长期以来为了实现更高的运行速度和更好的平稳性,铁道车辆的动力学分析一直非常关注横向动力学问题;铁道车辆垂向动力学对轨道结构、噪声、车-线-桥关系以及钢轨的某些波磨有影响,因此近二十多年来铁道车辆垂向动力学方面的研究也很活跃;由于重载运输的兴起,列车的纵向动力学主要关注车辆间的相互作用及列车的操控问题,而与轮轨行为无关;交流传动的发展大大提高了机车黏着利用程度,因此机车纵向动力学主要关心传动系统的扭转刚度能否满足大的起动黏着利用,防止动轮起动时和运行时滑动和空转。但是,长期以来人们却忽略了轮对纵向动力学问题的研究,因为它与以上问题关系不大或者说人们还没有注意到轮对纵向动力学对整个车辆系统的影响,且这一振动只有在蠕滑计算的参考速度不是固定不变时才能得到,而过去进行横向动力学计算时通常认为它是恒定的,或根本不考虑轮对纵向自由度,因此无法反应出轮对纵向振动的特点。但本文认为,轮对纵向动力学行为很可能是造成机车车辆异常抖动或造成车轮非正常磨耗以及某些特定波长的轨道波磨的一个不可忽视的重要原因。轮对纵向振动问题属于机车车辆纵向动力学的研究范畴,与横向和垂向动力学相比,纵向动力学的研究还处于初级阶段,但其包含了丰富的内容,机理非常复杂,对高速或重载牵引机车,这方面研究意义重大。本文主要从轮对纵向振动的角度研究了机车轮对周期性踏面磨耗问题,将轮对的宏观振动与接触参数的微观表现结合在一起,给出了研究某些机车车辆轮对周期性踏面磨耗的新思路,并提出了缓减轮对周期性踏面磨耗现象的具体措施。本文的研究内容主要分为轮轨摩擦模型的研究,轮对纵向振动动力学问题的研究以及轮对纵向振动对机车轮对周期性踏面磨耗影响的研究,具体研究内容如下:1.从轮轨接触斑材料应变的微观角度解释了蠕滑特性曲线的变化规律及其与轮对纵向振动问题的相互影响,并在此基础上提出并研究了适用于轮对纵向振动问题的轮轨纵向摩擦模型,该模型由弹簧元件、阻尼元件和滑动摩擦元件串联组成,其中弹簧元件的刚度和阻尼是随激励频率及蠕滑率幅值而变化的,主要用于小蠕滑条件下的轮对纵向振动问题分析;滑动摩擦元件的摩擦系数是纵向蠕滑率的函数,该元件主要用于研究大蠕滑条件下轮对非线性黏滑振动问题。2.将轮轨纵向摩擦模型和单轮对纵向动力学模型结合起来,研究了小蠕滑、大蠕滑条件下轮对的纵向振动特点。在小蠕滑条件下,分析了简谐、脉冲及随机轨道不平顺激励下单轮对的纵向振动响应;分别采用摄动法和小波分析方法研究了稳态条件下小幅随机变化速度引起的轮对纵向振动功率谱密度以及加速非稳态条件下轮对纵向振动功率谱密度,并推导出了加速条件下轮对纵向振动的演化谱;分别采用离散小波变换和连续小波变换法研究了时变结构参数(轮对一系定位刚度)变化引起的轮对纵向振动问题。研究了大蠕滑条件下轮对非线性自激振动稳定性,以及一系定位刚度和阻尼对轮对稳定性的影响。3.从轮对纵向振动的角度研究了车轮周期性初始磨损斑的形成机理以及车轮多边形的发展过程。将机车车辆动力学问题与轮轨摩擦问题相结合,研究了轮对纵向振动对轮轨接触斑状态、力学特性及车轮磨耗的影响。