动车组高速交会时乘坐舒适度研究

王林栋

（中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所，北京100081）

近几年，我国在武广客专、京沪高铁、赣龙铁路、郑徐客专等多条线路上进行了一系列动车组高速交会试验，获取了大量的试验数据和经验。2016年更是采用2列中国标准动车组在郑徐客专成功进行了速度为420 km/h交会试验，迄今为止仍属于世界上速度最高的动车组交会试验［1］。根据动车组高速交会试验结果，交会瞬间车体横向加速度较大，乘员会感觉到明显的车体晃动，乘坐舒适度差，严重时引起乘员不适。而此时常用的乘坐舒适度指标变化不明显，不能有效地反映出交会时车体的振动程度和乘员的感受，不能满足试验需求。因此需要对动车组高速交会时乘坐舒适度评价方法进行深入的研究。

乘坐舒适度指标一般分为两类：一类是描述乘客在一定时间段内的总体感受，称为稳态舒适度；另一类是描述乘客对个别事件的感受，称为瞬态舒适度，个别事件是指车辆通过缓和曲线、道岔、局部轨道不平顺以及瞬时风作用等短时间内发生的事件。我国在评价车辆和线路时经常采用稳态舒适度。

乘坐舒适度指标N和平稳性指标W是评价稳态舒适度的常用指标［2］，在我国铁路已经广泛应用。指标N是车体纵向、横向和垂向振动加速度的加权计算结果，一般分为5个等级：非常舒适、舒适、中等、不舒适、非常不舒适，要求测量持续时间段为5 min。UIC 513、EN 12299［3］和我国《高速动车组整车试验规范》均对车辆的乘坐舒适度N进行了规定。我国《高速动车组整车试验规范》、GB 5599均对车辆的运行平稳性W进行了规定，指标W分为横向平稳性指标Wy和垂向平稳性W z，分别是车体横向和垂向加速度的加权计算结果，一般分为4个等级：优、良好、合格、不合格，测量持续时间段一般为18~20 s。

根据多条线路的交会试验结果，动车组高速交会时车体会出现明显的瞬态振动（交会时车体横向振动加速度典型波形如图1所示）。根据试验数据，已有的指标N、W、车体加速度等试验结果与乘员感觉均存在明显偏差，不能准确地反映车体瞬态振动引起的乘员乘坐舒适度水平。目前国内相关标准中，未见能够准确评价交会车体瞬态振动时，乘员乘坐舒适度的指标和评价方法。根据多次动车组高速交会试验数据，参照EN 12299中瞬时舒适度指标PDE的测量和评价方法，提出了交会时车体晃动相关的乘坐舒适度测试、计算和评价方法。

1 高速交会时车体振动特点研究

从试验结果看，高速交会时的车体振动属于瞬态振动，乘员乘坐舒适度属于瞬态舒适度。在评价这一舒适度时，应该综合考虑高速交会时振动特点和原因，才能合理进行测试、计算和评价。

高速交会时由于车体受到邻线动车组的空气动力影响，车体振动主要表现为车体的横向瞬态振动。由于列车速度较高，可以认为车体横向气动载荷为脉冲式力和力矩，则交会时的振动响应实际上反应了铁道车辆动力学系统在脉冲输入下的响应特征。

采用实车试验研究高速交会时车体振动的特点。试验线路为郑徐客专，交会速度级为420 km/h对420 km/h，交会位置的线路为明线、直线，线间距5 m。试验用2列均为8辆编组的中国标准动车组。交会时2列动车组分别在上行、下行线路运行，运行方向相反。试验参数为动车组车体纵向、横向和垂向振动加速度。测点位于列车前3节车厢内地板面上，每节车厢的头部、中部和尾部均布置了加速度传感器。

动车组高速交会时车体会出现明显振动，乘员同时感觉到很明显的车体横向晃动，感受到明显的不舒适。动车组高速交会时车体横向加速度时域波形如图1所示。可以看到车体振动具有以下特点［4］：

（1）在交会过程中被试车体会产生2次非常明显的横向振动。

（2）2次振动的第1个加速度峰值符号相反。

（3）每次振动车体加速度均会出现2个比较明显的峰值，且其中第1个峰值最大，如图1所示。

图1 动车组高速交会时被试车的车体横向加速度典型时域波形

根据交会试验经验、振动测试数据和空气动力学测试数据，分析高速交会时被试车体横向振动的原因如下：

（1）出现2次比较明显的振动，因为：第1次振动是被试车体受到临线交会动车组头车气动载荷的冲击，在交会侧出现正压，头车通过后被试车体在车辆系统作用下逐渐恢复；第2次振动是被试车体受到临线交会动车尾车离开时气动载荷的影响，在交会侧出现负压，尾车离开后被试车体在车辆系统作用下逐渐恢复［5］；如图2、图3所示［6］。

