重載貨車(chē)車(chē)輪磨耗發(fā)展規(guī)律及其踏面優(yōu)化研究

王廣宇 趙瑞杰

摘要：重載貨車(chē)車(chē)輪踏面優(yōu)化研究的主要目的是為了解決在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)的一些問(wèn)題，如車(chē)輪踏面部分存在著嚴(yán)重的磨損、剝離等現(xiàn)象。因此需要對(duì)其外形以及結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行一定程度上的改進(jìn)和完善，使得車(chē)輛能夠更加安全穩(wěn)定地行駛。為了能夠更好地保證行車(chē)安全和提高運(yùn)輸效率，針對(duì)重載貨車(chē)車(chē)輪磨耗發(fā)展規(guī)律以及相應(yīng)的踏面優(yōu)化展開(kāi)相關(guān)研究與探討，多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)和遺傳算法為車(chē)輪踏面優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了可行性分析，研究表明，通過(guò)對(duì)車(chē)輪踏面結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，可以減小車(chē)輪與車(chē)輪之間的受力，減小車(chē)輪磨耗，提高列車(chē)運(yùn)行的安全性。

關(guān)鍵詞：重載貨車(chē)；車(chē)輪磨耗；規(guī)律；踏面優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：U469.2? 收稿日期：2023-10-16

DOI：1019999/jcnki1004-0226202401021

1 前言

車(chē)輪磨耗及其踏面優(yōu)化設(shè)計(jì)是影響重載鐵路運(yùn)輸安全性和經(jīng)濟(jì)性的重要因素，因此有不少學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究。謝清林等[1]經(jīng)過(guò)深入的分析發(fā)現(xiàn)，車(chē)輪的磨損會(huì)改變它與輪軌之間的接觸幾何關(guān)系，并且會(huì)改變它們的接觸力學(xué)特性，隨著運(yùn)行里程的增加，車(chē)輪的磨損也會(huì)呈現(xiàn)出線性上升的趨勢(shì)。王樹(shù)國(guó)等[2]研究發(fā)現(xiàn)，隨運(yùn)行里程增加各車(chē)輪磨耗均不斷增大，磨耗發(fā)展呈逐漸減緩趨勢(shì)。王寧[3]研究發(fā)現(xiàn)，高速列車(chē)的輪軌接觸受到了踏面磨耗的嚴(yán)重影響，這種情況不僅會(huì)降低車(chē)輛的平穩(wěn)性、安全性，還可能導(dǎo)致其他問(wèn)題。因此，為了改善這種情況，需要通過(guò)優(yōu)化轉(zhuǎn)向架的懸掛參數(shù)來(lái)改善車(chē)輪踏面磨耗狀態(tài)下的動(dòng)力學(xué)特性，以達(dá)到最佳的運(yùn)行效果。為了深入研究車(chē)輪踏面磨損的機(jī)理，王紅兵等[4]利用UM和MATLAB構(gòu)建了一個(gè)包含車(chē)輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)、輪軌局部接觸以及磨耗計(jì)算的模型，以期更好地預(yù)測(cè)車(chē)輪踏面磨耗的發(fā)生。

基于此，本文研究了重載貨車(chē)車(chē)輪磨耗發(fā)展規(guī)律及其踏面優(yōu)化。

2 重載貨車(chē)車(chē)輪磨耗

隨著鐵路貨運(yùn)的不斷發(fā)展，重載貨物運(yùn)輸已經(jīng)成為當(dāng)今社會(huì)的一項(xiàng)重要的運(yùn)輸方式。重載鐵路運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展已經(jīng)取得了巨大的成功，這主要?dú)w功于車(chē)軸重量和裝載能力的提高。中國(guó)大秦鐵路擁有1萬(wàn)t和2萬(wàn)t的重載列車(chē)，其年運(yùn)量也不斷攀升，從2006年的2.54億t，到2007年的3億t，再到2008年的3.4億t，使其成為全球最大的重載鐵路，這也證明了中國(guó)的重載鐵路運(yùn)輸技術(shù)已經(jīng)躋身全球前沿，為推動(dòng)全球重載鐵路運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展做出了積極的貢獻(xiàn)。然而，重載運(yùn)輸也會(huì)導(dǎo)致車(chē)輪和鋼軌的磨損。根據(jù)美國(guó)和澳大利亞的統(tǒng)計(jì)，在重載運(yùn)輸中，輪軌磨損在總費(fèi)用中的比例在20%左右。美國(guó)與俄羅斯的資料顯示，每增加10 t的輪對(duì)載荷，輪軌與輪軌之間的磨損就會(huì)增大6～18倍，而對(duì)于彎曲部分，磨損程度可以提高30倍。以大秦線為例，隨著軸重量由23 t增至25 t，踏面磨損也將隨之增大70%。值得注意的是，輪軌摩擦所造成的意外事故造成的經(jīng)濟(jì)損失是難以精確計(jì)算的，因此無(wú)法進(jìn)行有效的評(píng)估。因此，我們需要采取有效措施來(lái)解決這些問(wèn)題。隨著技術(shù)的進(jìn)步，許多鐵路研究人員正在努力探索影響車(chē)輪和鋼軌磨損的各種因素，并尋求有效的減少磨損的方法。

