動車組乘坐舒適度的優(yōu)化研究

趙　明, 郭　濤, 安　超

(唐山軌道客車有限責(zé)任公司， 河北唐山 063035)

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動車組乘坐舒適度的優(yōu)化研究

趙明, 郭濤, 安超

(唐山軌道客車有限責(zé)任公司， 河北唐山 063035)

依據(jù)軌道車輛乘坐舒適度測試和評價標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合現(xiàn)有動車組乘坐舒適度測試數(shù)據(jù)分析，以某速度250 km/h動車組舒適度優(yōu)化并滿足標(biāo)準(zhǔn)要求為目的，通過多次振動測試和仿真分析研究，提出了適合現(xiàn)車的舒適度優(yōu)化方案，該方案基本不改變車輛結(jié)構(gòu)和狀態(tài)，并且工程實施也比較容易，試驗結(jié)果表明，動車組在方案實施后舒適度有明顯改善，也能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

動車組； 舒適度； 振動測試； 優(yōu)化方案

近幾年我國高速鐵路發(fā)展迅速，動車組列車已成為人們出行的主要交通工具，除了安全和正點之外，更舒適的乘坐環(huán)境也越來越被重視。乘坐舒適度是動車組舒適度能的重要評價指標(biāo)之一，該指標(biāo)體現(xiàn)了人體對車輛振動的感受程度，無論是國際還是國內(nèi)的試驗規(guī)范幾乎都要求對鐵道車輛的舒適度進(jìn)行測量并給出評價。我國動車組依照標(biāo)準(zhǔn)EN 12299《鐵路車輛旅客乘坐舒適度的測量及評估》和《高速動車組整車試驗規(guī)范》進(jìn)行舒適度測試，并按照《CRH系列動車組噪聲等指標(biāo)暫行規(guī)定》進(jìn)行評價[1-3]，要求動車組舒適度指標(biāo)達(dá)到2級(N<2)。1舒適度測試及評價

依照受到不同頻率的振動，人體感受到振動的大小也不同，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織在1974年制定了ISO 2631《關(guān)于人體振動暴露的評價指針》[4]測試及評價標(biāo)準(zhǔn)，并依此對車輛舒適度進(jìn)行評價，之后經(jīng)多次修訂，將分析頻率范圍確定為0.5～80 Hz，并考慮了引起暈車的0.1～0.5 Hz垂向振動頻率，對原版中暴露時間的影響，因為沒有明確舒適度與暴露時間的關(guān)系而予以去除[5]。

根據(jù)ISO 2631規(guī)定，對修正后的加速度數(shù)據(jù)按式(1)計算有效值aw，將其作為舒適度指標(biāo)，并依據(jù)表1進(jìn)行評價。

(1)

式(1)中aw(t)為修正后的加速度瞬時值，m/s2或者rad/s2；

T為測量時間，s。

EN 12299是在ISO 2631的基礎(chǔ)上，將人體受到的垂向振動采用更適合于鐵路車輛運營環(huán)境的Wb頻率曲線進(jìn)行修正，橫向和縱向振動采用Wd頻率曲線修正[6]，修正曲線如圖1和圖2所示。并提出平均舒適度完整法和平均舒適度標(biāo)準(zhǔn)法進(jìn)行評價。

表1　振動大小與舒適度關(guān)系

圖1　Wb修正曲線

EN 12299規(guī)定在地板和座椅這樣的固定點進(jìn)行測量，并考慮車體具有彈性，測點布置在車體中心和兩端部、以及這些位置最近的座椅處，采集的振動數(shù)據(jù)按照式(2)和式(3)求取舒適度。

我國依據(jù)EN 12299并考慮站立乘客舒適度情況，一般將測點布置在轉(zhuǎn)向架中心之上車內(nèi)地板位置，中部測點位于車內(nèi)地板幾何中心位置，并采用平均舒適度標(biāo)準(zhǔn)法計算舒適度，由表2進(jìn)行評價。

圖2　Wd修正曲線

平均舒適度完整法：

(2)

(3)

平均舒適度標(biāo)準(zhǔn)法：

(4)

