重載貨車車輪磨耗發展規律及其踏面優化研究

王廣宇 趙瑞杰

摘要：重載貨車車輪踏面優化研究的主要目的是為了解決在實際應用過程中出現的一些問題，如車輪踏面部分存在著嚴重的磨損、剝離等現象。因此需要對其外形以及結構方面進行一定程度上的改進和完善，使得車輛能夠更加安全穩定地行駛。為了能夠更好地保證行車安全和提高運輸效率，針對重載貨車車輪磨耗發展規律以及相應的踏面優化展開相關研究與探討，多目標優化設計和遺傳算法為車輪踏面優化設計提供了可行性分析，研究表明，通過對車輪踏面結構的優化，可以減小車輪與車輪之間的受力，減小車輪磨耗，提高列車運行的安全性。

關鍵詞：重載貨車；車輪磨耗；規律；踏面優化

中圖分類號：U469.2? 收稿日期：2023-10-16

DOI：1019999/jcnki1004-0226202401021

1 前言

車輪磨耗及其踏面優化設計是影響重載鐵路運輸安全性和經濟性的重要因素，因此有不少學者對此進行了研究。謝清林等[1]經過深入的分析發現，車輪的磨損會改變它與輪軌之間的接觸幾何關系，并且會改變它們的接觸力學特性，隨著運行里程的增加，車輪的磨損也會呈現出線性上升的趨勢。王樹國等[2]研究發現，隨運行里程增加各車輪磨耗均不斷增大，磨耗發展呈逐漸減緩趨勢。王寧[3]研究發現，高速列車的輪軌接觸受到了踏面磨耗的嚴重影響，這種情況不僅會降低車輛的平穩性、安全性，還可能導致其他問題。因此，為了改善這種情況，需要通過優化轉向架的懸掛參數來改善車輪踏面磨耗狀態下的動力學特性，以達到最佳的運行效果。為了深入研究車輪踏面磨損的機理，王紅兵等[4]利用UM和MATLAB構建了一個包含車輛-軌道耦合動力學、輪軌局部接觸以及磨耗計算的模型，以期更好地預測車輪踏面磨耗的發生。

基于此，本文研究了重載貨車車輪磨耗發展規律及其踏面優化。

2 重載貨車車輪磨耗

隨著鐵路貨運的不斷發展，重載貨物運輸已經成為當今社會的一項重要的運輸方式。重載鐵路運輸的發展已經取得了巨大的成功，這主要歸功于車軸重量和裝載能力的提高。中國大秦鐵路擁有1萬t和2萬t的重載列車，其年運量也不斷攀升，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，這也證明了中國的重載鐵路運輸技術已經躋身全球前沿，為推動全球重載鐵路運輸的發展做出了積極的貢獻。然而，重載運輸也會導致車輪和鋼軌的磨損。根據美國和澳大利亞的統計，在重載運輸中，輪軌磨損在總費用中的比例在20%左右。美國與俄羅斯的資料顯示，每增加10 t的輪對載荷，輪軌與輪軌之間的磨損就會增大6～18倍，而對于彎曲部分，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濟損失是難以精確計算的，因此無法進行有效的評估。因此，我們需要采取有效措施來解決這些問題。隨著技術的進步，許多鐵路研究人員正在努力探索影響車輪和鋼軌磨損的各種因素，并尋求有效的減少磨損的方法。

車輪磨損是由于車輪踏面、輪緣和鋼軌內側面之間的摩擦力造成的，這種摩擦力可能會影響到重載貨車的性能，而這種摩擦力可能會導致車輛的性能變差，其中常見的原因有以下4點。

a.軸重對車輪踏面磨耗的影響。

當車軸的重量增加時，輪軌的接觸應力也會相應提高，當行駛距離增長時，輪軌的磨耗會變得更快。然而，通過不斷的磨合，這些因素會保持在一個穩定的水平。當車軸重量從21 t增加到23 t時，鋼軌磨損增加約80%左右；從21 t增加到25 t時，鋼軌磨損增加約150%左右。簡而言之，隨著車軸重量的增加，鋼軌之間的作用力增加，會導致鋼軌的磨耗增加，加速了鋼軌的破壞。

車輪磨耗與車輪和鋼軌之間的正壓力和蠕變力成正比，由于車軸重量的增加，車輪與軌道間的摩擦力增大是導致踏面磨耗增大的重要因素。據相關資料顯示，相較于23 t軸重的輪對，25 t軸重的車輪與車輪之間的接觸應力平均增加了5.5%。此外，25 t軸重的車輪相較于23 t軸重的車輪，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系。

研究發現，在嚴重磨耗的重型車輛輪對中，存在一種顯著的特征，即其中一側的車輪邊緣磨損較為明顯，而另一側幾乎沒有顯示明顯的磨損跡象。值得注意的是，同一輪對上的兩側車輪都沒有出現明顯的磨耗現象。