車(chē)輪磨損是由于車(chē)輪踏面、輪緣和鋼軌內(nèi)側(cè)面之間的摩擦力造成的，這種摩擦力可能會(huì)影響到重載貨車(chē)的性能，而這種摩擦力可能會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛的性能變差，其中常見(jiàn)的原因有以下4點(diǎn)。

a.軸重對(duì)車(chē)輪踏面磨耗的影響。

當(dāng)車(chē)軸的重量增加時(shí)，輪軌的接觸應(yīng)力也會(huì)相應(yīng)提高，當(dāng)行駛距離增長(zhǎng)時(shí)，輪軌的磨耗會(huì)變得更快。然而，通過(guò)不斷的磨合，這些因素會(huì)保持在一個(gè)穩(wěn)定的水平。當(dāng)車(chē)軸重量從21 t增加到23 t時(shí)，鋼軌磨損增加約80%左右；從21 t增加到25 t時(shí)，鋼軌磨損增加約150%左右。簡(jiǎn)而言之，隨著車(chē)軸重量的增加，鋼軌之間的作用力增加，會(huì)導(dǎo)致鋼軌的磨耗增加，加速了鋼軌的破壞。

車(chē)輪磨耗與車(chē)輪和鋼軌之間的正壓力和蠕變力成正比，由于車(chē)軸重量的增加，車(chē)輪與軌道間的摩擦力增大是導(dǎo)致踏面磨耗增大的重要因素。據(jù)相關(guān)資料顯示，相較于23 t軸重的輪對(duì)，25 t軸重的車(chē)輪與車(chē)輪之間的接觸應(yīng)力平均增加了5.5%。此外，25 t軸重的車(chē)輪相較于23 t軸重的車(chē)輪，其踏面磨損程度更高，高出了38%。

b.踏面垂直磨耗與輪緣磨耗的關(guān)系。

研究發(fā)現(xiàn)，在嚴(yán)重磨耗的重型車(chē)輛輪對(duì)中，存在一種顯著的特征，即其中一側(cè)的車(chē)輪邊緣磨損較為明顯，而另一側(cè)幾乎沒(méi)有顯示明顯的磨損跡象。值得注意的是，同一輪對(duì)上的兩側(cè)車(chē)輪都沒(méi)有出現(xiàn)明顯的磨耗現(xiàn)象。

由于兩側(cè)車(chē)輪的邊緣磨損過(guò)大，其縱向踏面上的磨損也更為明顯，這意味著它們的直徑差異會(huì)變得更大。在這種情況下，一側(cè)的輪緣磨損會(huì)更加嚴(yán)重，而另一側(cè)的輪緣則會(huì)相對(duì)較輕，即使它們的踏面的垂直磨耗非常嚴(yán)重。這說(shuō)明，車(chē)輪輪緣的磨損程度與車(chē)輪踏面的垂直磨損程度存在著密切的聯(lián)系，但是兩者之間的差異并不顯著。

