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(zhèn)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(tài)工況的列車運行品質(zhì)息息相關(guān)。在軌道車輛動力學(xué)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(shù)發(fā)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(zhí)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(fā)，相應(yīng)提出了疲勞導(dǎo)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(dāng)人體連續(xù)受到振動影響時，經(jīng)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(chǔ)的，所以此標準對于軌道車輛等長時間隨機振動環(huán)境以及其他一些沖擊比較大的振動環(huán)境的適用性有待分析。同時，由于ISO 2631中關(guān)于數(shù)據(jù)采集要求和計算參數(shù)沒有明確規(guī)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(shè)計過程，以及計算窗口長度和采樣頻率對計算結(jié)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(shù)據(jù)，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(quán)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(quán)數(shù)值ω(f)后得到計權(quán)加速度時間歷程aw(t)(平移或旋轉(zhuǎn))，單位為m/s2(或rad/s2)，在時間T內(nèi)，通過時域積分法得到aw。

(1)

當(dāng)振動在1個以上方向同時發(fā)生時，正交坐標系下的振動所決定的計權(quán)均方根加速度的振動總量為：

(2)

式中：

awx,awy,awz——對應(yīng)為坐標軸x、y和z上的計權(quán)均方根加速度；

kx,ky,kz——方向因數(shù)。

對于地板點的舒適性計算，方向因數(shù)對應(yīng)于該點的車輛坐標系；對于座椅點的舒適性計算，方向因數(shù)對應(yīng)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(guān)系。

表1 ISO 2631標準中振動加速度與舒適性評價的關(guān)系

1.2 時域濾波器設(shè)計

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

(3)

其低通濾波器的傳遞函數(shù)為：

(4)

其加速度和速度轉(zhuǎn)換濾波器的傳遞函數(shù)為：

(5)

其高階濾波器的傳遞函數(shù)為：

Hs=1

(6)

因此，濾波器的傳遞函數(shù)為：

Hd=HhHlHtHs

(7)

式中：

fdi，Qdi——濾波器常數(shù)；

s——拉氏變換算子。

當(dāng)采樣頻率為512 Hz時，計算得到數(shù)字濾波器的傳遞函數(shù)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(quán)數(shù)值ωb。圖1為橫縱向濾波器和垂向數(shù)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(shù)據(jù)的舒適性分析

2.1 計算參數(shù)敏感度分析

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

選取實測數(shù)據(jù)的某一段進行運行舒適性指標的參數(shù)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(jù)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(jié)果的影響如表2和圖5所示。當(dāng)窗口時長增大時，該段數(shù)據(jù)計算得到的舒適性指標的最大值和平穩(wěn)性逐漸減?。淮翱跁r長在8 s以上時，舒適性指標結(jié)果趨于平穩(wěn)，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(shù)據(jù)，故分析時間的窗口時長應(yīng)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(jié)果的影響

在數(shù)據(jù)采集過程中，采樣頻率越大，采集到的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，還能提高計算精度。不同的采樣頻率對舒適性指標計算結(jié)果的影響如表3和圖6所示。當(dāng)采樣頻率增大時，該段數(shù)據(jù)計算得到的舒適性指標的最大值和平穩(wěn)性逐漸增大并趨于穩(wěn)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(jié)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(tài)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(jié)果。圖8～9為車體兩端運行平穩(wěn)性指標計算結(jié)果。

圖7 原始座椅和負重座椅舒適性指標計算結(jié)果

圖8 車體一位端一位側(cè)平穩(wěn)性指標計算結(jié)果

座椅安裝在懸臂梁結(jié)構(gòu)上，當(dāng)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(qū)段。當(dāng)座椅重載時，座椅舒適性的振動總量減小，大部分區(qū)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(jīng)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(wěn)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(cè)平穩(wěn)性指標計算結(jié)果

3 結(jié)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(shù)，并結(jié)合車輛動態(tài)運行實測數(shù)據(jù)結(jié)果得到如下結(jié)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(wěn)定。為了減少采樣數(shù)據(jù)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(yōu)于原始座椅，且更接近載客時的真實情況。