由于兩側車輪的邊緣磨損過大，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變得更大。在這種情況下，一側的輪緣磨損會更加嚴重，而另一側的輪緣則會相對較輕，即使它們的踏面的垂直磨耗非常嚴重。這說明，車輪輪緣的磨損程度與車輪踏面的垂直磨損程度存在著密切的聯系，但是兩者之間的差異并不顯著。

另外，影響車輪輪軌磨耗原因可能還有輪子和軌道的外形、材料不匹配，車輪上過多的熱負荷，列車操縱問題等。在評價大噸位卡車的車輪磨耗時，踏面、輪緣以及軌道磨耗被認為是關鍵的指標，直接影響汽車技術經濟性能。然而，目前尚缺乏統一的評價準則。在大噸位卡車車輪磨耗評定領域，已經涌現出多種標準和模式，國內外有不同的方法和不同的磨損模型。本文從減少車輪和鋼軌磨損的角度來研究車輪磨耗。

磨耗實質上是動力學過程中一種能量的逐漸耗散現象，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，又稱磨損量，通常表示在單位時間內，車輪與鋼軌表面之間的摩擦力，以及在行駛過程中的持續摩擦力。磨耗功常用Vt表示，通過計算蠕滑率和輪軌之間的蠕滑率之間的乘積來衡量磨耗功，可以得出磨耗功的增加會導致輪軌間的磨耗加劇。這個過程可以通過如下公式來描述：

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

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

b.磨耗指數。

一般將輪軌之間的橫向力與輪對沖角的乘積定義為磨耗指數，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；G為輪緣上的法向力；T為車輪半徑。磨損指數可以清晰地表示車輪踏面與鋼軌接觸處的摩擦，同時還可以揭示車輪邊緣與鋼軌表面的摩擦。當車輛在路上行駛，尤其是沿著彎道行駛，車輪邊緣會長期接觸到鋼軌表面，從而導致較大的橫向力和輪對沖角，因此，磨損指數可以更準確地反映這種摩擦，它也是輪軌磨耗的重要組成部分。

3 車輪踏面優化

車輪踏面優化設計是軌道交通系統的基本問題。車輪踏面是指車輪與鋼軌接觸的部分，輪緣是一種特殊的結構，它位于踏面和鋼軌之間，起到保護車輪免受脫軌的作用。當車輛沿著曲線前進時，輪緣會與外軌的內側相連，從而使機車沿著曲線前進。踏面的外觀會直接影響到機車的運行效率，因此必須進行合理的設計[5]。

為了確保輪對的正確運行，踏板的斜度是非常重要的。它的存在使得輪對能夠沿著一條平坦的路線運行，而且能夠抵抗路線的不均勻性。如果輪對偏離了原來的位置，兩個輪子會以不同的半徑滾動，形成蛇行運動，從而使得輪對的中心點得到恢復，并且能夠自動對準目標點。通過改變輪緣的特性，能夠避免輪緣與鋼軌的接觸，從而減少偏磨。隨著機車速度的提高，輪對蛇行運動會產生更大的橫向振動，這將會嚴重影響機車的運行質量。因此，為了有效地減少蛇行運動的影響，必須恰當地調整踏面的斜度。為降低在坡度1∶20下踏面與軌道表面之間的摩擦力，減少進入轉轍器或小半徑彎道時可能產生的突變，建議在坡度1∶20的位置采用1∶10的坡度。這樣設計可使踏面僅在小半徑曲線處與軌道表面接觸，有助于減小不穩定情況的發生。需要注意的是，由于錐踏面與軌道接觸的部位寬度過小，因此在磨損過程中會出現凹陷。根據實際操作經驗，當踏面達到一個特定的凹陷時，磨損會減緩，從而使其外觀更加穩定。

a.多目標優化設計方法。

在近幾年中多目標優化崛起，多目標優化的理論和數值方法經歷了顯著的發展，并廣泛應用于經濟學、農業、工程等日常領域。一些實例證明，多目標優化法算法已得到廣泛的工程應用，是一項極具發展前景的應用科學。不同于單目標優化問題，多目標優化問題涉及多個目標函數，這些函數之間存在一定的關聯，即使它們在性質上完全相反或存在矛盾。多目標優化算法可在這些相互聯系和矛盾的目標之間找到一種平衡解決方案，以確保多個目標都得到改善，而不至于出現一個目標的改善，導致其他目標惡化。

車輪踏面輪廓優化的問題通常被表述為“如何為給定的軌道和車輛設計一個新的踏面外形，以此使車輛達到指定或期望的要求”。優化車輪踏面的設計需要考慮多個因素，也就是多目標優化問題，其中最重要的是它的幾何特性、動態特性以及與地面的摩擦力。研究表明，車輪踏面的質量的好壞取決于許多因素，包括設計、使用、維護、操作等，而且它們之間存在著復雜的關聯，也就是多指標的系統問題。

