軌道交通高等減振和特殊減振措施下乘客煩惱率對(duì)比分析

周俊召，王 博，熊永亮

(1.同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，上海 201804)

(2.上海市軌道交通結(jié)構(gòu)耐久與系統(tǒng)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804)

(3.浙江天鐵實(shí)業(yè)股份有限公司，浙江 臺(tái)州 317200)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，軌道交通在社會(huì)經(jīng)濟(jì)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)中扮演著越來(lái)越重要的角色。生活水平的不斷提高，使得乘客對(duì)列車(chē)乘坐舒適性的要求越來(lái)越高，而目前對(duì)于城市軌道交通減振措施的研究多集中在降低軌道交通運(yùn)營(yíng)期間對(duì)周?chē)h(huán)境造成的影響。早期的城市軌道交通線(xiàn)路不發(fā)達(dá)，線(xiàn)路里程較短，往往忽視了列車(chē)振動(dòng)對(duì)乘客產(chǎn)生的影響以及乘客乘車(chē)時(shí)的煩惱等問(wèn)題。振動(dòng)已被列為世界七大環(huán)境公害之一，其對(duì)人體的影響和危害是多方面的。乘客作為交通的直接參與者，如果長(zhǎng)期暴露在振動(dòng)環(huán)境中，容易產(chǎn)生身體疲勞，甚至引發(fā)人體組織器官的諧振[1]。

通常采用振動(dòng)隔離的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)減振，此方式減小了振源激振力向軌下基礎(chǔ)、隧道結(jié)構(gòu)的傳遞，但隔振往往會(huì)造成能量回傳，從而降低乘客的乘車(chē)舒適度。高等減振和特殊減振這兩種減振措施都能降低列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中軌下基礎(chǔ)、隧道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，但振動(dòng)回傳對(duì)于車(chē)內(nèi)乘客造成的影響也不能忽略，因此針對(duì)兩種減振措施的振動(dòng)特性進(jìn)行研究，分析其對(duì)車(chē)內(nèi)乘客的影響以及對(duì)應(yīng)工況下的乘客煩惱率是很有必要的。

1 研究背景和方法

1.1 振動(dòng)對(duì)人體的影響

人體并不存在單獨(dú)的振動(dòng)感知器官，而是通過(guò)視覺(jué)、前庭覺(jué)、軀體感覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)獲得的信號(hào)組合起來(lái)共同感知振動(dòng)，且任何一個(gè)系統(tǒng)均存在多種方式感知振動(dòng)[2]。根據(jù)接觸部位可以將振動(dòng)分為局部振動(dòng)和全身振動(dòng)，在搭乘交通工具時(shí)乘客感受到的振動(dòng)屬于全身振動(dòng)，暴露于全身振動(dòng)的乘客可能會(huì)有不適感[3]。

人體能感知的振動(dòng)頻率為1～1 000 Hz，人體各組織的固有頻率集中在一定的頻率范圍[4-6]。當(dāng)列車(chē)運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)頻率處于人體某些器官的共振區(qū)時(shí)，會(huì)降低乘客的乘車(chē)舒適度，產(chǎn)生不適感。有關(guān)全身振動(dòng)對(duì)人體的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者均進(jìn)行了研究并取得了一系列成果。靳曉雄等[7]認(rèn)為人體全身受振時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間受振會(huì)造成精神疲勞；姚永杰等[8]通過(guò)試驗(yàn)說(shuō)明人體暴露于10 Hz、20 Hz、25 Hz，0.3g的豎向全身振動(dòng)環(huán)境下，人的計(jì)算能力會(huì)顯著降低；姚永杰等[9]還發(fā)現(xiàn)眼球自振頻率附近的全身振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致視力模糊，視覺(jué)敏銳性下降，振動(dòng)引起的聽(tīng)力損失主要表現(xiàn)為聽(tīng)力下降。當(dāng)乘客處于某一頻率的全身振動(dòng)時(shí)，會(huì)對(duì)其對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)或器官產(chǎn)生一定的影響。人體器官的自振頻率多集中在低頻區(qū)，因此要降低這些頻段的列車(chē)振動(dòng)幅值。

