鐵道車輛平穩(wěn)性指標(biāo)

張文春 吳伋

摘 ?要：針對TB/T2360，ISO2631和UIC513三種常用的平穩(wěn)性指標(biāo)評價(jià)方法進(jìn)行了對比，從加權(quán)函數(shù)對比標(biāo)準(zhǔn)之間的差異。通過實(shí)測加速度數(shù)據(jù)的頻譜構(gòu)成，認(rèn)為橫向加權(quán)函數(shù)衰減基本一致，TB/T2360垂向加權(quán)函數(shù)衰減最大，UIC513的標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)最為嚴(yán)格。

關(guān)鍵詞：平穩(wěn)性指標(biāo);機(jī)車動(dòng)力學(xué);評定方法;加權(quán)函數(shù)

中圖分類號：U260 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）32-0067-04

Abstract： The author analyzes three commonly used evaluation methods for stability index， TB/T2360， ISO2631 and UIC513， and the difference between the standards is compared from the weight function. According to the spectrum composition and relative sensitivity of the measured acceleration data， the attenuation of the lateral weighting function is basically the same， the attenuation of the vertical weighting function of TB/T2360 is the largest， and the standard evaluation of UIC513 is the most stringent.

Keywords： stability index; locomotive dynamics; evaluation method; weight function

引言

鐵路車輛平穩(wěn)性是評價(jià)機(jī)車動(dòng)力學(xué)性能的一項(xiàng)重要參數(shù)，廣義的平穩(wěn)性包括振動(dòng)、噪聲、座椅、空調(diào)、壓力變化等參數(shù)，但是通常平穩(wěn)性僅以振動(dòng)加速度對乘客的影響進(jìn)行評價(jià)。隨著一帶一路倡議鼓勵(lì)國內(nèi)企業(yè)走向世界，國內(nèi)行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)也需要逐步與國際標(biāo)準(zhǔn)接軌。

現(xiàn)行評價(jià)鐵路車輛平穩(wěn)性指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)主要評價(jià)車輛在所有線路范圍內(nèi)0～100Hz頻帶范圍內(nèi)的振動(dòng)分量，包括x，y和z軸的直線振動(dòng)，以及繞人體中心的三個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)振動(dòng)，對立姿、坐姿、臥姿人體的振動(dòng)進(jìn)行評價(jià)。

我國現(xiàn)行鐵路車輛評價(jià)規(guī)范有TB/T2360和GB/T5599[1，2]，其中用于評價(jià)平穩(wěn)性的部分都是基于Sperling平穩(wěn)性指標(biāo)發(fā)展而來。國外的現(xiàn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)包括國際通用標(biāo)準(zhǔn)ISO2631-1997[3]，國際鐵路聯(lián)盟UIC513-1997[4]和CEN組織發(fā)部的EN12299等。這些標(biāo)準(zhǔn)在頻率計(jì)算范圍、加權(quán)特性和平穩(wěn)性評價(jià)總值的計(jì)算方法上各有不同。本文針對各種平穩(wěn)性指標(biāo)的特點(diǎn)，通過實(shí)測數(shù)據(jù)對比分析相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)之間對平穩(wěn)性定義的偏差，評價(jià)不同標(biāo)準(zhǔn)選用對不同車型的影響。

1 平穩(wěn)性評價(jià)方法

常用的平穩(wěn)性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可分為三種完全獨(dú)立的評價(jià)方法：TB/T2360指標(biāo)，ISO2361標(biāo)準(zhǔn)和UIC513標(biāo)準(zhǔn)。其它標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)平穩(wěn)性指標(biāo)的內(nèi)容，TB/T2360和GB/T5599基于Sperling，EN12299基于UIC513，所以不單獨(dú)列出。

1.1 TB/T2360

TB/T2360采用的Sperling平穩(wěn)性指標(biāo)用來評價(jià)車輛運(yùn)行性能的方法在國際上獲得廣泛應(yīng)用[5，6]。TB/T2360基于大量試驗(yàn)來評價(jià)旅客乘坐平穩(wěn)性，采用時(shí)域信號評價(jià)平穩(wěn)性指標(biāo)時(shí)，采用加權(quán)加速度AW定義運(yùn)行加速度，

其中：aW（t）為加權(quán)加速度時(shí)間信號，m/s2，T為樣本周期。

TB/T2360采用最大加速度Amax和加權(quán)加速度總值A(chǔ)W對平穩(wěn)性進(jìn)行評價(jià)，運(yùn)行平穩(wěn)性各評定等級的界限值詳見表1。

1.2 ISO2631標(biāo)準(zhǔn)

ISO2631使用頻率加權(quán)總值aw評價(jià)平穩(wěn)性，可用于評價(jià)立姿、坐姿和臥姿的平穩(wěn)性，并引入振動(dòng)暴露總值用于評估振動(dòng)損傷。該標(biāo)準(zhǔn)可對正常操作過程中人體可能會(huì)遇到的任何情況進(jìn)行評價(jià)。

均方根加速度aw按照下式或其頻率的等價(jià)式計(jì)算：

式中：aw（t）為時(shí)間歷程的加權(quán)加速度，T為測量時(shí)長。對于站姿，z軸方向的頻率加權(quán)曲線為Wk，x軸和y軸方向的頻率加權(quán)曲線為Wd。

