基于多目標(biāo)決策的鋼軌減磨方案優(yōu)選研究

李東升， 王建西,3， 胡金石， 王曉曼， 郭 慶

(1.石家莊鐵道大學(xué) 省部共建交通工程結(jié)構(gòu)力學(xué)行為與系統(tǒng)安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學(xué) 道路與鐵道工程安全保障教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050043；3.河北省鐵路扣件系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 石家莊 050043)

隨著鐵路運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的形成和發(fā)展，重載運(yùn)輸在貨運(yùn)方面的比例愈來愈重，從西煤東運(yùn)到北煤南運(yùn)的萬噸列車運(yùn)營開通，不僅帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益，也推動(dòng)了重載運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展[1]。列車多編組、大軸重的特點(diǎn)表現(xiàn)突出，鋼軌側(cè)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(cè)磨超限導(dǎo)致鋼軌提前下道的情況居多。

在列車運(yùn)行中影響磨耗的因素較多，導(dǎo)致研究磨耗問題的切入點(diǎn)多種多樣。綜合分析既有文獻(xiàn)，大致歸納為以下方面：①針對(duì)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(duì)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(duì)鋼軌波磨問題研究摩擦系數(shù)、半徑、超高等參數(shù)對(duì)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(shù)[19-27]，如王軍平[27]分析了輪軌接觸側(cè)磨機(jī)理，提出了現(xiàn)場鋼軌打磨方案。從上述文獻(xiàn)看，在磨耗治理的多數(shù)研究中，主要集中在調(diào)整軌道參數(shù)、廓形打磨、潤滑3個(gè)層面控制磨耗發(fā)展，此結(jié)論與文獻(xiàn)[28]歸納的減磨方式一致。大部分學(xué)者僅提出特定的方法達(dá)到減小磨耗目的，鮮有學(xué)者從多角度、多層次深入研究減磨措施的優(yōu)劣關(guān)系，對(duì)于方案是否具有可實(shí)施性的關(guān)注非常少。

綜上所述，為了研究減磨措施在線路上的實(shí)用性，以某重載線路小半徑曲線為研究對(duì)象，通過文獻(xiàn)分析、現(xiàn)場調(diào)研和專家咨詢方法，提出方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用模糊層次法和灰色關(guān)聯(lián)度對(duì)指標(biāo)數(shù)據(jù)評(píng)判分析，提出最適合線路的減磨措施，保證措施介入的可實(shí)施性，以期實(shí)現(xiàn)資金投入最小化、經(jīng)濟(jì)效益最大化等目標(biāo)。

1 減磨措施評(píng)價(jià)指標(biāo)

以重載鐵路減磨措施為出發(fā)點(diǎn)，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?；谥笜?biāo)選取原則并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，通過綜合分析、專家調(diào)查、文獻(xiàn)歸納、多元統(tǒng)計(jì)多方法聯(lián)合構(gòu)建指標(biāo)體系，經(jīng)斟酌選取安全性、減磨效果、經(jīng)濟(jì)效益、實(shí)施復(fù)雜度、環(huán)境影響5方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，針對(duì)5方面細(xì)化出16個(gè)核心指標(biāo)，搭建不同減磨方式組合策略評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，指標(biāo)體系如圖1所示。

圖1 減磨策略評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2 方案確定與指標(biāo)數(shù)據(jù)分析

指標(biāo)數(shù)據(jù)是進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，通過Universal Mechanism(UM)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)以及磨耗仿真，提取數(shù)據(jù)并處理得到客觀指標(biāo)數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計(jì)調(diào)查、專家打分等方法確定主觀指標(biāo)數(shù)據(jù)，為措施評(píng)價(jià)奠定基礎(chǔ)。

2.1 減磨方案的確定

分析磨耗治理方面的文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)：軌道參數(shù)調(diào)整、打磨、潤滑3種減磨方式應(yīng)用前景良好，但不同單一措施各有優(yōu)缺點(diǎn)，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(diào)整、打磨、潤滑3種方式進(jìn)行兩兩組合得到3種方案，見表1。針對(duì)組合方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，從簡單的以減磨效果為衡量標(biāo)準(zhǔn)的形式，轉(zhuǎn)換為以整體最優(yōu)為目標(biāo)的全新模式。下面基于3種方案進(jìn)行探討。