式中：a為加速度值，m/s2；

Wi為對應(yīng)不同頻率修正曲線(i=b,c,d)；

X，Y，Z為表示加速度傳感器的測試方向；

P為地板接口；

A為座椅底盤接口；

D為座椅靠背接口；

95表示加速度樣本值概率分位點95%；

50表示加速度樣本值概率分位點50%。

表2　舒適度評價方法

2　現(xiàn)有動車組舒適度情況

通過對國內(nèi)主要高鐵線路動車組在不同運營速度下的舒適度測試，結(jié)果如圖3所示，可以看出動車組舒適度與運營速度直接相關(guān)，舒適度指標(biāo)隨著速度提升整體呈增大的趨勢，在車輛速度達(dá)到350km/h時舒適度指標(biāo)N接近于2，考慮到動車組運營速度低于350 km/h，所以能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

為滿足國內(nèi)對速度250 km/h動車組的需求，各主機(jī)廠借鑒現(xiàn)有成熟動車組技術(shù)平臺，開展了速度250 km/h 動車組的自主化設(shè)計。

圖4和圖5為國內(nèi)自主研制的某速度250 km/h動車組頭車和中間車的舒適度測試結(jié)果，當(dāng)速度達(dá)到220 km/h 時，舒適度指標(biāo)均已經(jīng)超過2，隨著運行速度繼續(xù)提升舒適度也越來越差，已不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖3　現(xiàn)有動車組舒適度指標(biāo)

圖4　頭車舒適度散點圖

圖5　中間車舒適度散點圖

3　舒適度優(yōu)化方案研究

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，動車組在自主化設(shè)計過程中，企業(yè)為能進(jìn)一步降低原材料的消耗、降低制造成本和節(jié)省牽引動力，一般會通過車體結(jié)構(gòu)和材料的優(yōu)化研究，進(jìn)而達(dá)到車體輕量化目的，而研究表明車體輕量化對乘坐舒適度而言是不利的[7]。

3.1舒適度測試分析

通過對速度250 km/h動車組在線路運行條件下的地板振動測試數(shù)據(jù)分析，如圖6，可以看出在不同速度工況下，垂向振動加速度在10 Hz和20～30 Hz頻率附近均存在較大峰值。再結(jié)合EN 12299標(biāo)準(zhǔn)定義的Wab修正曲線要求，舒適度指標(biāo)在10 Hz和20～30 Hz頻率加權(quán)值較高，所以可以判斷地板在10 Hz和20～30 Hz頻率出現(xiàn)的較高峰值是引起舒適度指標(biāo)超標(biāo)的直接原因。

圖6　車體垂向加速度頻譜圖

車內(nèi)地板振動一是來自于輪軌作用下的振動傳遞，二是車體及結(jié)構(gòu)自身模態(tài)的貢獻(xiàn)。通過進(jìn)一步對該動車組進(jìn)行振動傳遞測試，如圖7和圖8，可看出車體垂向振動在10 Hz左右存在明顯峰值，車體橫向振動在10 Hz沒有峰值，而且軸箱和構(gòu)架也沒有發(fā)現(xiàn)該頻率峰值。所以初步判斷地板10 Hz振動峰值來自于車體固有振動特性，之后對車體進(jìn)行了試驗?zāi)B(tài)分析，結(jié)果如圖9所示，可以確定10 Hz為車體一階垂彎模態(tài)頻率。

對于地板出現(xiàn)的20～30 Hz頻率處較大峰值，通過不同時速下的局部地板進(jìn)行工作模態(tài)測試，結(jié)果如表3，不同工況下地板結(jié)構(gòu)在28 Hz附近均存在較明顯的局部顫振模態(tài)，所以車內(nèi)地板在20～30 Hz頻率處的振動主要是地板局部顫振模態(tài)貢獻(xiàn)。

圖7　車體橫向振動傳遞關(guān)系

圖8　車體垂向振動傳遞關(guān)系

圖9　車體一階垂彎模態(tài)(10.3 Hz)