1.2 乘客煩惱率

為更好地反映不同軌道結(jié)構(gòu)形式下特殊減振和高等減振兩種減振措施車(chē)輛運(yùn)行的振動(dòng)情況以及振動(dòng)對(duì)乘客的影響，有必要引入煩惱率模型進(jìn)行分析。有關(guān)煩惱率的研究，相關(guān)學(xué)者也取得了一定的研究成果。宋志剛等[10]把心理物理學(xué)對(duì)煩惱率的計(jì)算方法移植到結(jié)構(gòu)振動(dòng)舒適性設(shè)計(jì)中，建立了相應(yīng)的煩惱率計(jì)算模型；崔聰聰?shù)萚11]通過(guò)利用煩惱率模型，以南昌西站站房為例，綜合德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)與煩惱率模型得到新的振動(dòng)限值；史杰遠(yuǎn)等[12]基于煩惱率模型計(jì)算出不同區(qū)域乘客和船員的振動(dòng)舒適度。

煩惱率是在一定振動(dòng)強(qiáng)度下認(rèn)為振動(dòng)“不可接受”者占總?cè)藬?shù)的比例。在考慮到振動(dòng)主觀反應(yīng)判斷標(biāo)準(zhǔn)的模糊性以后，離散分布情況下煩惱率的計(jì)算公式為[13]：

(1)

式中：A(x=i)為第i個(gè)振動(dòng)強(qiáng)度下的煩惱率；nij為該振動(dòng)強(qiáng)度下第j種主觀反應(yīng)的人數(shù)；vj為第j種主觀反應(yīng)的概念隸屬度；m為主觀反應(yīng)的等級(jí)數(shù)，通常m=5。

對(duì)振動(dòng)強(qiáng)度為aw的煩惱率，連續(xù)分布情況下煩惱率A(aw)的計(jì)算公式為：

(2)

(3)

式中：umax為人體“無(wú)法忍受”的強(qiáng)度下限；a和b為系數(shù)，由下式得到：

(4)

對(duì)于隨機(jī)分布的加速度信號(hào)，煩惱率分布函數(shù)可以用對(duì)數(shù)正態(tài)分布函數(shù)來(lái)近似表示：

(5)

根據(jù)式(2)可以確定任意經(jīng)過(guò)頻率計(jì)權(quán)的振動(dòng)強(qiáng)度下的煩惱率。

2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況

為更好地了解軌道交通實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中高等減振和特殊減振兩種減振措施下車(chē)廂內(nèi)的振動(dòng)特性以及乘客的煩惱率等信息，選取某城市軌道交通線(xiàn)路的典型區(qū)間進(jìn)行兩種減振措施下的車(chē)內(nèi)振動(dòng)測(cè)試。

車(chē)內(nèi)振動(dòng)測(cè)試內(nèi)容為測(cè)試車(chē)廂內(nèi)轉(zhuǎn)向架上部、車(chē)廂貫通道上部、車(chē)廂中部的振動(dòng)，圖1所示為車(chē)內(nèi)振動(dòng)測(cè)試測(cè)點(diǎn)布置，測(cè)點(diǎn)1為車(chē)廂中部地板面，測(cè)點(diǎn)2為左側(cè)轉(zhuǎn)向架地板面，測(cè)點(diǎn)3為貫通道中央地板面。根據(jù)GB 5599《鐵道車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》中的規(guī)定，測(cè)試時(shí)客車(chē)室內(nèi)所有門(mén)窗應(yīng)關(guān)閉，每次測(cè)試有效時(shí)間不小于5 s，測(cè)量時(shí)間間隔不少于30 s，列車(chē)在每個(gè)測(cè)試車(chē)速均應(yīng)至少測(cè)量3次，傳感器平穩(wěn)置于列車(chē)地板(本文測(cè)量各測(cè)點(diǎn)的垂向振動(dòng)值)。

