共计13个踏面外形),对不同踏面外形方案进行了车辆动力学性能、车轮强度、轮轨接触几何、道岔通过校核等计算,并结合动车组批量运用考核进行了薄轮缘方案的试验验证。车轮踏面的薄轮缘方案能够显著减少踏面的单次镟修量,有效提高车轮使用寿命,降低了高速动车运营维护成本。(8)本文根据高速动车组实际运用中发生的异常振动问题,提出了等效锥度分区控制的车轮踏面设计理念,设计了一种新型车轮踏面廓形,并提供了踏面实际运用中所需的薄轮缘经济性镟修方案,经过了台架试验、线路跟踪试验等验证,并在时速300公里及以上中国标准动车组上批量装车运用,解决了原型踏面存在的车辆蛇行和抖动等异常振动问题,并显著提高了车轮踏面的镟修里程,延长了车轮使用寿命,降低了高速动车运营维护成本。本文研究具有重要的理论研究意义和工程应用价值。