城市軌道交通車輛運行舒適性指標計算與試驗分析

韋海菊 解建坤

(中車南京浦鎮車輛有限公司，210031,南京 ∥ 第一作者，高級工程師)

車輛的振動特性與車輛動態工況的列車運行品質息息相關。在軌道車輛動力學性能評價方法與指標體系的研究中，對乘坐舒適性的研究在軌道車輛技術發展中尤為重要[1-2]。

20世紀70年代，ISO(國際標準化組織)制定的國際標準ISO 2631《人體承受全身振動的評價指南》，成為評價人體承受全身振動的國際性通用標準[3]，世界各國將其作為本國的強制執行標準[4-7]。該標準把振動對人體的影響用疲勞時間T表示，從維持工作效能、安全或健康以及舒適性等三方面出發，相應提出了疲勞導致工效下降限度、感受極限和舒適性下降限度3種疲勞度。當人體連續受到振動影響時，經一段時間后便因疲勞而使工作效能下降。由于ISO 2631舒適性指標計算方法是以短時間的簡諧振動試驗研究成果為基礎的，所以此標準對于軌道車輛等長時間隨機振動環境以及其他一些沖擊比較大的振動環境的適用性有待分析。同時，由于ISO 2631中關于數據采集要求和計算參數沒有明確規定，因而，對ISO 2631舒適性指標的計算方法進行分析顯得尤為必要。

本文分析了ISO 2631舒適性指標的計算方法和時域濾波器的設計過程，以及計算窗口長度和采樣頻率對計算結果的敏感度，并基于某列城市軌道交通列車運行的實測振動加速度數據，計算了原始座椅和負重座椅的舒適性指標。

1 ISO 2631舒適性指標計算

1.1 計算方法

舒適性指標需要計算各方向的計權加速度均方根值aw。對試驗采集的信號加速度時間歷程a(t)通過頻率加權數值ω(f)后得到計權加速度時間歷程aw(t)(平移或旋轉)，單位為m/s2(或rad/s2)，在時間T內，通過時域積分法得到aw。

(1)

當振動在1個以上方向同時發生時，正交坐標系下的振動所決定的計權均方根加速度的振動總量為：

(2)

式中：

awx,awy,awz——對應為坐標軸x、y和z上的計權均方根加速度；

kx,ky,kz——方向因數。

對于地板點的舒適性計算，方向因數對應于該點的車輛坐標系；對于座椅點的舒適性計算，方向因數對應于座椅靠背的y向、椅盤的x向和z向。表1為ISO 2631標準中振動加速度與舒適性評價的關系。

表1 ISO 2631標準中振動加速度與舒適性評價的關系

1.2 時域濾波器設計

進行加速度振動總量計算時，以ISO 2631標準中關于人體對不同方向振動的主觀感受為依據，設計不同方向的振動加速度濾波器，完成加速度計權計算。以地板面橫向和縱向濾波器設計為例，首先設計濾波器的頻率加權數值ωd，其高通濾波器的傳遞函數為：

(3)

其低通濾波器的傳遞函數為：

(4)

其加速度和速度轉換濾波器的傳遞函數為：

(5)

其高階濾波器的傳遞函數為：

Hs=1

(6)

因此，濾波器的傳遞函數為：

Hd=HhHlHtHs

(7)

式中：

fdi，Qdi——濾波器常數；

s——拉氏變換算子。

當采樣頻率為512 Hz時，計算得到數字濾波器的傳遞函數為：

Hnd=(-0.001 2s4+0.001 1s2-0.000 4)/(s6-

5.2s5+11.0s4-12.5s3+8.1s2-2.8s+0.41)

(8)

同理可以得到垂向濾波器的頻率加權數值ωb。圖1為橫縱向濾波器和垂向數字濾波器的幅頻特性曲線。

圖1 濾波器的幅頻特性曲線

2 基于實測數據的舒適性分析

2.1 計算參數敏感度分析

在ISO 2631舒適性指標計算中，計算窗口時長和數據的采樣頻率沒有明確的規定。為了研究兩者對舒適性指標計算結果的影響，對某型號軌道車輛進行動態運行振動特性測試。

