李東升， 王建西,3， 胡金石， 王曉曼， 郭 慶

(1.石家莊鐵道大學 省部共建交通工程結構力學行為與系統(tǒng)安全國家重點實驗室，河北 石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學 道路與鐵道工程安全保障教育部重點實驗室，河北 石家莊 050043；3.河北省鐵路扣件系統(tǒng)技術創(chuàng)新中心，河北 石家莊 050043)

隨著鐵路運輸網(wǎng)絡的形成和發(fā)展，重載運輸在貨運方面的比例愈來愈重，從西煤東運到北煤南運的萬噸列車運營開通，不僅帶來可觀的經(jīng)濟效益，也推動了重載運輸?shù)陌l(fā)展[1]。列車多編組、大軸重的特點表現(xiàn)突出，鋼軌側磨成為曲線上鋼軌的主要傷損類型，尤其在小半徑曲線上，以鋼軌側磨超限導致鋼軌提前下道的情況居多。

在列車運行中影響磨耗的因素較多，導致研究磨耗問題的切入點多種多樣。綜合分析既有文獻，大致歸納為以下方面：①針對輪軌摩擦分析磨耗情況[2-12]，如李亨利等[12]研究不同摩擦控制模式下對車輪磨耗和鋼軌磨耗的降低情況;②圍繞曲線半徑、軌距、超高等因素研究不同變量下鋼軌磨耗量的變化，并提出減緩磨耗的措施[13-18]，如李克飛等[18]針對鋼軌波磨問題研究摩擦系數(shù)、半徑、超高等參數(shù)對曲線輪軌磨耗的影響;③以鋼軌打磨為中心展開研究，介紹了打磨策略，闡述打磨技術[19-27]，如王軍平[27]分析了輪軌接觸側磨機理，提出了現(xiàn)場鋼軌打磨方案。從上述文獻看，在磨耗治理的多數(shù)研究中，主要集中在調整軌道參數(shù)、廓形打磨、潤滑3個層面控制磨耗發(fā)展，此結論與文獻[28]歸納的減磨方式一致。大部分學者僅提出特定的方法達到減小磨耗目的，鮮有學者從多角度、多層次深入研究減磨措施的優(yōu)劣關系，對于方案是否具有可實施性的關注非常少。

綜上所述，為了研究減磨措施在線路上的實用性，以某重載線路小半徑曲線為研究對象，通過文獻分析、現(xiàn)場調研和專家咨詢方法，提出方案評價指標體系，采用模糊層次法和灰色關聯(lián)度對指標數(shù)據(jù)評判分析，提出最適合線路的減磨措施，保證措施介入的可實施性，以期實現(xiàn)資金投入最小化、經(jīng)濟效益最大化等目標。

1 減磨措施評價指標

以重載鐵路減磨措施為出發(fā)點，從定量和定性雙角度分析影響減磨措施介入的多種層面因素。基于指標選取原則并結合現(xiàn)場實際情況，通過綜合分析、專家調查、文獻歸納、多元統(tǒng)計多方法聯(lián)合構建指標體系，經(jīng)斟酌選取安全性、減磨效果、經(jīng)濟效益、實施復雜度、環(huán)境影響5方面進行評價，針對5方面細化出16個核心指標，搭建不同減磨方式組合策略評價指標體系，指標體系如圖1所示。

圖1 減磨策略評價指標體系

2 方案確定與指標數(shù)據(jù)分析

指標數(shù)據(jù)是進行綜合評價的基礎，通過Universal Mechanism(UM)進行動力學以及磨耗仿真，提取數(shù)據(jù)并處理得到客觀指標數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計調查、專家打分等方法確定主觀指標數(shù)據(jù)，為措施評價奠定基礎。

2.1 減磨方案的確定

分析磨耗治理方面的文獻發(fā)現(xiàn)：軌道參數(shù)調整、打磨、潤滑3種減磨方式應用前景良好，但不同單一措施各有優(yōu)缺點，就減磨效果而言，組合之后的減磨方式明顯優(yōu)于單一方式。將軌道參數(shù)調整、打磨、潤滑3種方式進行兩兩組合得到3種方案，見表1。針對組合方案進行綜合評價，從簡單的以減磨效果為衡量標準的形式，轉換為以整體最優(yōu)為目標的全新模式。下面基于3種方案進行探討。

表1 組合方案的確定

2.2 客觀指標數(shù)據(jù)的計算

客觀指標主要包含方案安全性、減磨效果和經(jīng)濟效益3方面。以某重載鐵路小半徑曲線最常見的線路條件作為初始工況進行研究。初始工況：曲線半徑600 m、超高90 mm，車速70 km/h，緩和曲線長度60 m，圓曲線長度250 m，軌底坡1/40，軌距不加寬，采用75 kg/m的U78CrV鋼軌。根據(jù)表1確定的組合方案，考慮2種減磨方式介入時的方便性，將限制每項措施只允許介入一次，方案(A+B)介入線路時的時序性需提前確定，故將A定為僅允許在新軌服役前介入的一次措施，B定為允許中間介入的二次措施。建立車輛-軌道耦合動力學模型，采用 Archard 滑動磨損模型來計算鋼軌磨耗，對初始工況和采用拉丁超立方分層抽樣方法設計的工況進行全壽命仿真計算，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡求解金屬損失速率值最小的一組最優(yōu)解，確定最優(yōu)工況并對其動力學仿真，以王建西[29]針對鋼軌打磨作出的假設為基礎，計算方案介入后的經(jīng)濟費用。數(shù)據(jù)匯總如表2所示。

