基于多目标决策的钢轨减磨方案优选研究

2022-12-19李东升王建西胡金石王晓曼

石家庄铁道大学学报(自然科学版) 2022年4期

李东升，王建西,3，胡金石，王晓曼，郭庆

(1.石家庄铁道大学省部共建交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室，河北石家庄 050043；2.石家庄铁道大学道路与铁道工程安全保障教育部重点实验室，河北石家庄 050043；3.河北省铁路扣件系统技术创新中心，河北石家庄 050043)

随着铁路运输网络的形成和发展，重载运输在货运方面的比例愈来愈重，从西煤东运到北煤南运的万吨列车运营开通，不仅带来可观的经济效益，也推动了重载运输的发展[1]。列车多编组、大轴重的特点表现突出，钢轨侧磨成为曲线上钢轨的主要伤损类型，尤其在小半径曲线上，以钢轨侧磨超限导致钢轨提前下道的情况居多。

在列车运行中影响磨耗的因素较多，导致研究磨耗问题的切入点多种多样。综合分析既有文献，大致归纳为以下方面：①针对轮轨摩擦分析磨耗情况[2-12]，如李亨利等[12]研究不同摩擦控制模式下对车轮磨耗和钢轨磨耗的降低情况;②围绕曲线半径、轨距、超高等因素研究不同变量下钢轨磨耗量的变化，并提出减缓磨耗的措施[13-18]，如李克飞等[18]针对钢轨波磨问题研究摩擦系数、半径、超高等参数对曲线轮轨磨耗的影响;③以钢轨打磨为中心展开研究，介绍了打磨策略，阐述打磨技术[19-27]，如王军平[27]分析了轮轨接触侧磨机理，提出了现场钢轨打磨方案。从上述文献看，在磨耗治理的多数研究中，主要集中在调整轨道参数、廓形打磨、润滑3个层面控制磨耗发展，此结论与文献[28]归纳的减磨方式一致。大部分学者仅提出特定的方法达到减小磨耗目的，鲜有学者从多角度、多层次深入研究减磨措施的优劣关系，对于方案是否具有可实施性的关注非常少。

综上所述，为了研究减磨措施在线路上的实用性，以某重载线路小半径曲线为研究对象，通过文献分析、现场调研和专家咨询方法，提出方案评价指标体系，采用模糊层次法和灰色关联度对指标数据评判分析，提出最适合线路的减磨措施，保证措施介入的可实施性，以期实现资金投入最小化、经济效益最大化等目标。

1 减磨措施评价指标

以重载铁路减磨措施为出发点，从定量和定性双角度分析影响减磨措施介入的多种层面因素。基于指标选取原则并结合现场实际情况，通过综合分析、专家调查、文献归纳、多元统计多方法联合构建指标体系，经斟酌选取安全性、减磨效果、经济效益、实施复杂度、环境影响5方面进行评价，针对5方面细化出16个核心指标，搭建不同减磨方式组合策略评价指标体系，指标体系如图1所示。

图1 减磨策略评价指标体系

2 方案确定与指标数据分析

指标数据是进行综合评价的基础，通过Universal Mechanism(UM)进行动力学以及磨耗仿真，提取数据并处理得到客观指标数据，通过统计调查、专家打分等方法确定主观指标数据，为措施评价奠定基础。

2.1 减磨方案的确定

分析磨耗治理方面的文献发现：轨道参数调整、打磨、润滑3种减磨方式应用前景良好，但不同单一措施各有优缺点，就减磨效果而言，组合之后的减磨方式明显优于单一方式。将轨道参数调整、打磨、润滑3种方式进行两两组合得到3种方案，见表1。针对组合方案进行综合评价，从简单的以减磨效果为衡量标准的形式，转换为以整体最优为目标的全新模式。下面基于3种方案进行探讨。

表1 组合方案的确定

2.2 客观指标数据的计算

客观指标主要包含方案安全性、减磨效果和经济效益3方面。以某重载铁路小半径曲线最常见的线路条件作为初始工况进行研究。初始工况：曲线半径600 m、超高90 mm，车速70 km/h，缓和曲线长度60 m，圆曲线长度250 m，轨底坡1/40，轨距不加宽，采用75 kg/m的U78CrV钢轨。根据表1确定的组合方案，考虑2种减磨方式介入时的方便性，将限制每项措施只允许介入一次，方案(A+B)介入线路时的时序性需提前确定，故将A定为仅允许在新轨服役前介入的一次措施，B定为允许中间介入的二次措施。建立车辆-轨道耦合动力学模型，采用 Archard 滑动磨损模型来计算钢轨磨耗，对初始工况和采用拉丁超立方分层抽样方法设计的工况进行全寿命仿真计算，利用BP神经网络求解金属损失速率值最小的一组最优解，确定最优工况并对其动力学仿真，以王建西[29]针对钢轨打磨作出的假设为基础，计算方案介入后的经济费用。数据汇总如表2所示。

表2 客观指标值

2.3 主观指标数据的分析

由于指标的范围、量纲不同，因此须对定性指标量化处理。采用1～5标度对定性指标进行等级划分，建立定性指标与评价等级之间的对应关系，见表3。

表3 定性指标的量化分级标准

将5位业内专家对3种方案关于实施复杂度和环境影响程度的评分进行汇总，汇总结果见表4。

表4 主观指标值分

3 措施优选综合评价

3.1 指标权重的计算

表5 各指标综合权重一览表

3.2 二级指标的评判分析

3.2.1 定量指标的评判分析

3.2.2 定性指标的评判分析

通过上述计算，得到影响效果的满意度单指标评价向量B，如表6所示。

表6 主观单指标满意度评价向量一览表分

3.2.3 单指标下的表现情况

根据定量指标和定性指标的数据，得到在不同的一级指标下方案的评价结果，如图2所示。

图2 各类方案在单指标下的表现情况

从图2可知，方案Ⅰ在减磨效果方面的评价值为0.95以上，优势比较显著；经济效益和环境影响方面则表现一般，并且在安全性和实施复杂度方面表现极差，评价值仅为0.81；方案Ⅱ相比其他方案均处于中间水平，无明显优势和劣势；方案Ⅲ仅在实施复杂度方面优势明显，在安全性和经济效益方面效果一般，在减磨效果、环境影响表现极差。