圖1 車(chē)內(nèi)振動(dòng)測(cè)試時(shí)的測(cè)點(diǎn)布置情況示意圖

試驗(yàn)采用B型車(chē)，車(chē)內(nèi)振動(dòng)加速度傳感器采用B&K振動(dòng)加速度計(jì)，量程為0.5g，頻率響應(yīng)范圍為0.05～13 000 Hz，數(shù)據(jù)采集儀采用INV3060S網(wǎng)絡(luò)分布式采集儀，數(shù)據(jù)采集和分析軟件采用動(dòng)態(tài)測(cè)試分析平臺(tái)軟件DASP-V10工程版。測(cè)試分為兩次，為保證對(duì)比的有效性，兩次測(cè)試在同一軌道交通線(xiàn)路上的同一區(qū)間進(jìn)行，先進(jìn)行特殊減振措施工況下的測(cè)試，測(cè)試結(jié)束后將特殊減振更換為高等減振，再次進(jìn)行測(cè)試，更換前后的車(chē)內(nèi)振動(dòng)測(cè)試選用同一節(jié)車(chē)廂。根據(jù)對(duì)該軌道交通線(xiàn)路實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況的了解，列車(chē)運(yùn)營(yíng)通過(guò)測(cè)試區(qū)間的實(shí)際運(yùn)行速度為50 km/h左右，因此測(cè)試時(shí)的車(chē)輛運(yùn)行速度控制為50 km/h。圖2為測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)。

圖2 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)情況

3 測(cè)試結(jié)果分析

3.1 頻譜特性及對(duì)人體的影響分析

為了對(duì)列車(chē)在兩種減振措施運(yùn)行狀態(tài)下車(chē)內(nèi)的振動(dòng)特性進(jìn)行分析，需要對(duì)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換。根據(jù)數(shù)據(jù)特征發(fā)現(xiàn)振動(dòng)主要分布在200 Hz及以下，振動(dòng)對(duì)人體產(chǎn)生的影響主要集中在低頻段，因此主要進(jìn)行200 Hz范圍內(nèi)的頻譜分析。圖3為特殊減振措施下車(chē)內(nèi)3個(gè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的頻譜圖，圖4為高等減振措施下車(chē)內(nèi)3個(gè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)頻譜圖。

圖3 車(chē)內(nèi)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)頻譜(特殊減振)

圖4 車(chē)內(nèi)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)頻譜(高等減振)

從兩種減振措施的測(cè)試結(jié)果來(lái)看，車(chē)內(nèi)布置的3個(gè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)頻率都主要集中在200 Hz以?xún)?nèi)?？傮w來(lái)看，特殊減振的車(chē)內(nèi)振動(dòng)最大幅值為0.71 m/s2，高等減振的車(chē)內(nèi)振動(dòng)最大幅值僅為0.22 m/s2，這與特殊減振隔振效果一般來(lái)說(shuō)好于高等減振的規(guī)律一致，也即特殊減振措施隔振效果好，就有相對(duì)更多的振動(dòng)回傳到車(chē)內(nèi)，從而造成車(chē)內(nèi)振動(dòng)幅值大于高等減振。

從特殊減振工況下頻譜的頻段分布來(lái)看，車(chē)內(nèi)的3個(gè)測(cè)點(diǎn)均在160 Hz左右出現(xiàn)加速度峰值，其中測(cè)點(diǎn)1(車(chē)廂中部)和測(cè)點(diǎn)2(左側(cè)轉(zhuǎn)向架)在80 Hz左右也出現(xiàn)一個(gè)峰值，而測(cè)點(diǎn)3(貫通道中央)在80 Hz附近并未出現(xiàn)明顯的峰值，只是在160 Hz左右出現(xiàn)遠(yuǎn)大于另外兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的峰值。這說(shuō)明列車(chē)貫通道中央在160 Hz左右的振動(dòng)要比其他測(cè)點(diǎn)強(qiáng)烈。人手緊握后的自振頻率在160 Hz左右，因此一部分乘客在此頻率下振動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)可能會(huì)產(chǎn)生不適感。

從高等減振工況下頻譜的頻段分布上來(lái)看，車(chē)內(nèi)的3個(gè)測(cè)點(diǎn)在80 Hz左右和160 Hz左右均出現(xiàn)峰值，但均明顯小于特殊減振，說(shuō)明采用高等減振更有利于減小列車(chē)運(yùn)行時(shí)的車(chē)內(nèi)振動(dòng)。

3.2 煩惱率計(jì)算與討論

根據(jù)GB/T 13441.1—2007/ISO2631—1:1997《機(jī)械振動(dòng)與沖擊人體暴露于全身振動(dòng)的評(píng)價(jià)第1部分：一般要求》的描述，不同振動(dòng)量值的反應(yīng)取決于乘客對(duì)旅行持續(xù)時(shí)間的期望和乘客所期望完成的活動(dòng)的類(lèi)型(如閱讀、進(jìn)食和書(shū)寫(xiě)等)以及諸多其他因素。公共交通中振動(dòng)的不同量值可能反應(yīng)的近似描述見(jiàn)表1。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在進(jìn)行煩惱率計(jì)算時(shí)，取umin=0.315 m/s2，umax=2.500 m/s2，計(jì)算可得a=0.482 7，b=0.557 7。該標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了計(jì)算時(shí)采用的振動(dòng)加速度的評(píng)價(jià)方法，即