另外，影響車(chē)輪輪軌磨耗原因可能還有輪子和軌道的外形、材料不匹配，車(chē)輪上過(guò)多的熱負(fù)荷，列車(chē)操縱問(wèn)題等。在評(píng)價(jià)大噸位卡車(chē)的車(chē)輪磨耗時(shí)，踏面、輪緣以及軌道磨耗被認(rèn)為是關(guān)鍵的指標(biāo)，直接影響汽車(chē)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能。然而，目前尚缺乏統(tǒng)一的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。在大噸位卡車(chē)車(chē)輪磨耗評(píng)定領(lǐng)域，已經(jīng)涌現(xiàn)出多種標(biāo)準(zhǔn)和模式，國(guó)內(nèi)外有不同的方法和不同的磨損模型。本文從減少車(chē)輪和鋼軌磨損的角度來(lái)研究車(chē)輪磨耗。

磨耗實(shí)質(zhì)上是動(dòng)力學(xué)過(guò)程中一種能量的逐漸耗散現(xiàn)象，特指輪軌接觸表面所消耗的摩擦功或蠕滑引起的能量散失。

a.磨耗功率。

磨損功率，又稱(chēng)磨損量，通常表示在單位時(shí)間內(nèi)，車(chē)輪與鋼軌表面之間的摩擦力，以及在行駛過(guò)程中的持續(xù)摩擦力。磨耗功常用Vt表示，通過(guò)計(jì)算蠕滑率和輪軌之間的蠕滑率之間的乘積來(lái)衡量磨耗功，可以得出磨耗功的增加會(huì)導(dǎo)致輪軌間的磨耗加劇。這個(gè)過(guò)程可以通過(guò)如下公式來(lái)描述：

[Vt=μ0.6×Tawa+TbwbX]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中，[μ]為輪軌之間的摩擦因數(shù)；X為輪軌間的接觸面積。輪軌磨損主要體現(xiàn)在車(chē)輪與鋼軌之間的蠕滑程度，也就是車(chē)輪在鋼軌上的滑動(dòng)程度。蠕滑率增大代表著車(chē)輪在鋼軌上的滑動(dòng)增加，這會(huì)導(dǎo)致車(chē)輪和鋼軌表面的磨損程度加劇。因此，輪軌磨損的主要表現(xiàn)就在于車(chē)輪的胎面和鋼軌表面的磨損。

b.磨耗指數(shù)。

一般將輪軌之間的橫向力與輪對(duì)沖角的乘積定義為磨耗指數(shù)，一般用Vi表示，用公式表示為：

[V1=μGψ]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

[V2=μG（xT）2+（ψtrf?）2]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中，[μ]為輪軌間的摩擦因數(shù)；G為輪緣上的法向力；T為車(chē)輪半徑。磨損指數(shù)可以清晰地表示車(chē)輪踏面與鋼軌接觸處的摩擦，同時(shí)還可以揭示車(chē)輪邊緣與鋼軌表面的摩擦。當(dāng)車(chē)輛在路上行駛，尤其是沿著彎道行駛，車(chē)輪邊緣會(huì)長(zhǎng)期接觸到鋼軌表面，從而導(dǎo)致較大的橫向力和輪對(duì)沖角，因此，磨損指數(shù)可以更準(zhǔn)確地反映這種摩擦，它也是輪軌磨耗的重要組成部分。

3 車(chē)輪踏面優(yōu)化

車(chē)輪踏面優(yōu)化設(shè)計(jì)是軌道交通系統(tǒng)的基本問(wèn)題。車(chē)輪踏面是指車(chē)輪與鋼軌接觸的部分，輪緣是一種特殊的結(jié)構(gòu)，它位于踏面和鋼軌之間，起到保護(hù)車(chē)輪免受脫軌的作用。當(dāng)車(chē)輛沿著曲線前進(jìn)時(shí)，輪緣會(huì)與外軌的內(nèi)側(cè)相連，從而使機(jī)車(chē)沿著曲線前進(jìn)。踏面的外觀會(huì)直接影響到機(jī)車(chē)的運(yùn)行效率，因此必須進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)[5]。