表2 客觀指標值

2.3 主觀指標數(shù)據(jù)的分析

由于指標的范圍、量綱不同，因此須對定性指標量化處理。采用1～5標度對定性指標進行等級劃分，建立定性指標與評價等級之間的對應關系，見表3。

表3 定性指標的量化分級標準

將5位業(yè)內專家對3種方案關于實施復雜度和環(huán)境影響程度的評分進行匯總，匯總結果見表4。

表4 主觀指標值 分

3 措施優(yōu)選綜合評價

3.1 指標權重的計算

表5 各指標綜合權重一覽表

3.2 二級指標的評判分析

3.2.1 定量指標的評判分析

3.2.2 定性指標的評判分析

通過上述計算，得到影響效果的滿意度單指標評價向量B，如表6所示。

表6 主觀單指標滿意度評價向量一覽表 分

3.2.3 單指標下的表現(xiàn)情況

根據(jù)定量指標和定性指標的數(shù)據(jù)，得到在不同的一級指標下方案的評價結果，如圖2所示。

圖2 各類方案在單指標下的表現(xiàn)情況

從圖2可知，方案Ⅰ在減磨效果方面的評價值為0.95以上，優(yōu)勢比較顯著；經(jīng)濟效益和環(huán)境影響方面則表現(xiàn)一般，并且在安全性和實施復雜度方面表現(xiàn)極差，評價值僅為0.81；方案Ⅱ相比其他方案均處于中間水平，無明顯優(yōu)勢和劣勢；方案Ⅲ僅在實施復雜度方面優(yōu)勢明顯，在安全性和經(jīng)濟效益方面效果一般，在減磨效果、環(huán)境影響表現(xiàn)極差。

3.3 一級指標的評判分析

故綜合評價值H=W×R={0.915,0.922,0.918}。

綜合考慮安全性、減磨效果、經(jīng)濟效益、實施復雜度、環(huán)境影響5方面，方案綜合評價值如圖3所示。

圖3 方案綜合評價值

由圖3可知，方案Ⅱ的評價值高于其他方案，方案Ⅰ的綜合評價值最低，考慮所有指標時，根據(jù)隸屬度最大原則，方案的優(yōu)劣排序為：方案Ⅱ>方案Ⅲ>方案Ⅰ。

4 結論

針對現(xiàn)有的重載鐵路鋼軌減磨措施綜合評價研究的不足，以某重載鐵路600 m半徑線路上75 kg/m的熱處理U78CrV鋼軌為研究對象，通過定量和定性結合的方式建立評價指標體系，采用模糊層次分析和灰色關聯(lián)度法對指標數(shù)據(jù)進行綜合評價研究，主要的工作和結論有：

(1)建立重載鐵路鋼軌減磨措施綜合評價指標體系和主觀指標的量化標準，采用基于組合賦權的模糊層次分析和灰色關聯(lián)度融合分析模型進行評價，保證研究結果的可靠性，其研究結果為減磨措施的選擇提供了理論參考。

(2)方案Ⅰ(軌道參數(shù)調整+鋼軌打磨)在減磨效果方面的優(yōu)勢顯著；方案Ⅱ(軌道參數(shù)調整+鋼軌潤滑)各方面均無明顯的優(yōu)勢和劣勢；方案Ⅲ(鋼軌打磨+鋼軌潤滑)在實施復雜度層面優(yōu)勢明顯。就減磨效果而言，方案排序結果為：軌道參數(shù)調整+鋼軌打磨>軌道參數(shù)調整+鋼軌潤滑>鋼軌打磨+鋼軌潤滑。

(3)從綜合角度看，各方案無顯著的優(yōu)劣差異，方案的綜合評價值(D)顯示，減磨措施綜合評價效果由優(yōu)到劣為：軌道參數(shù)調整+鋼軌潤滑方案(0.922)>鋼軌打磨+鋼軌潤滑方案(0.918)>軌道參數(shù)調整+鋼軌打磨方案(0.915)。

(4)目前來看，只針對熱處理U78CrV進行研究，由于結果涉及到特定運輸條件下的仿真數(shù)據(jù)和鋼軌材質問題，研究結果對其他重載鋼軌材質并不適用。研究結果僅適用于小半徑曲線，但是可依照此方法對其他半徑曲線進行類似分析，同時對其他半徑的仿真工作也正在進行中。