一般來說，優化的輪軌型面應該是在特定的應用中提供良好的性能，這種性能一般基于以下標準來評價：①耐磨性；②抗疲勞性；③橫向力與垂向力之比最小化；④抑制波磨發展的性能；⑤噪聲最小化；⑥穩定性最大化。

當設計踏面時，踏面設計人員的整體目標就是實現優化。這一目標驅使著他們構建了一套數學模型來進行踏面優化?？紤]到不同類型車輛對踏面參數的需求各不相同，針對大中型客車的踏面優化問題，相應地建立了多目標優化模型。

在高速軌道上，大多數路段都是直線，彎路較少，且曲線路段的曲率半徑更大，這使得高速車輛能夠以更快的速度行駛，因此必須注意保證列車的平穩運行，也就是說，一定要保證列車的關鍵車速；高速列車以人為交通對象，對旅客的舒適性提出了更高的要求；高速、大噸位列車的共同特點是減少磨損，防止疲勞裂紋的產生與發展。所以，對高速客車的踏面進行優化設計時，應著眼于提高車輛的穩定性，重點研究了車輛的行駛速度、行駛舒適性、減少磨耗、預防疲勞的產生與發展等問題。而如何提高列車幾何約束，提高行車安全性，提高軌道穩定性（輪軌間的側向力），則成為第二目標。

b.遺傳算法。

遺傳算法是一種探究過程，其目的是為了找到一個最優解來求解一個復雜的問題。該算法采用評價、復制、交叉、變異等方法，使算法持續改進。該方法的一大特點是無需求解目標函數及約束方程的數值求導，可直接在求解空間內尋找最優解。由于其具有良好的全局尋優能力，在工程設計、制造、計算機科學和自動控制等諸多領域得到了廣泛的應用。

一般來說，將車輪踏面橫向上每0.5 mm設置一個數據點，以踏面原點為界，將車輪踏面劃分為兩個區域，每個區域都有一個特定的參數。我們可以用遺傳算法來計算每個區域的參數，將它們轉換成二進制數，用于描述每個區域的特征。通過進行基因的交叉和變異，可以獲得新的區域。

將車輪的幾何形狀與汽車、輪軌的接觸力學相聯系具有直接且高效的優點，從而提高整體效率?；谶@一觀點，提出了一種多目標優化模型，通過采用加權求和的方法，將多目標問題轉化為單目標問題，最后利用遺傳算法進行優化，從而達到最佳的結果。盡管遺傳算法在理論上可以用于實現許多工程系統，但是由于其龐大的計算量，科學家最終還是放棄了它，從而使得這一技術的應用受到了限制。

優化的車輪踏面設計不僅可以顯著降低高速列車的磨耗，也可以顯著緩解乘客的疲勞，進一步提高了列車的安全、可靠、平穩度，還能節約鐵路的運輸和維修成本，并且可以減少對環境的污染。這需要鐵路工作者和相關研究人員對此進行更深入的研究。

4 結語

隨著我國經濟的快速增長，鐵路運輸業也得到了飛速發展。在貨運量不斷增加、列車軸重和運距不斷加大的情況下，輪軌間相互作用力增大，導致車輛運行時產生較大振動與噪聲，影響行車安全性及乘坐舒適度。重載貨車車輪磨耗問題是影響重載車整體性能的重要因素，其發展水平在一定程度上反映了車輛使用安全性和效率性。本文主要針對重載貨車車輪磨耗情況及踏面優化設計進行探究，分析了引起重載貨車車輪輪軌磨耗的原因，及車輪磨耗的相關定義及相關數學模型；同時采用多目標優化設計和遺傳算法為車輪踏面優化設計提供了可行性分析，通過研究發現，對車輪踏面進行優化設計，可減少車輪磨耗情況。

參考文獻：

[1]謝清林，陶功權，王鵬，等高寒動車組車輪磨耗演變特性及其影響分析[J]工程力學，2019，36（10）：229-237

[2]王樹國，王璞復雜運營條件下重載貨車車輪磨耗發展的數值預測[J]同濟大學學報（自然科學版），2019（1）：71-78

[3]王寧考慮車輪踏面磨耗的高速動車動力學性能仿真及懸掛參數優化[D]石家莊：石家莊鐵道大學，2019

[4]王紅兵，李藝，李國芳，等高速車輛車輪踏面磨耗預測及系統參數影響分析[J]機械科學與技術，2022（5）：786-794

[5]杜彬，胡軍海，宋冬利重載鐵路貨車車輪踏面磨耗表征方法及其規律分析[J]鐵道機車車輛，2022，42（1）：1-9

作者簡介：

王廣宇，男，1995年生，助理工程師，研究方向為汽車技術服務與營銷。