单轨车辆乘坐舒适性与运行平稳性仿真和试验研究

杜子学杨绪杰左长永

（1.重庆交通大学轨道交通研究院，400074，重庆；2.中国南车洛阳机车有限公司，471002，洛阳∥第一作者，教授）

单轨车辆乘坐舒适性与运行平稳性仿真和试验研究

杜子学1杨绪杰1左长永2

（1.重庆交通大学轨道交通研究院，400074，重庆；2.中国南车洛阳机车有限公司，471002，洛阳∥第一作者，教授）

采用了虚拟样机仿真和试验相结合的方法，对跨坐式单轨车辆乘坐舒适性与运行平稳性进行分析和评价。运用动力学仿真软件ADAMS建立了跨坐式单轨列车动力学模型进行仿真。以重庆市轨道交通3号线跨坐式单轨列车为例进行试验研究，试验数据运用Famos软件进行处理。仿真和试验结果均表明重庆跨坐式单轨车辆具有良好的运行平稳性与乘坐舒适性。

单轨车辆；舒适性；平稳性；仿真

First-author'saddressResearch Institute of Rail Transit，Chongqing Jiaotong University，400074，Chongqing，China

1 单轨车辆乘坐舒适性与运行平稳性评价指标

1.1 ISO2631乘坐舒适性评价指标

标准ISO 2631［1］的评价方法是，以加权加速度均方根值aw来评价振动对人体舒适程度的影响，对仿真或试验得到的加速度时域历程a（t）进行频谱分析得到功率谱密度函数Ga（f），然后按照公式（1）进行计算：

式（1）中，ω（f）为频率加权函数，可用公式（2）表示。

考虑到多点多轴向输入时，先计算出各个轴向的加权加速度均方根值avj，然后按照公式（3）计算总的加权加速度均方根值

根据表1比较aw与人体感受之间的关系。

表1 不同的aw与人体感觉之间的关系

1.2 GB5599运行平稳性评价指标

客车运行平稳性按照平稳性指数W评价（GB 5599—1985［2］）。W的计算公式如下：

式中：

W——平稳性指数；

A——振动加速度，m/s2；

f——振动频率，Hz；

F（f）——频率修正系数（如表2所示）。

表2 频率修正系数

在同一振动方向同时存在两种以上的频率成分时，需要对加速度时间历程进行频谱分析，得到每种频率所对应的加速度值，按式（4）计算出每种频率下的平稳性指数Wi，最后计算出该振动方向上合成的平稳性指数W。合成的平稳性指数按下式计算：

根据GB 5599—1985标准，表3只给出了客车的平稳性等级评价标准。

表3 客车运行平稳性等级评价标准

2 单轨车辆舒适性与平稳性仿真分析

2.1 单轨车辆动力学模型的建立

本文采用ADAMS软件，以重庆市轨道交通3号线6辆编组的跨坐式单轨列车为例建立了“车辆-轮胎-轨道梁”耦合动力学仿真模型。轨道梁有3个行驶路面，走行轮始终与轨道梁顶面接触，承受车辆垂直载荷并传递牵引力和制动力；导向轮紧贴着轨道梁侧面上部行驶，使车辆沿着轨道行驶；两个稳定轮对称固定在转向架构架中间两侧，紧靠轨道梁侧面下部行驶，起着稳定车辆运行状态的作用。通过车辆结构的分析并按照车辆结构参数和力学参数，在ADAMS中建模如图1所示的列车模型［3］。

图1 跨坐式单轨列车模型

2.2 乘坐舒适性仿真分析

因为车辆在弯道工况运行时，车体在弯道处的纵向和横向加速度要比直道处大很多，用来评价车辆的运行平稳性和乘坐舒适性就不够准确。为了试验作对比，主要仿真分析并评价单轨列车在直道工况上分别以45 km/h、60 km/h和75 km/h运行时，列车的运行平稳性和乘坐舒适性［4］。

