高速列車平穩性與乘坐舒適度測試及評價

馬思群，王 猛，王曉杰，王成強，鄧 海

(1.大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028;2.北京理工大學，北京 100081;3.中國北車集團 長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130000)*

0 引言

隨著我國高速鐵路的發展，高速列車運營速度大幅提升，最大程度的保障乘客出行時的安全性和舒適性，時刻保障乘客出行的最基本權益是鐵路工作的重中之重.為此，新型列車出廠之后要進行長期的平穩性跟蹤監測，確保平穩性指標達到相關要求.舒適度是乘坐旅客列車的乘客對旅行品質的綜合反映評價，狹義來說，舒適度是列車運行產生的振動(包括橫向、縱向和垂向三個方向的加速度)對乘客的影響問題，即乘坐舒適度和平穩性［1］.本文通過對新型高速列車出廠后進行平穩性監測，分別采用平穩性和舒適性指標對列車的動力學性能進行分析，為下一代動車組的優化設計提供試驗依據.

1 計算方法與評價標準

1.1 平穩性標準

Sperling平穩性指標主要對車輛運行的橫向和垂向振動加速度進行綜合評價，此方法是通過大量的試驗驗證得出的具體結果.根據試驗結果，得出平穩性評價指標的計算公式(式(1)、式(2)).引進頻率修正項，提高了評價精度，同時考慮到車體對不同方向的振動敏感性和影響性的差異，將垂向振動和橫向振動的評價計算分開，從而得到了Sperling公式，我國鐵路以Wz≤2.5為評價的最優目標限值.平穩性指標用下式表示:

1.2 舒適性標準

UIC513舒適度指標綜合加權了被測點處橫向、縱向和垂向3個方向加速度進行舒適度評價［2］.其中測量和計算方法有3種，如下所示:

A、簡化意義上的舒適度計算公式

B、坐姿完整的舒適度計算公式(即考慮座椅和地板位置的振動加速度)

C、標準站立姿勢完整的舒適度計算公式

以上三個公式是一次5 min測量振動加速度的采集信號進行處理分析.在這一時間段內，計算時是分為60個小段進行的.式中a為加速度值，X、Y、Z為加速度振動方向.

2 試驗測試方案

本次試驗對象為某型高速動車組，主要用到光纖光柵加速度傳感器、光纖傳輸線、光纖光柵解調儀、工控機，無線傳輸設備和保證電源長時間供應的不間斷電源.其中，傳感器選用為基于FBG技術的OS7100加速度傳感器，金屬密封設計，鎧裝光纜保護，使用標準螺紋結構連接于結構表面，組合成三軸結構;SM130光纖光柵解調儀，大功率、高存儲率、多通道.其中光纖解調儀自配軟件系統，可進行相關參數設置、存儲設置等.

試驗用的其他設備如表1所示.

表1 設備名稱及功能

根據 GB5599-85標準的詳細規定［3］，在車體地板上布置了3組傳感器，每組傳感器包括3個單向傳感器和一個溫度補償傳感器，3組傳感器安裝示意圖如圖1，測定列車車體橫向和垂向加速度以及縱向加速度.使用的光纖光柵加速度傳感器安裝在距1、2位心盤(轉向架正上方地板位置)一側1 m的車體地板面上，且在車體中心位置也安裝有加速度傳感器.

圖1 GB5599規定的加速度測量點位置

3 測試結果

3.1 平穩性指標

基于Sperling平穩性指標的計算結果如表2、表3所示.

表2 計算結果(橫向)

表3 計算結果(垂向)

由計算結果可知:一位端橫向在速度250km/h以下時，平穩性指標為優秀，在300 km/h時，平穩性指標為良好，垂向在速度200 km/h以下時，平穩性指標為優秀，在250 km/h以上時，平穩性指標為良好;二位端在橫向和垂向的各個速度等級的加速度方均根值均小于2.5，屬于優秀級別;中間測點位置橫向在速度200 km/h以下時，平穩性指標為優秀，超過250 km/h時，平穩性指標為良好，垂向在速度150 km/h以下時，平穩性指標為優秀，在200 km/h時，平穩性指標為良好.

3.2 舒適度等級

基于UIC513標準的計算結果，如表4所示.

表4 計算結果

由 UIC513標準計算可知:一位端在速度100km/h時，車輛運行屬于非常舒適級別，在150km/h以上時，屬于舒適級別;二位端在速度100 km/h以下時，車輛運行屬于非常舒適級別，在150 km/h以上時，屬于舒適級別;中間測點位置在各個速度等級下均為舒適級別.

4 實驗結果分析

根據測試結果可以得出如下結論:

(1)試驗列車的乘坐舒適性滿足要求，動力學性能良好;

(2)采用旅客乘坐舒適性與平穩性指標同時對列車動力學性能進行評價，結果具有一致性 .旅客乘坐舒適性以旅客對振動量級和頻率的主觀感受為主.平穩性指標不僅反映旅客對振動量級和頻率的主觀感受，還反映了列車振動客觀的量級和頻率，但以后者為主;

(3)車從啟動到穩定運行時，橫向加速度均方根值變化比較劇烈，說明此過程橫向擺動較大，可能是因為軌道不平順及列車自身的橫向擺動疊加效應造成的;當穩定運行時，加速度值趨于穩定，基本保持不變;

(4)鏇輪后，測點的橫向與垂向加速度值較鏇輪前有所下降;列車進入隧道時，測點的加速度幅值和PSD值都明顯增大.

［1］劉轉華，林建輝.列車乘坐舒適性與平穩性測試及評價［J］.中國測試技術，2004(2):39-40.

［2］陳立功，倪純珍，張悅，等.按UIC513標準評估旅客列車振動舒適度［J］.中國鐵路，2001(4):60-62.

［3］國家標準局.GB5599-85鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范［S］.北京:中國標準出版社，1985.

［4］中華人民共和國鐵道部標準計量研究所.UIC513鐵路車輛內旅客振動舒適性評價準則［S］.北京:鐵道國際聯盟，1998.

［5］鐵道部.新建時速300～350公里客運專線鐵路設計暫行規定(上、下)［M］.北京:中國鐵道出版社，2007.

［6］于閣，林建輝，張兵.高速動車組車體振動特征及振動舒適度研究［J］.鐵道機車車輛，2013(S1):92-95.