客车振动舒适性评价方法在瞬变风环境下的应用

曹天培，鲁寨军，钟睦，刘东润



客车振动舒适性评价方法在瞬变风环境下的应用

曹天培1, 2, 3，鲁寨军1, 2, 3，钟睦1, 2, 3，刘东润1, 2, 3

(1. 中南大学 交通运输工程学院 轨道交通安全教育部重点实验室，湖南 长沙 410075；2.中南大学 轨道交通安全关键技术国际合作联合实验室，湖南 长沙 410075；3. 中南大学 轨道交通列车安全保障技术国家地方联合工程研究中心，湖南 长沙 410075)

瞬变风环境下铁道客车的振动情况较为复杂，为准确评估旅客乘坐感受，采用动力学仿真与实车试验相结合的方法，对瞬变风环境下客车振动情况与舒适性进行评价。分析兰新客专线实车试验中乘客对振动的感觉及仿真得到的舒适性值后发现，随着车速以及外部气动载荷变化次数的增加，车辆振动越来越剧烈，舒适性指标有变差的趋势；各工况中当车辆以200 km/h速度运行且受到连续瞬变气动载荷作用时振动舒适性指标最差。在瞬变风环境下，GB5599，ISO2631和UIC513方法的评价结果有一定差异，原因部分来源于各方法频率加权的差别，导致各指标对横、垂向加速度频域峰值的放大作用不同。

客车；振动舒适性；评价方法；标准；瞬变风环境

随着交通工具的现代化程度越来越高，舒适性与安全性、快捷性一样成为旅客对交通工具的重点要求之一[1]，如何提高振动舒适性一直是轨道车辆动力学领域的研究热点。客观而准确地评估乘坐舒适性，对于提高客车运行品质，增强铁路客运的竞争力具有重要意义。但对于振动舒适性的评价方面，始终存在评价方法过多，特殊情况下评价结果与乘员感受不完全相符的问题[2−4]。越来越多的实际案例表明，振动舒适性评价方法应朝着特殊化、专门化的方向发展。随着近年来我国高速铁路网络的内陆化拓展以及动车组在各种运行环境下的广泛开行，出现了许多影响乘车舒适性的新问题，其中复杂风环境下的振动情况尤为突出[5−7]。近年来，国内外学者从空气动力学和车辆动力学响应分析等方面对大风下的列车运行安全性问题进行了广泛而深入的研究，但对列车在强风环境下晃动并影响乘坐舒适性的问题研究较少。中南大学通过实车试验，积累了大量瞬变风环境下动车组的振动数据，对大风条件下动车组的滚摆振动特性以及复杂区段内车体的横向振动特性进行了相关研究[8−11]，但对于客车振动舒适性还缺乏系统性的研究。中国铁道科学院以列车在大风下通过防风设施过渡段的某次试验数据为基础，对EN 12299中离散事件发生时的舒适性评价指标进行改进，提出了大风环境下的瞬态乘坐舒适度评价指标[12]，但未对振动舒适性评价方法在瞬变风环境下的应用情况进行系统研究。本文以兰新客专线实车试验得到的气动载荷(包含大风环境以及列车运行引起的气动力)为依据，对客车在无风情况和瞬变风环境下的振动舒适性进行仿真分析，将数值模拟结果与实车试验人体感受进行对比，对各舒适性评价方法的适用情况进行分析，研究各舒适性指标在相同工况下出现差异的原因。

1 客车振动舒适性仿真模型建立及仿真设置

为了获得特定瞬变风环境下的客车振动情况，首先需建立客车动力学模型。

1.1 模型建立

按照某型高速列车动力学参数，使用SIMPACK建立车辆多刚体动力学模型，如图1所示。以车体重心为原点，车辆前进方向为轴正向，垂直指向轨面方向为轴正向，建立右手坐标系。模型包含1个车体、2个转向架构架、4个轮对和8个轴箱，共15个部件。其部件中轮对、转向架构架和车体具有横移、伸缩、浮沉及点头、摇头和侧滚6个自由度；轴箱具有点头自由度；整车系统共有50个自由度。车辆模型悬挂系统包括轴箱与构架间的一系悬挂和构架与车体间的二系悬挂。一系悬挂包含轴箱弹簧、垂向液压减震器及转臂定位橡胶套。二系悬挂包含空气弹簧、中心牵引拉杆、横向弹性止档、抗侧滚扭杆、横向液压减震器和抗蛇行减震器。轨道不平顺采用与我国高速铁路状况接近的德国低干扰谱。