3.2舒適度優(yōu)化實施

綜上該動車組在運行過程中，車體一階垂彎模態(tài)和地板局部顫振模態(tài)均對地板振動貢獻(xiàn)較大，且對舒適度指標(biāo)加權(quán)值也較大，所以導(dǎo)致該車舒適度超標(biāo)。根據(jù)圖1修正曲線，應(yīng)盡量提高這兩個模態(tài)頻率，以避開曲線中較高加權(quán)頻率范圍，進(jìn)而改善車輛舒適度。其中車體垂彎模態(tài)是車輛的整體模態(tài)，而且現(xiàn)有動車組一階垂彎模態(tài)均只略高于10 Hz，再提高很困難且不適合優(yōu)化實施。

從工程角度考慮，提高車內(nèi)地板模態(tài)相對容易實施。通過對地板結(jié)構(gòu)建立模型，并進(jìn)行模態(tài)分析，結(jié)果如圖10所示，計算與測試結(jié)果比較接近，說明該模型能較準(zhǔn)確的反應(yīng)實際地板振動特性。

表3　5種工況顫振局部模態(tài)頻率

圖10　地板結(jié)構(gòu)及模態(tài)分析結(jié)果(28.4 Hz)

按照模態(tài)理論，通過增加該地板的剛度可以提高模態(tài)頻率。如果增加地板材質(zhì)剛度，地板整體質(zhì)量也會大幅增加，不符合輕量化設(shè)計理念。通過觀察，地板結(jié)構(gòu)通過彈性支撐與車體地板鋁合金型材連接，局部模態(tài)總是在支撐薄弱處出現(xiàn)的，所以采取在地板模型支撐薄弱位置增加支撐并進(jìn)行模態(tài)計算，圖11為計算結(jié)果，可以看出地板增加支撐位置處的顫振模態(tài)得到抑制，由以上分析可知，該處舒適度也會相應(yīng)提高。

為了進(jìn)行方案驗證，對現(xiàn)車地板按照支撐薄弱區(qū)域增加了彈性支撐的方式進(jìn)行了優(yōu)化整改，并完成了線路條件下舒適度試驗，試驗結(jié)果如圖12和圖13所示，可以看出，優(yōu)化方案實施后動車組舒適度較之前已經(jīng)大幅度改善，也能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖11　增加支撐后地板模態(tài)

圖12　6車舒適度測試結(jié)果

圖13　8車舒適度測試結(jié)果

4　結(jié)束語

乘坐舒適度是軌道車輛振動舒適度最主要的評價指標(biāo)，我國對新造和現(xiàn)有動車組運行時的振動影響也越來越重視。本文是在車輛舒適度的測試和評價標(biāo)準(zhǔn)分析基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有動車組舒適度測試數(shù)據(jù)，針對我國自行研制的速度250 km/h動車組舒適度超標(biāo)情況，通過測試與仿真聯(lián)合分析，提出了適用于現(xiàn)車實施且對車輛改動很少的舒適度優(yōu)化方案，方案經(jīng)試驗驗證能夠較大程度的改善動車組乘坐舒適度。

[1]DIN EN 12299-2009，R ailway applications - Ride comfort for passengers[S].

[2]鐵運28號-2008，高速動車組整車試驗規(guī)范[S].

[3]鐵總科技210號-2014 CRH系列動車組噪聲等評價指標(biāo)暫行規(guī)定[S].

[4]余展猷.鐵道車輛舒適性評價方法的發(fā)展和研究現(xiàn)狀[J].鐵道車輛，2004，(3):42.

[5]ISO 2631.關(guān)于人體振動暴露的評價指針[S].

[6]Guido Lauriks，The Comfortable Quality Evaluation of Rolling Stock，Rail International Schienender Welt[J].2003，(2):32-40.

Ride Comfort Optimization of Service EMU

ZHAOMing,GUOTao,ANChao

(Tangshan Railway Vehicle Co., Ltd., Tangshan 063035 Hebei, China)

Based rail vehicle ride comfort test and evaluation standards, combined with the existing EMU ride comfort test data analysis, and in order to achieve a speed of 250 km EMU improved comfort and to meet the standards, through multiple vibration test and simulation analysis, proposed enforceable optimization program for the mentioned vehicle, the program does not change the basic vehicle structure and status, and project implementation is also relatively easy. The test results showed that EMU comfort improved obviously after implementation of the program, and can also meet the standards.

EMU; comfort; line test; vibration mode

1008-7842 (2016) 03-0046-05

男，工程師(

2015-12-13)

U292.91+4

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.03.10