随着列车速度的提高和线路状况的恶化,由轮轨相互作用加剧所引起的磨损、脱轨等现象给高速列车的运行产生了巨大的威胁。列车一旦发生脱轨事故,会严重威胁乘客的人身安全。对高速列车进行脱轨在线监测能减小列车脱轨事故的发生几率,从而提高了列车运行的安全性。我国主要从脱轨系数、轮重减载率等指标评价列车脱轨安全性,这些指标需要通过测力轮对测得轮轨力,再通过轮轨力计算得出。但是脱轨系数和轮重减载率指标具有较大的保守性,其结果并不十分准确。此外,测力轮对维护不便,标定繁琐,且成本高昂。因此,传统脱轨评价指标以及测力轮对并不适用于高速列车脱轨在线监测。本文基于轮轨相对位移评判列车脱轨原理,结合轨道不平顺检测技术,提出一种通过在轴箱上安装加速度传感器监测列车脱轨的方案。本文的研究内容如下:(1)车辆脱轨直接表现为车轮脱离钢轨。本文采用轮轨相对位移脱轨评判方法,结合轨道不平顺检测技术,通过在轴箱上安装加速度传感器,设计了一种高速列车脱轨在线监测方案及脱轨评判算法。(2)参考CRH2型高速列车参数,考虑列车非线性,采用多体动力学软件SIMPACK建立高速列车动力学模型。分别仿真并分析了列车直线工况和曲线工况的动力学响应与轮轨相对位移的关系,验证了轮轨相对位移判断列车脱轨原理的可行性。(3)针对脱轨监测方案中轴箱的振动位移测量难度大、测量成本高的问题,使用卡尔曼滤波设计了一种位移实时估计算法,并通过仿真数据验证了算法的准确性;将该算法与工程中常用的时域积分法、频域积分法进行对比,验证算法有效性。(4)针对观测噪声方差的改变会影响卡尔曼滤波精度,甚至导致卡尔曼滤波发散的问题,采用小波变换在线估计噪声方差,并将其反馈到卡尔曼滤波中更新模型,实现噪声方差的实时估计,对卡尔曼滤波算法进行优化。(5)对单节列车进行脱轨试验,分析列车脱轨时轴箱加速度和轴箱相对构架位移变化情况。对轴箱实际加速度使用不同位移算法计算位移,比较位移波形变化趋势。仿真结果表明,基于轮轨相对位移的脱轨评判方法与传统脱轨评价指标的变化趋势一致,能够有效评判列车脱轨安全性。卡尔曼滤波位移估计算法和仿真位移对比结果显示,计算结果与仿真数据误差在0.5mm以内,相关系数均大于0.9,说明卡尔曼滤波位移估计算法具有较高精度。卡尔曼滤波法、时域积分法、频域积分法的计算结果表明,卡尔曼滤波位移估计算法精度更高,效果更好。采用小波变换在线估计噪声方差后,卡尔曼滤波的性能得到明显优化,算法的鲁棒性显著提高。脱轨试验结果显示,通过轮轨相对位移判断列车脱轨更简单直接。