為了確保輪對(duì)的正確運(yùn)行，踏板的斜度是非常重要的。它的存在使得輪對(duì)能夠沿著一條平坦的路線運(yùn)行，而且能夠抵抗路線的不均勻性。如果輪對(duì)偏離了原來(lái)的位置，兩個(gè)輪子會(huì)以不同的半徑滾動(dòng)，形成蛇行運(yùn)動(dòng)，從而使得輪對(duì)的中心點(diǎn)得到恢復(fù)，并且能夠自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)點(diǎn)。通過(guò)改變輪緣的特性，能夠避免輪緣與鋼軌的接觸，從而減少偏磨。隨著機(jī)車(chē)速度的提高，輪對(duì)蛇行運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生更大的橫向振動(dòng)，這將會(huì)嚴(yán)重影響機(jī)車(chē)的運(yùn)行質(zhì)量。因此，為了有效地減少蛇行運(yùn)動(dòng)的影響，必須恰當(dāng)?shù)卣{(diào)整踏面的斜度。為降低在坡度1∶20下踏面與軌道表面之間的摩擦力，減少進(jìn)入轉(zhuǎn)轍器或小半徑彎道時(shí)可能產(chǎn)生的突變，建議在坡度1∶20的位置采用1∶10的坡度。這樣設(shè)計(jì)可使踏面僅在小半徑曲線處與軌道表面接觸，有助于減小不穩(wěn)定情況的發(fā)生。需要注意的是，由于錐踏面與軌道接觸的部位寬度過(guò)小，因此在磨損過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)凹陷。根據(jù)實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)踏面達(dá)到一個(gè)特定的凹陷時(shí)，磨損會(huì)減緩，從而使其外觀更加穩(wěn)定。

a.多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

在近幾年中多目標(biāo)優(yōu)化崛起，多目標(biāo)優(yōu)化的理論和數(shù)值方法經(jīng)歷了顯著的發(fā)展，并廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)學(xué)、農(nóng)業(yè)、工程等日常領(lǐng)域。一些實(shí)例證明，多目標(biāo)優(yōu)化法算法已得到廣泛的工程應(yīng)用，是一項(xiàng)極具發(fā)展前景的應(yīng)用科學(xué)。不同于單目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題涉及多個(gè)目標(biāo)函數(shù)，這些函數(shù)之間存在一定的關(guān)聯(lián)，即使它們?cè)谛再|(zhì)上完全相反或存在矛盾。多目標(biāo)優(yōu)化算法可在這些相互聯(lián)系和矛盾的目標(biāo)之間找到一種平衡解決方案，以確保多個(gè)目標(biāo)都得到改善，而不至于出現(xiàn)一個(gè)目標(biāo)的改善，導(dǎo)致其他目標(biāo)惡化。

車(chē)輪踏面輪廓優(yōu)化的問(wèn)題通常被表述為“如何為給定的軌道和車(chē)輛設(shè)計(jì)一個(gè)新的踏面外形，以此使車(chē)輛達(dá)到指定或期望的要求”。優(yōu)化車(chē)輪踏面的設(shè)計(jì)需要考慮多個(gè)因素，也就是多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，其中最重要的是它的幾何特性、動(dòng)態(tài)特性以及與地面的摩擦力。研究表明，車(chē)輪踏面的質(zhì)量的好壞取決于許多因素，包括設(shè)計(jì)、使用、維護(hù)、操作等，而且它們之間存在著復(fù)雜的關(guān)聯(lián)，也就是多指標(biāo)的系統(tǒng)問(wèn)題。

一般來(lái)說(shuō)，優(yōu)化的輪軌型面應(yīng)該是在特定的應(yīng)用中提供良好的性能，這種性能一般基于以下標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)價(jià)：①耐磨性；②抗疲勞性；③橫向力與垂向力之比最小化；④抑制波磨發(fā)展的性能；⑤噪聲最小化；⑥穩(wěn)定性最大化。

當(dāng)設(shè)計(jì)踏面時(shí)，踏面設(shè)計(jì)人員的整體目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。這一目標(biāo)驅(qū)使著他們構(gòu)建了一套數(shù)學(xué)模型來(lái)進(jìn)行踏面優(yōu)化?？紤]到不同類(lèi)型車(chē)輛對(duì)踏面參數(shù)的需求各不相同，針對(duì)大中型客車(chē)的踏面優(yōu)化問(wèn)題，相應(yīng)地建立了多目標(biāo)優(yōu)化模型。

