作为列车平稳运行的基础,铁路钢轨踏面的状态一直备受关注。由于存在极为复杂的轮轨相互作用,钢轨踏面波磨、剥落掉块、撕裂等病害常有发生,它们会在列车运行时引起巨大的噪声,严重时还可导致钢轨或机车车轴断裂、扣件松动、道砟粉化加快、列车脱轨,造成人们群众生命财产的损失。因此,在目前尚无有效方法完全避免这类病害发生的情况下,如何准确、高效、低成本地对它们进行检测和评价,使其能够得到及时发现和处理,将其对环境和机车安全运行的影响降到最低,成为当前业界的研究热点。本文从钢轨踏面损伤的特征出发,以钢轨波磨为主要研究对象,针对它们时、频域的特点,综合分析现有检测手段的优劣,提出了钢轨波磨多中点弦测理论,建立并完善了相关检测技术与数据处理方法。设计了钢轨波磨检测试验小车,经过线路实测取得了较为满意的结果,为后续的产品化开发与生产奠定了坚实的基础。具体内容如下:(1)基于钢轨踏面状态对列车运行安全、环境的影响,明确了对其快速检测的必要性。根据病害的形态特征,分析了周期性的钢轨波磨在国、内外的研究现状,并对单中点弦测法在测量钢轨波磨时会出现零响应盲区,而偏弦法需要幅值和相位同时补偿的不足进行了系统的阐述。(2)通过理论分析和计算,建立了钢轨波磨多中点弦测模型,其既可以保留中点弦测法相位不变的优点,又可以避免出现测量盲区,提高误差极大值点的测量精度。同时,综合考虑传感器数量及其排列方式,将多中点弦结构分为正多中点弦与偏多中点弦两大类,推导了在不同边界条件约束下最优弦长组合的计算方法,并给出了对应的算例。(3)引入基于ZFFT的频率细化算法,构建了将结果共轭扩展重构的公式,以此为基础对传统频域逆滤波算法进行改进,解决了在硬件采样率一定的前提下,空间频率分辨率的提高与算法时间、空间消耗过大相矛盾的问题;分析了钢轨波磨多中点弦测数据受剥落掉块等非周期性损伤、钢轨波磨出现的区域特征的影响,提出基于“小波系数和”值的损伤辨识及分段预处理算法,并以数据仿真的方式进行检验。结果表明,多中点弦测数据经过预处理与ZFFT频率细化逆滤波后,能够在不过多增加逆滤波算法时间、空间复杂度的前提下提高测量结果精度。(4)针对钢轨踏面非周期性初期剥落损伤幅值较小不易辨识,而实际工务中对此类病害又极其关注且对多中点弦测逆滤波结果会造成一定影响的现状,建立了非周期性初期损伤多中点弦测响应模型,提出了多中点弦测理论下的辨识方法。将经过多中点弦测增强后的损伤数据进行奇异值分解得到多个特征分量,使用滑动峰态算法分别计算各特征分量的峰态序列,实现了以多中点弦测数据为基础对钢轨踏面初期剥落损伤辨识,为现场工务作业提供踏面初期损伤判别依据。(5)设计并制造了钢轨波磨正双中点弦测试验小车。剖析了弦长偏差及弦中点偏差对最终结果的扰动,为小车结构设计、安装与校准提供依据;利用蒙特卡洛方法分析计算了试验小车钢轨波磨测量结果的不确定度;作为对比手段与方法,从理论上阐述了平直尺测量结果与试验小车测量结果之间的关系,提出了三点等距差值比较法并给予论证。对存在波磨病害(波长约280～400mm,峰峰幅值约1.5～2mm)的鹰厦线某里程进行现场测试后,与平直尺进行多段数据比对验证试验小车的检测效果及精度,结果显示:波长上,两者保持一致并与现场实测相符;幅值上,试验小车测量结果与平直尺测量结果三点等距差值比较误差的95%概率区间为{-0.062～0.064}mm,符合各种因素影响下的理论分析结果。因此,作为一种连续、快速的钢轨波磨检测手段,多中点弦测法能够适应铁路工务现场应用,具有良好的工程应用前景。