道岔是线路上的薄弱环节,其轮轨关系较区间线路更为复杂,导致道岔区的行车安全性更值得关注。特别是小号码道岔,由于其铺设条件及养修状态较正线道岔及高速道岔更为恶劣,车辆脱轨事故频发。本文在总结国内外车辆脱轨理论研究现状的基础上,基于轮对模型对小号码道岔转辙器区的脱轨理论开展了深入的研究,主要研究内容如下:1.转辙器区轮轨接触关系研究通过对尖轨轨头刨切过程的分析,推导了尖轨平面线型和尖轨降低值等设计参数与尖轨轨头水平刨切路径和垂直刨切路径之间的对应关系,建立了尖轨空间三维型面及尖/基轨组合型面的计算方法,并与目前普遍采用的型面插值法进行了对比,验证了本文所提出的计算方法的精确性。针对道岔转辙器区复杂的轮轨接触状态,通过对转辙器区进行划分,较为详细的阐述了转辙器区可能出现的轮轨接触情况;在迹线法的基础上,通过对车轮进行分区域划分,解决了转辙器区轮轨多点接触求解的难题。结合尖轨空间三维型面及尖/基轨组合型面的计算方法,编制了转辙器区轮轨接触几何计算程序,既可在静态及准静态条件下对不同横移量及摇头角下的轮轨接触状态进行分析,又可作为轮轨系统动力学模型中的子程序。2.准静态条件下轮对脱轨理论研究建立了三维条件下轮对的脱轨分析模型,推导了车轮三维脱轨系数限值和轮重减载率限值的计算方法;从理论和试验两方面,对比了Shen-Hedrick-Elkins蠕滑力模型、Polach蠕滑力模型和Fastsim简化蠕滑模型计算的轮轨法向力、蠕滑力及脱轨系数的差异,确定了以Shen-Hedrick-Elkins蠕滑理论为基础的脱轨安全限值求解方法;研究了轮对摇头角(冲角)、摩擦系数、最大轮轨接触角和静轮重等因素对脱轨系数限值和轮重减载率限值的影响规律。3.准静态条件下转辙器区行车安全限值研究运用转辙器区轮轨接触几何算法及轮对准静态脱轨理论,分析了轮对在转辙器不同断面位置处脱轨过程中的轮轨接触几何关系特征,指出车轮在转辙器区脱轨过程中可能存在两次爬轨过程,并根据轮轨接触几何关系结果对转辙器二维条件和三维条件下的脱轨安全限值进行了研究。4.转辙器区轮对动态脱轨行为研究建立了适用于转辙器区动态脱轨分析的弹性定位轮对动力学仿真模型,采用将求解轮轨法向弹性压缩量转化为求解轮轨垂向相对位移的方法,实现了对轮轨接触及分离状态的判别,更适用于轮对动态脱轨的仿真分析。对轮对侧逆向和侧顺向通过转辙器时的动态脱轨行为进行了仿真研究,结果表明,轮对侧逆向通过转辙器时,车轮在尖轨顶宽5mm~20mm范围内容易爬上尖轨;而轮对侧顺向通过转辙器时的爬轨点则位于尖轨顶宽5mm前的基本轨上,即车轮的爬轨过程是在基本轨上完成的。由此造成轮对侧逆向通过转辙器时脱轨风险要明显高于侧顺向通过转辙器的情况,因此应特别注意防范轮对侧逆向通过转辙器时脱轨的发生。5.小号码道岔转辙器行车安全性提升技术对小号码转辙器区的行车安全性限值与我国现行的行车安全性评价指标限值进行了对比,表明我国现行车辆安全性评价指标限值在尖轨顶宽5mm~15mm范围内并不适用。考虑到对小号码转辙器区制定专门的评价指标限值并不现实,以此确定了从岔前平面线型和尖轨降低值优化两个方面对小号码道岔转辙器区行车安全性进行提升的技术路线,并以5号单开道岔为例进行了相关研究。