随着近年来高铁的快速发展,我国轨道交通装备技术已经进入完全自主创新可持续发展阶段。然而我国既有的动车组运维体系沿用的是计划性、预防性的运维方式,在多年运用中发现存在“成本高”、“过维修”等一系列问题,动车组运维体系向“状态修”过渡势在必行。与实现车辆部件“状态修”的迫切需求形成鲜明对比的是,相关的状态监测与故障诊断理论与方法的发展仍相对薄弱。还注意到,近年来轨道交通车辆系统设计理论与方法方面取得的巨大进步,很大程度上得益于车辆系统动力学仿真手段的发展和线路试验数据的积累。如果可以将车辆动力学模型和积累的数据运用于车辆状态监测与故障诊断系统当中,那么将有力地支撑车辆健康状态定量监测的实现。从工程实际的角度而言,踏面扁疤是铁路车轮常见的缺陷之一。铁路运营商逐渐装备了各种具有扁疤监测功能的状态监测与故障诊断系统。然而目前的扁疤在线监测方法大多只能够检测扁疤的发生,鲜有能够实现对扁疤的尺寸进行定量监测的方法。为了实现车轮踏面的基于状态的运营维护,在车辆状态监测与故障诊断系统中实现对扁疤长度的定量监测很有必要。因此,本文开展一种基于动力学仿真模型的车辆状态监测与故障诊断方法的研究。在此方法的基础上,构建一种能够在车辆状态监测与故障诊断系统中实现的,利用车速和轴箱加速度对踏面扁疤进行定量监测的方法。随后通过改进,这种方法还能随着实测数据的积累逐渐提高精度。本文的主要研究工作如下:(1)建立了轮轨耦合动力学仿真模型。模型包括:在多体动力学理论的指导下建立的车辆系统动力学模型;考虑到扁疤冲击下轮对柔性的影响,建立的柔性轮对动力学模型;考虑到扁疤冲击下线路柔性的影响,建立的柔性钢轨、柔性轨道板的无砟轨道系统动力学模型。最终利用系统联合仿真策略将上述模型结合,从而构成完整的轮轨耦合动力学仿真模型。(2)在建立的轮轨耦合动力学模型基础上,分析了扁疤缺陷下的车辆动力学特性和规律。通过对扁疤冲击下的振动传递特性分析,认为轴箱振动测点具备利用振动加速度峰值监测扁疤长度的潜力。同时得到轴箱振动加速度与车速和扁疤长度之间关系的仿真数据,为后续基于仿真模型进行扁疤长度估计的监测方法提供数据输入。(3)本文的灵感之一是将原本用于模型校准的贝叶斯校准方法应用于轨道交通车辆的状态监测与故障诊断领域。本文介绍并推导了贝叶斯校准方法涉及到的基础理论:贝叶斯定理、高斯过程模型、MCMC抽样方法等。详细介绍了贝叶斯校准方法的构建思路,从模型不确定性构成的角度考虑将模型分解为仿真模型、模型偏差和观测误差。分别构建仿真模型和模型偏差的高斯过程代理模型,从而解决了动力学模型仿真耗时长和模型与实际车辆系统存在固有模型偏差两个难点。并在在贝叶斯校准方法理论的基础上,构建了扁疤长度估计的程序。(4)为了初步消减线路随机不平顺对轴箱加速度峰值的随机影响,利用“峰值平均法”提取轴箱加速度峰值。随后在不考虑线路不平顺和分别采用武广高铁实测线路不平顺、秦沈客专实测线路不平顺和美国5级谱线路不平顺下的轴箱振动加速度仿真数据进行了贝叶斯校准扁疤长度估计方法的验证,结果显示在各种情形下均能有效地估计出扁疤的长度。并分析了线路随机不平顺对估计结果的影响规律。(5)利用贝叶斯校准方法在对扁疤长度进行估计之后,还对当前扁疤长度下完整车速范围内轴箱振动峰均值进行了预测,预测结果中包括了仿真过程输出和模型偏差输出。并提出了一种利用预测结果进行反馈修正的扁疤长度估计方法的改进策略。针对仿真模型与真实车辆之间必然存在的模型偏差,改进方法将模型偏差作为反馈以校准模型输入,以提高长度估计方法在下一次使用时的准确性。于是,改进后的扁疤长度估计方法具有了随着使用中数据的累积不断提升精度的潜力。