表1 組合方案的確定

2.2 客觀指標(biāo)數(shù)據(jù)的計(jì)算

客觀指標(biāo)主要包含方案安全性、減磨效果和經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(shí)的方便性，將限制每項(xiàng)措施只允許介入一次，方案(A+B)介入線路時(shí)的時(shí)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(dòng)力學(xué)模型，采用 Archard 滑動(dòng)磨損模型來計(jì)算鋼軌磨耗，對(duì)初始工況和采用拉丁超立方分層抽樣方法設(shè)計(jì)的工況進(jìn)行全壽命仿真計(jì)算，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(duì)其動(dòng)力學(xué)仿真，以王建西[29]針對(duì)鋼軌打磨作出的假設(shè)為基礎(chǔ)，計(jì)算方案介入后的經(jīng)濟(jì)費(fèi)用。數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示。

表2 客觀指標(biāo)值

2.3 主觀指標(biāo)數(shù)據(jù)的分析

由于指標(biāo)的范圍、量綱不同，因此須對(duì)定性指標(biāo)量化處理。采用1～5標(biāo)度對(duì)定性指標(biāo)進(jìn)行等級(jí)劃分，建立定性指標(biāo)與評(píng)價(jià)等級(jí)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，見表3。

表3 定性指標(biāo)的量化分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

將5位業(yè)內(nèi)專家對(duì)3種方案關(guān)于實(shí)施復(fù)雜度和環(huán)境影響程度的評(píng)分進(jìn)行匯總，匯總結(jié)果見表4。

表4 主觀指標(biāo)值 分

3 措施優(yōu)選綜合評(píng)價(jià)

3.1 指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算

表5 各指標(biāo)綜合權(quán)重一覽表

3.2 二級(jí)指標(biāo)的評(píng)判分析

3.2.1 定量指標(biāo)的評(píng)判分析

3.2.2 定性指標(biāo)的評(píng)判分析

通過上述計(jì)算，得到影響效果的滿意度單指標(biāo)評(píng)價(jià)向量B，如表6所示。

表6 主觀單指標(biāo)滿意度評(píng)價(jià)向量一覽表 分

3.2.3 單指標(biāo)下的表現(xiàn)情況

根據(jù)定量指標(biāo)和定性指標(biāo)的數(shù)據(jù)，得到在不同的一級(jí)指標(biāo)下方案的評(píng)價(jià)結(jié)果，如圖2所示。

圖2 各類方案在單指標(biāo)下的表現(xiàn)情況

從圖2可知，方案Ⅰ在減磨效果方面的評(píng)價(jià)值為0.95以上，優(yōu)勢比較顯著；經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境影響方面則表現(xiàn)一般，并且在安全性和實(shí)施復(fù)雜度方面表現(xiàn)極差，評(píng)價(jià)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(shí)施復(fù)雜度方面優(yōu)勢明顯，在安全性和經(jīng)濟(jì)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(jí)指標(biāo)的評(píng)判分析

故綜合評(píng)價(jià)值H=W×R={0.915,0.922,0.918}。

綜合考慮安全性、減磨效果、經(jīng)濟(jì)效益、實(shí)施復(fù)雜度、環(huán)境影響5方面，方案綜合評(píng)價(jià)值如圖3所示。

圖3 方案綜合評(píng)價(jià)值

由圖3可知，方案Ⅱ的評(píng)價(jià)值高于其他方案，方案Ⅰ的綜合評(píng)價(jià)值最低，考慮所有指標(biāo)時(shí)，根據(jù)隸屬度最大原則，方案的優(yōu)劣排序?yàn)椋悍桨涪?方案Ⅲ>方案Ⅰ。

4 結(jié)論

針對(duì)現(xiàn)有的重載鐵路鋼軌減磨措施綜合評(píng)價(jià)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(duì)象，通過定量和定性結(jié)合的方式建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用模糊層次分析和灰色關(guān)聯(lián)度法對(duì)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)研究，主要的工作和結(jié)論有：

(1)建立重載鐵路鋼軌減磨措施綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和主觀指標(biāo)的量化標(biāo)準(zhǔn)，采用基于組合賦權(quán)的模糊層次分析和灰色關(guān)聯(lián)度融合分析模型進(jìn)行評(píng)價(jià)，保證研究結(jié)果的可靠性，其研究結(jié)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(diào)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(diào)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(shí)施復(fù)雜度層面優(yōu)勢明顯。就減磨效果而言，方案排序結(jié)果為：軌道參數(shù)調(diào)整+鋼軌打磨>軌道參數(shù)調(diào)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(píng)價(jià)值(D)顯示，減磨措施綜合評(píng)價(jià)效果由優(yōu)到劣為：軌道參數(shù)調(diào)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(diào)整+鋼軌打磨方案(0.915)。

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