在后处理生成列车不同速度运行时第3节车体质心处的加速度时域历程曲线和加速度频域历程曲线（去掉前几秒由于瞬时加速而产生的峰值），如图2所示。

在ADAMS后处理中利用函数编辑器来计算车体质心处的加权加速度均方根值aw。具体操作步骤如下：

（1）输出随机路面产生的车体质心纵向、横向以及垂向加速度时域响应曲线。

（2）利用FFT（傅里叶变换）函数将加速度时域响应曲线转换成功率谱密度曲线。

（3）在excel中将式（2）中的频率加权函数离散化成两列数据，以txt格式保存后导入后处理中，生成加权函数曲线。

（4）按照式（1）将功率谱密度曲线与加权函数曲线的平方相乘，得一条新的曲线，对新生成的曲线进行积分，取曲线上最后一点的纵坐标值，然后开方，即得到各轴向加权加速度均方根值aw，最后按照式（3）计算出总的加权加速度均方根值。

按上述步骤计算出不同速度工况下车体质心的加权加速度均方根值aw，并按照ISO 2631标准评价单轨车辆的乘坐舒适性能［5］。评价结果如表4所示。

表4 舒适性评价结果

2.3 运行平稳性仿真分析

在ADAMS后处理边利用函数编辑器计算车辆的平稳性指数：

（1）先生成随机路面分析输出的车体质心横向、垂向振动加速度时域响应曲线。

（2）利用后处理中的FFT对各个振动方向的振动加速度时域历程曲线进行频谱分析，得到振动加速度频域历程曲线。根据表2中频率修正系数，将将振动加速度频域历程曲线分成三段。

图2 加速度时域和频域历程曲线

（3）将表2中的不同频率段所对应的频率修正系数在excel中离散化成3组数据，分别以txt格式保存后导入后处理中，生成3条频率修正系数的分段曲线，并按照各自所对应的频率复制到三段振动加速度频域历程曲线中去。

（4）按照式（4）分别将3个频率段内对应的振动加速度频域历程曲线和频率修正系数曲线进行求积、积分等曲线运算，求出各频率段内的平稳性数值，最后由式（5）计算出总的平稳性数值。

按上述步骤计算出不同速度工况下车辆垂向和横向振动的平稳性指数，并按照GB 5599标准评价单轨车辆的运行平稳性［6］。评价结果如表5所示。

从表5中可以看出：无论是单轨车辆的横向平稳性数值还是垂向平稳性数值，都随着车速的增加

而增大；垂向的平稳性数值要比横向稍大一些，说明单轨车辆横向平稳性要比垂向平稳性好，体现了导向轮与稳定轮对缓解车辆横向振动的优越性。

表5 平稳性评价结果

3 单轨车辆试验研究

3.1 试验概况

（1）试验内容：重庆市轨道交通3号线跨坐式单轨列车运行平稳性和乘坐舒适性［7-8］。

（2）试验路段：童家院子站至金渝站。

（3）试验车辆：试验的车辆为重庆市轨道交通3号线6辆编组的跨坐式单轨列车，列车车厢内装载80 t的沙袋，用来模拟车辆满载运行时的工况。

（4）测试点：沿列车行驶方向上第3节中车的中间地板上和一侧座椅上分别安装一个三向加速度传感器。

（5）试验工况：分别测试列车在45 km/h、60 km/h和75 km/h 3个工况下直线运行时的运行平稳性和乘坐舒适性。

（6）试验设备：①德国IMC devices数据采集系统；②三向加速度传感器（2个）及接线盒若干；③笔记本电脑1台，蓄电池2个，逆向器1个，导线若干，丙酮以及胶水。

3.2 试验过程

本试验主要是在第3节中车内进行，在车体中间地板上固定一个三向传感器s958，在一侧座椅上固定另外一个三向传感器s957。

（1）将选择的地板中间和座椅中间两个位置作为测试点，然后用丙酮擦拭干净。

（2）用胶水将传感器粘贴在测试点上，按着传感器不动，直到固定牢固为止。

（3）用接线盒将三向传感器和IMC devices数据采集系统连接。将2个三向传感器的6个接头s957_x、s957_y、s957_z、s958_x、s958_y、s958_z分别接入IMC devices数据采集仪器上的6个通道。