當(dāng)振動(dòng)在一個(gè)以上方向同時(shí)發(fā)生時(shí)，正交坐標(biāo)系下的振動(dòng)所決定的加權(quán)均方根加速度的振動(dòng)總量為：

式中：awx，awy，awz分別為x，y和z向的1/3倍頻帶的均方根加速度，kx，ky，kz為ISO2631規(guī)定的方向因數(shù)。

考慮到不同場合對平穩(wěn)性影響的因素有所不同，ISO2631未對振動(dòng)加速度的總量定義限界。如表2給出了在公共交通中綜合振動(dòng)總值的不同量值可能反應(yīng)的近似描述。

1.3 UIC513標(biāo)準(zhǔn)

UIC513標(biāo)準(zhǔn)對規(guī)定運(yùn)行條件下車輛運(yùn)行舒適性進(jìn)行說明。該標(biāo)準(zhǔn)是基于5min時(shí)長所獲取的車輛振動(dòng)加速度得到舒適性平均值。加速度采用加權(quán)均方根RMS值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算含有95%百分比的分量。

在地板水平高度上站立的平穩(wěn)性指標(biāo)N可用簡化算法計(jì)算得到，其計(jì)算公式為：

式中：a為加速度的有效值;下標(biāo)x，y，z分別表示縱向、橫向、垂向， P95表示地面振動(dòng)加速度95%的置信度;上標(biāo)Wi（i=b，d）為加速度的權(quán)值，Wd為水平加速度權(quán)值，Wb為垂直加速度權(quán)值。

如表3為UIC513對振動(dòng)平穩(wěn)性的指標(biāo)，推薦傳統(tǒng)鐵道車輛的平穩(wěn)性指標(biāo)N不超過4。

2 評價(jià)方法的權(quán)值對比

三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)均以加權(quán)加速度評價(jià)平穩(wěn)性，對比式（1），（2）和（4），TB/T2360僅考慮垂向和橫向的加權(quán)，ISO2631和UIC513考慮了三個(gè)方向的加速度。數(shù)據(jù)分析過程中僅考慮橫向和垂向振動(dòng)加速度。

如圖1和圖2分別為橫向和垂向權(quán)值的對比。TB/T2360的分析頻帶范圍為0.5～80Hz。ISO2631標(biāo)準(zhǔn)給出了0.1～250頻帶內(nèi)的所有加權(quán)函數(shù)，實(shí)際計(jì)算過程中使用僅考慮0.5～80Hz頻帶內(nèi)的分量。UIC513的分析范圍比上述兩者稍寬，為0.4～80Hz范圍。

整體而言，TB/T2360，ISO2631與UIC513橫向振動(dòng)的加權(quán)幾乎相同，但在垂向分量中。對于垂向分量，TB/T2360給予≤10Hz低頻分量更多的關(guān)注，ISO2631次之，UIC513最少;而在10～80Hz分量則完全相反。對于橫向分量，TB/T2360對>2Hz的分量給予更多的關(guān)注。

3 實(shí)測信號對比

為了對比三種平穩(wěn)性評價(jià)方法實(shí)際使用中的區(qū)別，以某型機(jī)車的橫向和垂向?qū)崪y數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，按照三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)結(jié)果。截取實(shí)測數(shù)據(jù)中的300s數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)采樣率為5kHz，分貝通過濾波、加權(quán)、FFT分析和統(tǒng)計(jì)求和得到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的加速度。

如圖3和圖4分別為橫向和垂向的原始加速度及三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的加權(quán)加速度。相比來看，橫向數(shù)據(jù)的三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)加權(quán)結(jié)果相差不大，但采用Sperling加權(quán)的頻帶范圍較小，僅考慮1～80Hz范圍，加權(quán)數(shù)據(jù)的峰值相對較小。垂向數(shù)據(jù)ISO2631和UIC513的加權(quán)結(jié)果基本一致，而Sperling的加權(quán)結(jié)果相對較小。

如圖5為加速度加權(quán)總值，ISO2631和UIC513標(biāo)準(zhǔn)的加權(quán)結(jié)果基本相同，UIC513采用95%置信度數(shù)據(jù)，加權(quán)加速度稍小;Sperling的加權(quán)加速度相對其它兩者偏小。

如圖6為各頻帶分量的加權(quán)加速度分量。三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)加權(quán)后主要頻帶的分布基本相同，橫向加速度分量主要集中再1～2Hz頻帶內(nèi)，垂向加速度主要分布再2～12.5Hz頻帶內(nèi)。

4 平穩(wěn)性分析

三種平穩(wěn)性評價(jià)指標(biāo)的評價(jià)結(jié)果見圖7～圖9。TB/T2360分別按橫向和垂向振動(dòng)加速度進(jìn)行平穩(wěn)性評估，ISO2631和UIC513以各方向的加速度均方值進(jìn)行評估;相比而言，TB/T2360的評估標(biāo)準(zhǔn)相對后兩者更為寬松，而UIC513對平穩(wěn)性的指標(biāo)限值最為嚴(yán)格。

5 結(jié)論

常用的平穩(wěn)性評價(jià)方法中，TB/T2360、ISO2631和UIC513的橫向加權(quán)函數(shù)衰減基本一致，而TB/T2360垂向加權(quán)函數(shù)衰減比其它兩者更大。實(shí)測信號的指標(biāo)對標(biāo)顯示，UIC513的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)最為嚴(yán)格，ISO2631次之，TB/T2360相對最為寬松。

參考文獻(xiàn)：

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