图1 车辆动力学模型

1.2 测点布置

振动舒适性评估的主要依据是加速度。车体上任意点的加速度与测试点的位置有关，因此加速度测量点的布置会直接影响舒适性评价结果。GB5599和UIC513明确规定了振动测点的位置，而ISO2631只建议在车辆的中间和两端测量。因此，按照各舒适性评价方法的规定，并考虑不同评价结果的对比方便，布置地板面上的测点如图2所示。

1.3 仿真工况设置

为便于对比各标准的计算结果，采样时间统一设置为5 min，采样频率为1 024 Hz。根据实车试验的真实运行环境设置4种仿真工况，包括运行速度为100 km/h和200 km/h的无风工况，以及200 km/h时分别加载2种不同的气动载荷。加载的气动载荷①在前50 s内线性缓慢增长，第50 s时发生剧烈突变，55~300 s时线性缓慢下降，以模拟列车头车在平稳运行中受到短暂突变风载荷的情况；气动载荷②采用动车组在兰新客专线强风环境下运行时的实测数据，持续时间为5 min，期间气动载荷多次在短时间内出现较大波动。2种气动载荷均包括横向力、升力、倾覆力矩和摇头力矩，其最大值水平大致相当。图3(a)和图3(b)分别为气动载荷①部分和气动载荷②全程的横向力时间历程曲线。

图2 振动舒适性评价标准中加速度采集点的布置

(a) 气动载荷①；(b) 气动载荷②

2 客车振动舒适性仿真结果

目前，国际上通行的客车振动舒适性评价方法主要有ISO2631[13]，UIC513[14]和EN12299[15]等。我国与振动平稳性有关的标准为GB5599[16]，该标准参考Sperling指标。高速列车动力学性能暂行规定要求采用与UIC相同的MV指标评价舒适性。本文分别采用ISO2631，UIC513和GB5599进行振动舒适性评价。

按照1.3中的设置进行动力学仿真分析。根据各振动舒适性评价方法的计算流程，在振动加速度数据的基础上得到舒适性评价指数。其中GB5599指标的取值是横向和垂向指标中的较大值，其余2种指标为横、垂和纵3个方向加权得到。图4所示为各测点位置处的舒适性指标，测点5，2，3，1和4分别对应图2中的前部、前侧、后部、后侧和中部测点。按照各振动舒适性方法的评定等级，对应得到不同的舒适性评价结果如表1所示。

从图4中可以看出，按照100，200和200 km/h时分别加载气动载荷①和②的顺序，ISO舒适性指标基本上呈递增趋势，GB5599和UIC指标的递增趋势较不明显。对于相同工况下的同一指标，侧部位置处的舒适性指标均稍大于相应的前部或后部中心位置或与之持平；除100 km/h外，其他工况中前部位置处舒适性指标大于后部。GB5599指标的波动程度较小，但反映在评价等级上仍有一定的区分；200 km/h加载气动载荷②时GB5599和ISO2631指标在前侧位置处最大；UIC513前部/前侧及后部/后侧的舒适性指标值基本一致，且200 km/h加载气动载荷②时指标值有一定幅度的增大。