（4）将IMC devices数据采集系统与电脑连接。连接好仪器，开始设置各通道变量包括采样时间、采样频率、Y因子等。

（5）调试IMC devices数据采集软件。

（6）数据存储设置：数据实现边采边存，存储在笔记本电脑上。

（7）调试完成后进行数据预采集，预采集之后，分别采集上述3种速度工况下，2个三向加速度传感器各轴向的加速度试验数据。

3.3 ISO2631有关数据处理及标准评价

由于试验测得的加速度为mg-s曲线，首先在Famos里边转换为加速度s曲线，如图3所示。

图3 加速度曲线纵坐标转换

将转换以后各变量的加速度s曲线，导入Famos的一个小程序“平顺性［9］随机输入计算”中，如图4所示。

图4 平顺性随机输入计算

由上述小程序计算三种工况下，2个三向传感器各轴向的加速度均方根值aw，如表6所示。

三向传感器各轴向按ISO 2631标准进行评价，结果如表7所示。

由式（3）计算各工况下总的加权加速度均方根aw，然后按ISO 2631标准进行评价，结果如表8所示。

表6 加速度均方根值awm/s2

表7 ISO2631标准评价结果

表8 ISO2631标准评价结果

3.4 GB5599有关数据处理及标准评价

按照GB5599评价标准中的计算方法，通常把实测的车辆振动加速度按频率分解，进行频谱分析。这里要使用Famos软件中的FFT函数将振动加速度由时域转换到频域，转换后的加速度频谱图如图5所示。

图5 频谱转换

因为平稳性指数计算公式中的频率加权系数F（f）是分段函数，所以需要用Famos软件中cut函数将频谱图按频率进行分段操作。接下来就是在Famos软件里进行编程计算。

按以上方法计算出不同工况下，三向加速度传感器中横向和垂向平稳性指数，如表9所示。

表9 平稳性指数

按照GB5599评价标准可得如下评价结果，如表10所示。

表10 GB5599标准评价结果

4 结语

（1）本文利用ADAMS对跨坐式单轨车辆乘坐舒适性与运行平稳性进行仿真模拟得到的结果是直道工况下3种速度运行时人体感觉没有不舒适、车辆运行平稳性优；而利用Famos对试验研究结果的分析表明在速度为75km/h时人体感觉稍有不适，垂向平稳性变为良。仿真和试验研究所获得的评价结果大体一致。

（2）在数据值对比上，仿真数据比相应的试验数据小些。这是由试验所受到影响因素多，试验路段并非理想的直线路段，用软件仿真轨道路面不平度也存在差异，试验测试点的布置等原因造成的。

（3）采用仿真和试验研究相结合的方法，得出重庆3号线跨坐单轨列车有着良好的运行平稳性和乘坐舒适性的结论更具有说服力。

［1］ ISO2631振动和冲击对人的影响评价准则［S］.

［2］ GB5599—1985铁道车辆动力学性能评价和实验鉴定规范［S］.

［3］ 王福天.车辆系统动力学［M］.北京：中国铁道出版社，1994.

［4］ 杜子学，王行聪.跨座式单轨车辆平稳性仿真研究［J］.铁道机车车辆，2009，29（5）：56.

［5］ HideyukiTakai.Asummaryofrailwayvehicleridecomfort evalutionmethod［J］.ForeignRollingStock，1996（6）：6.［6］ 刘转华.铁道车辆运行平稳性评价方法研究［D］.成都：西南交通大学，2007.

［7］ 马继兵，蒲黔辉，夏招广.跨座式单轨交通系统车辆的乘坐舒适性性能测试与评定［J］.都市快轨交通，2006，19（6）：46.

［8］ 汤爱华，欧健，邓国红，等.汽车平顺性实验数据处理［J］.重庆理工大学学报，2008，22（3）：92.

Analog Simulation and Experiment of Passenger Comfort and Stability on Monorail Vehicles

Du Zixue，Yang Xujie，Zuo Changyong

The method that combines the virtual prototype simulation and test is adopted to analyze and evaluate the ride comfort and the running stability of straddle-type monorail vehicles.Dynamics simulation software—ADAMS is used to establish a simulation model of straddle-type monorail vehicle.Chongqing rail transit Line3---a straddle-type monorail is experimented as an example and Famos software is used to process the experimental data.The results of simulation and experiment all indicate that Chongqing monorail vehicles have a good performance of running stability and riding comfort.

monorail vehicle；ride comfort；stability；simulation

U 270.1+1：U 232

2013-06-26）