高速铁路以其速度快、平顺性好、舒适性高等特点,已成为现代世界铁路的发展趋势。我国铁路交通系统正朝向高速化跨越式发展,铁路运营密度越来越高,列车运行速度越来越快,给钢轨安全带来了更高的挑战。原有的铁路巡检、观测和经验判断等方法显然已难以满足对钢轨安全状态进行实时监测的要求。由高速铁路轨道结构的特点可知,当环境温度发生变化时,钢轨不能自由伸缩,就会在钢轨内部产生温度应力,当温度力过大或扣件松脱时,轨条会出现臌曲变形,当达到临界值时,线路就会丧失稳定性,在高频轮轨力反复作用及恶劣气候条件下,会加剧轨道结构的不稳定性。若不能对劣化的轨道结构进行及时的检测与维修,势必会降低结构部件的服役寿命,对列车运行安全构成威胁。因此,亟需研究高速铁路钢轨温度应力及扣件松脱的在线监测方法与识别理论,为钢轨安全状态评价提供大量的基础数据,以便实时、快速、高效地监测钢轨状态,有效地进行预防性养护,降低灾难性事故风险。本文首先研究了钢轨稳定性的评判方法,提出了钢轨温度应力的检测方法,为钢轨稳定性评判提供理论依据。锁定轨温通常用来衡量钢轨温度应力水平,是衡量无缝线路轨道强度与稳定性的重要指标。根据被测对象和所处环境的特点提出适用于高速铁路钢轨温度应力的检测方法,基于应变电测原理,采用半桥同材料补偿法测量钢轨随环境温度变化产生的纵向应变。基于钢轨温度和应力数据对钢轨稳定性进行评判,计算钢轨的实际锁定轨温,得到实际锁定轨温与设计锁定轨温的差值,若差值超出±3 ℃就说明钢轨丧失稳定性,需要对这段线路进行应力放散。其次,研究了基于钢轨振动信号的扣件松脱识别方法,为钢轨扣件松脱识别提供理论依据。研究了高速铁路钢轨振动信号的检测方法,基于小波包分析理论,利用钢轨的振动加速度信号提取了钢轨扣件松脱识别指标,包括扣件松脱位置和程度识别指标。基于CRTS-I型板式无砟轨道建立了高速铁路轨道的三维仿真模型,结合实验分析了环境温度变化对钢轨扣件松脱识别的影响,用于指导钢轨扣件松脱识别指标的应用。结果表明:随着温度的升高,钢轨内部压应力变大,小波包相对能量偏差WPER VD和其置信上限UCL的值呈减小趋势,松脱程度识别指标SI的值呈增大趋势,而且是非线性变化,说明温度变化改变了钢轨的振动特性,松脱程度识别指标SI可辅助了解钢轨温度应力的变化情况。此外,在分析钢轨振动加速度数据时,特别是利用加速度数据进行钢轨扣件松脱位置与程度指标识别时,应考虑温度变化造成的影响。在以上研究基础上,构建了高速铁路钢轨多参数在线监测系统,并针对高速铁路恶劣环境的特点,完成了监测系统的抗恶劣环境设计和抗电磁干扰设计。设计并实现了具有高精度的无线数据采集节点,搭建了无线数据汇聚节点,根据高速铁路现场环境设计了节点的供电系统。研究了无线数据采集节点非线性误差及温漂误差的标定方法,利用殷钢材料对无线数据采集节点的温漂误差进行标定,测试结果表明:在-10～60 ℃范围内,通过温漂误差补偿系数可有效地将无线数据采集节点的温漂误差控制在0.6×10-6με/℃以内。对无线数据采集节点的多参数采集性能进行了测试,测试结果表明:温度信号采集在-40～85 ℃范围内的绝对误差不超过±1 ℃,应变信号采集在±16000 με范围内的误差小于±0.1%,加速度信号采集在±468 g范围内的相对误差在±1%以内,具有较高的准确性。完成了在线监测系统的抗恶劣环境和抗电磁干扰设计,并在电波暗室中通过射频辐射电磁场试验测试了无线数据采集节点和无线数据汇聚节点之间通信性能,实验证明无线数据采集节点和无线数据汇聚节点之间的无线通信性能稳定可靠且具有较强的抗干扰能力。最后,将提出的高速铁路钢轨多参数在线监测系统应用于钢轨扣件松脱识别和钢轨稳定性评判。①针对高速铁路服役钢轨维护窗口时间短、运行环境恶劣、传感器安装困难的特点,研究了多传感器的布局与安装方法,解决了安装误差导致重复性差和准确性差的难题,同时简化了传感器安装流程、提高了可靠性。②钢轨扣件松脱检测与识别实验研究。在无砟轨道实验平台,通过改变扣件螺母扭矩构建了多种工况。实验结果表明:该方法可有效地识别钢轨扣件松脱的位置,并对松脱的程度进行定量评价,相对误差小于士1%,具有良好的准确性和稳定性。③高速铁路钢轨温度应力在线监测与钢轨稳定性评判试验应用。分别在国家铁路试验中心环形试验场和某城际高铁运营线路完成了系统的集成及现场应用验证。试验获取的大量数据表明被测钢轨实际锁定轨温的变化量均小于±3 ℃,钢轨状态良好不需要进行应力放散。该监测系统在实际运营线路上运行了三年的时间,实时获取了大量的基础数据。