在高速軌道上，大多數(shù)路段都是直線，彎路較少，且曲線路段的曲率半徑更大，這使得高速車(chē)輛能夠以更快的速度行駛，因此必須注意保證列車(chē)的平穩(wěn)運(yùn)行，也就是說(shuō)，一定要保證列車(chē)的關(guān)鍵車(chē)速；高速列車(chē)以人為交通對(duì)象，對(duì)旅客的舒適性提出了更高的要求；高速、大噸位列車(chē)的共同特點(diǎn)是減少磨損，防止疲勞裂紋的產(chǎn)生與發(fā)展。所以，對(duì)高速客車(chē)的踏面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)著眼于提高車(chē)輛的穩(wěn)定性，重點(diǎn)研究了車(chē)輛的行駛速度、行駛舒適性、減少磨耗、預(yù)防疲勞的產(chǎn)生與發(fā)展等問(wèn)題。而如何提高列車(chē)幾何約束，提高行車(chē)安全性，提高軌道穩(wěn)定性（輪軌間的側(cè)向力），則成為第二目標(biāo)。

b.遺傳算法。

遺傳算法是一種探究過(guò)程，其目的是為了找到一個(gè)最優(yōu)解來(lái)求解一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題。該算法采用評(píng)價(jià)、復(fù)制、交叉、變異等方法，使算法持續(xù)改進(jìn)。該方法的一大特點(diǎn)是無(wú)需求解目標(biāo)函數(shù)及約束方程的數(shù)值求導(dǎo)，可直接在求解空間內(nèi)尋找最優(yōu)解。由于其具有良好的全局尋優(yōu)能力，在工程設(shè)計(jì)、制造、計(jì)算機(jī)科學(xué)和自動(dòng)控制等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

一般來(lái)說(shuō)，將車(chē)輪踏面橫向上每0.5 mm設(shè)置一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，以踏面原點(diǎn)為界，將車(chē)輪踏面劃分為兩個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域都有一個(gè)特定的參數(shù)。我們可以用遺傳算法來(lái)計(jì)算每個(gè)區(qū)域的參數(shù)，將它們轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)，用于描述每個(gè)區(qū)域的特征。通過(guò)進(jìn)行基因的交叉和變異，可以獲得新的區(qū)域。

將車(chē)輪的幾何形狀與汽車(chē)、輪軌的接觸力學(xué)相聯(lián)系具有直接且高效的優(yōu)點(diǎn)，從而提高整體效率?；谶@一觀點(diǎn)，提出了一種多目標(biāo)優(yōu)化模型，通過(guò)采用加權(quán)求和的方法，將多目標(biāo)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)問(wèn)題，最后利用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化，從而達(dá)到最佳的結(jié)果。盡管遺傳算法在理論上可以用于實(shí)現(xiàn)許多工程系統(tǒng)，但是由于其龐大的計(jì)算量，科學(xué)家最終還是放棄了它，從而使得這一技術(shù)的應(yīng)用受到了限制。

優(yōu)化的車(chē)輪踏面設(shè)計(jì)不僅可以顯著降低高速列車(chē)的磨耗，也可以顯著緩解乘客的疲勞，進(jìn)一步提高了列車(chē)的安全、可靠、平穩(wěn)度，還能節(jié)約鐵路的運(yùn)輸和維修成本，并且可以減少對(duì)環(huán)境的污染。這需要鐵路工作者和相關(guān)研究人員對(duì)此進(jìn)行更深入的研究。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，鐵路運(yùn)輸業(yè)也得到了飛速發(fā)展。在貨運(yùn)量不斷增加、列車(chē)軸重和運(yùn)距不斷加大的情況下，輪軌間相互作用力增大，導(dǎo)致車(chē)輛運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生較大振動(dòng)與噪聲，影響行車(chē)安全性及乘坐舒適度。重載貨車(chē)車(chē)輪磨耗問(wèn)題是影響重載車(chē)整體性能的重要因素，其發(fā)展水平在一定程度上反映了車(chē)輛使用安全性和效率性。本文主要針對(duì)重載貨車(chē)車(chē)輪磨耗情況及踏面優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行探究，分析了引起重載貨車(chē)車(chē)輪輪軌磨耗的原因，及車(chē)輪磨耗的相關(guān)定義及相關(guān)數(shù)學(xué)模型；同時(shí)采用多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)和遺傳算法為車(chē)輪踏面優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了可行性分析，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)車(chē)輪踏面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可減少車(chē)輪磨耗情況。

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作者簡(jiǎn)介：

王廣宇，男，1995年生，助理工程師，研究方向?yàn)槠?chē)技術(shù)服務(wù)與營(yíng)銷(xiāo)。