(a) GB5599；(b) ISO2631；(c) UIC513

表1 各舒适性指标评价结果

注：GB5599标准使用测点1和2进行评价，ISO2631和UIC513标准使用测点3~5进行评价，非标准规定的其余测点指标值作为参考

3 振动舒适性评价方法在瞬变风环境下的应用情况

3.1 变风环境下振动舒适性评价方法的应用差异

根据瞬变风环境下行车安全专项试验报告[9]，实车试验时不同工况下人体的舒适性感受为：无风环境下100 km/h运行时车辆运行平稳，人体基本无明显不舒适感受；200 km/h运行时车辆振动加剧，人体能感受到横向与垂向上的持续性振动；200 km/h运行且受到短暂瞬变气动载荷作用时，车辆动力学参数有突变，车体运行姿态有较大幅度的瞬间改变，人体感受到一定的不舒适；200 m/h且受到连续瞬变气动载荷作用时，车辆晃动剧烈，人体感受到较明显的不舒适(测点2垂向加速度时间历程如图5所示)。

图5 列车时速200 km/h且受到气动载荷②影响时测点2垂向加速度时间历程

从表2可以看出，在乘客振动感受不剧烈的100 km/h工况下，3种方法的评价结果基本一致。在乘客能感受到持续振动的200 km/h工况下，GB5599的评价结果偏向优良；ISO2631和UIC513评价结果相一致，基本处于没有不舒适和还算舒适的等级。列车在气动载荷①的作用下，GB5599的评价结果有一定降低，但仍在合格以上；UIC513和ISO2631的评价结果基本处于较为不舒适的范围。当列车受到气动载荷②作用时，GB5599指标值稍有增长，但仍在合格范围内；ISO2631指标有较大幅度的增长；UIC513指标有一定程度的增长。

3.2 瞬变风环境下各振动舒适性评价指标差异原因分析

从以上分析可以看出，相同工况下各振动舒适性评价方法得到的结果不尽相同。首先分析各方法频率加权函数差异造成的影响。

以列车时速200 km/h且受到气动载荷②作用的工况为例，图6所示为测点2横向与垂向加速度频谱。从图6可见，横向加速度频率大值集中在0.8~4 Hz；垂向加速度频率主频集中在0.8~3.4 Hz，3.5~6 Hz区间也有一定幅值，加速度频谱大值整体上集中在0.5~8 Hz的频段内。

图6 列车时速200 km/h且受到气动载荷②影响时测点2横向与垂向加速度频谱

ISO2631，GB5599及UIC513的垂向和横向权函数曲线分别与测点2垂、横向加速度频谱的对应关系如图7所示。由图7可见，ISO2631和UIC513的横向振动加速度在0.6~4 Hz内对舒适性的影响占较大比例；而对于垂向振动加速度，4~12 Hz为ISO2631的敏感频率范围，UIC513则认为人体对0.6~4 Hz频率范围内垂向加速度的感受较为强烈。GB5599的垂向和横向权重大值点集中在1~10 Hz的频率范围。综合测点加速度频谱和各方法频率加权分布可以看出，测点2横向加速度主频基本落在ISO2631和UIC513的横向权重大值点集中范围，该频段内加速度对舒适性的影响占较大比例。由于测点2横向振动加速度主频与GB5599横向权重大值集中范围有一定的错位，致使该工况下GB5599指标增长幅度较小。同样地，垂向加速度主频与UIC513垂向频率加权曲线的大致分布较为一致，而其他2种方法的主峰值与垂向加速度的次峰值对应。这表明各评价方法对加速度在频域内的筛选有所不同，导致了各舒适性指标有一定差异。

除各标准在频率加权曲线方面的差异外，测点选择以及数据处理也存在着差异。GB5599规定每20 s输出一次平稳性指标，其反映的是各计算时间段内的振动舒适性，如图8中测点横向加速度在20~40 s区间内振动剧烈，得到平稳性极值；ISO2631采用2 s滑动时间窗输出舒适性值，极值出现在36~38 s；而UIC513综合考虑5 min内的加权加速度置信值，其评价结果更接近于长时间段内振动水平的平均。另外，各振动舒适性评价标准在评价量级方面的宽松度也有所不同。综合来看，这些原因共同导致各舒适性指标在不同工况下出现上述 差异。