图2 动车组高速交会时被试车与临线交会动车组头车相遇位置示意图

图3 动车组交会时被试车离开临线交会动车组尾车位置示意图

（2）2次振动的第1个加速度峰值符号相反，因为第1次振动是头车相遇时气动载荷对被试车正压引起的；第2次振动是尾车离开时气动载荷对被试车负压引起的［7］。

（3）每次振动持续时间与交会速度有关，交会相对速度越高持续时间越短。比如列长约200 m的动车组以速度420 km/h交会时，每次振动时间一般小于0.5 s，2次振动的时间间隔约为0.85 s。

乘员在交会时可以感受到2次明显的横向振动，第1次为被试车体与临线交会动车组头车相遇时；第2次为被试车体离开临线交会动车组尾车时，与试验数据一致。

因此，高速交会时的车体振动属于瞬态振动，乘员乘坐舒适度属于瞬态舒适度，应该根据交会时振动特点和机理来试验、计算和评价该瞬态舒适度。

2 EN 12299关于离散事件瞬态舒适度的评价指标

标准EN 12299中规定的稳态舒适度指标N和离散事件（通过道岔、局部轨道不平顺、阵风作用）舒适度指标PDE，其中N已经在我国试验中被广泛采用，但PDE未见采用。PDE是针对个别事件的评价，是评价瞬态舒适度的一个指标，不评价累计效应。

PDE的计算公式为式（1）：

式中：a、b、c是常数，具体取值见表1。各变量的定义如下：

表1 P DE计算公式中的常系数

式中：T=2 s。

EN 12299-2009未规定使用舒适度指标PDE时的评定分级。选择站姿还是坐姿系数，根据试验方法确定，两者可以选择其一。

根据动车组高速交会时车体振动的特点，高速交会时瞬态乘坐舒适度指标可以借鉴EN 12299的PDE指标计算公式和试验方法，但完全采用是不合适的，需要根据振动特点进行修改。

修改应包含2个方面内容：（1）计算公式中保留车体横向振动加速度峰值但去掉平均值，即保 留 式（1）中ÿpp(t)但 去 掉|ÿ2s(t)|；（2）数 据 处 理时的时间T需要适当缩短为0.5 s，即式（1）中的T=0.5 s。

适用于动车组高速交会的瞬时舒适度评价方法为式（4）：

式中：a、c是常数，具体取值见表1；车体横向加速信号采样频率大于100 Hz，m⋅s-2；采样时间需要包含交会过程，大于1 s；滤波频率为0.5~10 Hz。

数据处理时采用滑动计算，时间窗为0.5 s，步长0.1 s。

3 应用与评价

根据实测高速列车车体横向加速度数据（试验中采样频率1 000 Hz，采样时间300 s），按式（4）及上述数据处理方法计算舒适度PDE，考察指标PDE是否能正确反映交会时的乘员感觉。

中国标准动车组交会试验中PDE计算结果散点随线路里程的分布如图4所示。试验线路为郑徐客专，交会地点为明线，交会的2列动车组均为标动，交会速度级为420 km/h对420 km/h，共进行了3次交会。同一试验的舒适度N计算结果如图5所示，同一试验的平稳性W计算结果如图6所示。可以看出：

图4 中国标准动车组高速交会试验车体振动P DE散点

图5 中国标准动车组高速交会试验车体舒适度N散点

图6 中国标准动车组高速交会试验车体平稳性W散点

（1）交会时指标PDE明显增大。说明PDE对交会比较敏感，能提取交会瞬间车体振动并表征出来。

（2）舒适度N计算结果和平稳性W计算结果在交会时均无明显变化，说明这2个常用舒适度指标不能凸显交会时车体振动特点。

PDE比N和W更能表征高速交会，更符合乘员感觉。

在应用舒适度指标PDE时需要有相应的舒适度评价等级。PDE在EN 12299中未给出明确的评价等级的分类方法，因此无法进行参考。总结多次高速交会时的试验数据，建议将指标PDE分为2个等级：舒适和不舒适，对应的限值如下：

4 结论

交会时车体振动主要表现为瞬态横向振动，常用的稳态乘坐舒适度指标不足以对其进行合理的评判。文中根据试验数据分析结果，完善了瞬态乘坐舒适度指标PDE试验、计算和评价方法，可以更合理地反映动车组高速交会时的乘员感觉，实现对交会时高速列车的瞬态振动进行评价。