(6)

式中：aw(t)為時(shí)間函數(shù)的計(jì)權(quán)加速度，m/s2；T為測(cè)量時(shí)長(zhǎng)，s。使用MATLAB編程對(duì)煩惱率進(jìn)行計(jì)算，并通過(guò)對(duì)數(shù)正態(tài)分布累計(jì)曲線(xiàn)來(lái)近似煩惱率計(jì)算結(jié)果曲線(xiàn)，得到圖5所示的煩惱率曲線(xiàn)。

表1 GB/T 13441.1—2007規(guī)定的公共交通中振動(dòng)的不同量值可能反映的近似描述

圖5 煩惱率與計(jì)權(quán)加速度值關(guān)系曲線(xiàn)

根據(jù)繪制出的煩惱率與計(jì)權(quán)加速度值的關(guān)系曲線(xiàn)圖，可以看出煩惱率與計(jì)權(quán)加速度值大體上呈正相關(guān)關(guān)系，同時(shí)可以看出整體的煩惱率的變化率越來(lái)越小。在計(jì)權(quán)加速度值小于0.3 m/s2時(shí)，煩惱率處于一個(gè)較低的水平，當(dāng)計(jì)權(quán)加速度值為0.3 m/s2時(shí)，煩惱率值為3.71%。而經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得到的特殊減振和高等減振兩種工況下，車(chē)內(nèi)多數(shù)測(cè)點(diǎn)的計(jì)權(quán)加速度值都小于0.3 m/s2，只有特殊減振工況下車(chē)廂貫通道中央地板面處的計(jì)權(quán)加速度值較大，說(shuō)明多數(shù)測(cè)點(diǎn)的煩惱率計(jì)算值都處于較低的水平。表2給出了根據(jù)理論計(jì)算及煩惱率圖得到的特殊減振和高等減振兩種工況下車(chē)內(nèi)不同測(cè)點(diǎn)煩惱率的詳細(xì)計(jì)算結(jié)果。

對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)高等減振工況下3個(gè)測(cè)點(diǎn)的煩惱率均處于較低的水平，且煩惱率值均低于特殊減振工況下車(chē)內(nèi)對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的煩惱率值，說(shuō)明高等減振更有利于減小車(chē)內(nèi)振動(dòng)。

表2 特殊減振和高等減振工況下車(chē)內(nèi)不同測(cè)點(diǎn)煩惱率計(jì)算結(jié)果 %

特殊減振工況下，測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2的煩惱率值雖大于高等減振工況下的對(duì)應(yīng)值，但仍處于相對(duì)較低的水平，而測(cè)點(diǎn)3的煩惱率值達(dá)到了37.85%，即有37.85%的乘客都感到該工況下該位置的振動(dòng)“不可接受”，對(duì)乘客的乘車(chē)體驗(yàn)產(chǎn)生不利影響。

因此基于對(duì)乘客影響的角度來(lái)看，高等減振措施對(duì)車(chē)內(nèi)各位置的煩惱率控制都具有較好的效果，而特殊減振措施對(duì)車(chē)內(nèi)貫通道中央地板面位置處的煩惱率控制效果較差。

4 結(jié)論

1)相比特殊減振措施，采用高等減振措施更有利于減小列車(chē)運(yùn)行時(shí)的車(chē)內(nèi)振動(dòng)，高等減振對(duì)乘客煩惱率的控制也明顯優(yōu)于特殊減振。

2)特殊減振工況下，列車(chē)貫通道中央的振動(dòng)頻率主成分在160 Hz左右，某些乘客在該頻率下的全身振動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)可能會(huì)有不適感。

3)特殊減振和高等減振兩種工況下多數(shù)測(cè)點(diǎn)都在80 Hz左右出現(xiàn)峰值，且為主要頻率成分之一，某些乘客在該頻率下的全身振動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)可能會(huì)有不適感。

4)特殊減振工況下的車(chē)內(nèi)貫通道中央地板面處乘客的煩惱率值達(dá)到37.85%，而高等減振對(duì)車(chē)內(nèi)各位置的煩惱率控制都達(dá)到了較好的效果。