(a) 横向；(b) 垂向

虽然在指标定义和具体实施步骤方面各振动舒适性标准有诸多不一致，但这些标准共同的评价理念都是通过获取列车车体或座椅某些具体位置在一定时间段内的各向加速度数据，在此基础上进行加权平均等数学处理，得出一段时间内的舒适度值。现有舒适性评价方法基本都是对横向、垂向和纵向的平动加速度进行考察，但列车绕3个中心轴的转动也会在相当程度上影响人体舒适性，例如横向瞬间变化的气动载荷造成的车体侧滚运动和摇头运动等会导致车体角速度与角加速度的突变，这种突变的影响效果部分可以被横向(测点2横向加速度时间历程曲线见图8)和垂向加速度涵盖。而实际中可能会出现侧滚运动幅度较大但横、垂向指标并未达到限值的情况。这时可以采用更有针对性体现侧滚、摇头等运动的振动量来进行辅助评价。如当车辆以200 km/h时速运行且受到连续瞬变气动载荷时测点2角加速度(如图9所示)的极值分布较线加速度来说更加明显。所以对于未来舒适性评价方法的研究，可针对振动舒适性标准在特定工况下的应用情况进行补充和完善，使现有的列车振动舒适性评价方法更加全面。

图8 车辆时速200 km/h且受到瞬态风载荷②影响时测点2车体横向加速度时间历程

图9 车辆时速200 km/h且受到瞬态风载荷②影响时测点2车体角加速度时间历程

4 结论

1) 短暂单次瞬态气动载荷与连续多次瞬态气动载荷作为外部激励都会对运行车辆的振动造成较大影响，在本文分析的工况中，车辆运行速度为200 km/h且受到持续瞬态风载荷作用时振动舒适性指标最差。

2) 在本文所仿真的瞬变风环境下，各振动舒适性方法的评价结果出现一定的差异，当GB5599评价结果为良好或合格时，ISO2631与 UIC513的评价结果为较不舒适。

3) 各振动舒适性评价方法的频率加权曲线峰值与加速度主频的分布位置不同，这是造成各指标在瞬变风环境下的评价结果出现差异的原因之一。

4) 可以增加侧滚角加速度等反映侧滚运动的参数来对瞬态风环境下的客车振动舒适性进行 评价。

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Application of passenger car vibration comfort evaluation method under transient wind

CAO Tianpei1, 2, 3, LU Zhaijun1, 2, 3, ZHONG Mu1, 2, 3, LIU Dongrun1, 2, 3

(1. School of Traffic & Transportation Engineering, Central South University, Key Laboratory of Traffic Safety on Track, Ministry of Education, Changsha 410075, China; 2. Joint International Research Laboratory of Key Technology for Rail Traffic Safety, Changsha 410075, China; 3. National & Local Joint Engineering Research Center of Safety Technology for Rail Vehicle, Changsha 410075, China)

The vibration of railway passenger car is complicated under transient wind. To evaluate passengers’ feeling on railway vehicles under transient wind, the vibration and comfort of the passenger car under complex wind were evaluated by the method of field test and dynamic simulation. Comparing the passengers' feeling in the field test with the comfort level obtained from the simulation, it was found that with the increase of the speed and the intensity of the aerodynamic load, the vibration of the vehicle is becoming more intense and the comfort index tends to decrease. The worst condition of vibration comfortableness happens when the vehicle runs at 200 km/h speed and is subjected to the continuous transient wind load. Under transient wind condition, the evaluation results of GB5599, ISO2631 and UIC513 method were a little bit different, resulting from the difference in the frequency weighted curves of each method partly, leading to their differences in the amplification effect on frequency domain peak of lateral and vertical accelerations.

passenger train; vibration comfort; evaluation method; standard; transient wind

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2019.02.027

U270.1

A

1672 − 7029(2019)02 − 0487 − 07

2018−03−15

高速铁路基础研究联合基金资助项目(U1534210)

鲁寨军(1975−)，男，湖南醴陵人，教授，博士，从事轨道车辆动力学方面的研究；E−mail：qlzjzd@csu.edu.cn

(编辑 阳丽霞)