選取實測數據的某一段進行運行舒適性指標的參數敏感度分析。圖2～4為實測軌道車輛地板中心不同振動方向的加速度。

圖2 實測軌道車輛地板中心縱向加速度信號

在基于ISO 261的舒適性指標計算過程中，根據窗口時長計算每一個時間點的舒適性。不同窗口時長對舒適性指標(振動加速度)計算結果的影響如表2和圖5所示。當窗口時長增大時，該段數據計算得到的舒適性指標的最大值和平穩性逐漸減小；窗口時長在8 s以上時，舒適性指標結果趨于平穩，不同時間長度影響變小。如果窗口時長過大，無法真實地顯示振動值較大的數據，故分析時間的窗口時長應取為8～10 s之間。

圖3 實測軌道車輛地板中心橫向加速度信號

圖4 實測軌道車輛地板中心垂向加速度信號

圖5 窗口時長對振動加速度指標的影響

表2 不同窗口時長對舒適性指標計算結果的影響

在數據采集過程中，采樣頻率越大，采集到的數據量就越大，其分析頻率也越高。由圖1可知，分析頻率在50 Hz以上時，濾波器的幅頻特性驟減。選取合適的采樣頻率，不僅能避免采集多余的數據，還能提高計算精度。不同的采樣頻率對舒適性指標計算結果的影響如表3和圖6所示。當采樣頻率增大時，該段數據計算得到的舒適性指標的最大值和平穩性逐漸增大并趨于穩定；采樣頻率在512 Hz以上時，舒適性指標幾乎沒有變化。

表3 不同采樣頻率對舒適性指標計算結果的影響

圖6 采樣頻率對振動加速度指標的影響

2.2 測試分析

為了評價城市軌道交通車輛座椅的舒適性是否滿足ISO 2631標準的人體振動舒適性的要求，對車輛進行了座椅振動測試分析，探究座椅異常振動原因并提出解決方案。測試時，選擇了無負重和負重60 kg 2種不同負重狀態的座椅。每個座椅布置了3個測點，分別測量了椅盤的縱向、垂向和椅背的橫向振動加速度。測點信息如表4所示。

表4 軌道車輛座椅部分測點信息

圖7為原始座椅和負重座椅舒適性指標計算結果。圖8～9為車體兩端運行平穩性指標計算結果。

圖7 原始座椅和負重座椅舒適性指標計算結果

圖8 車體一位端一位側平穩性指標計算結果

座椅安裝在懸臂梁結構上，當座椅空載時，座椅安裝座橫梁因車體振動而振動較為明顯，存在座椅舒適性評價為稍有不舒適的區段。當座椅重載時，座椅舒適性的振動總量減小，大部分區段評價為沒有不舒適，而這種工況也接近于座椅載客時的真實狀況。經計算，原始座椅的振動量比負重座椅的振動量平均高出40.69%。從圖8～9可以看出，車輛運行平穩性指標的變化趨勢和座椅舒適性相近，且該測試車輛的橫向振動為影響座椅舒適性主要因素。

圖9 車體二位端二位側平穩性指標計算結果

3 結語

本文分析了ISO 2631舒適性指標的計算方法，并針對城市軌道交通車輛振動舒適性進行了計算，選取更加適用于城市軌道交通車輛的指標計算參數，并結合車輛動態運行實測數據結果得到如下結論：

1) 在進行舒適性指標計算時，計算窗口時長選取為8～10 s較為合適。

2) 舒適性指標隨采樣頻率的增大而趨于穩定。為了減少采樣數據量和計算量，采樣頻率取值為512 Hz較為合適。

3) 實測過程中，負重座椅的舒適性優于原始座椅，且更接近載客時的真實情況。