高速列车座椅乘坐舒适性影响分析

2022-10-08李冉张军

大连交通大学学报 2022年4期

李冉，张军

(大连交通大学机车车辆工程学院，辽宁大连 116028)

现代轨道车辆在行驶的过程中，由于轨道不平顺的影响，会导致列车在行进的过程中产生复杂的随机振动，影响乘客的乘坐舒适性.现代轨道车辆舒适性计算是以车辆为研究对象，一般是计算转向架上部地板的振动及舒适性.目前，随着人们进一步重视高速列车的乘坐舒适性，工程人员已经开始研究车体-座椅耦合系统的乘坐舒适性.文献[1]研究了随机轨道激励输入对高速列车半车六自由度模型的平顺性影响，设计了一种基于Linear-Quadratic-Gaussian的主动悬架，优化了车辆的平稳性.文献[2]采用了协方差法分析了悬挂设备静挠度对高速列车平稳性和车体振动的影响.文献[3]建立了轨道-列车-座椅-人体三维刚柔耦合模型，通过计算加速度加权均方根值评估恒定运行速度下的乘坐舒适性.文献[4]提出用一种简单的方法分析转向架各级悬挂，可以通过插入“负”刚度弹簧改善高速列车的乘坐舒适性.文献[5]建立了车辆多自由度模型，得出了车辆系统精确的数学模型.文献[6-7]建立了高速列车转向架-车体-座椅耦合系统动力学模型，对轨道随机激励输入下的垂向悬挂系统的多个参数和目标进行优化，提高了座椅的乘坐舒适性.文献[8]从乘坐舒适性和运行平稳性的角度出发建立了四自由度的数学模型，并对其模型进行振动特性分析.文献[9]建立了六自由度多刚体系统车辆动力学模型，采用Newmark-β逐步积分法求解了车体振动加速度数据，研究了车辆一级、二级悬挂对乘坐舒适性的影响.文献[10]建立了三维刚柔耦合车辆动力学模型，分析了车体振动和平稳性随车下设备悬挂频率、联接阻尼等变化的影响.文献[11]通过建立多级多悬挂车辆-设备动力学模型，研究了设备的连接方式、连接刚度等因素对高速列车垂向振动的影响.文献[12]对有无车下设备以及设备与座椅悬挂刚度对高速列车乘坐舒适性的影响进行了分析.国内外大多研究人员用Sperling指标来评价车辆的乘坐舒适性[13].

本文建立了某型高速列车车辆动力学模型，考虑座椅的垂向安装刚度和阻尼，在车体地板上建立了相应的座椅模型，在座椅上施加点质量模拟人体，计算并分析了座椅的振动及Sperling舒适性指标，并将指标规定的标准采样点与座椅处的W值进行了比较分析.

1 Sperling舒适性评价指标

根据GB 5599-85铁道车辆动力学性能评定和实验鉴定规范，客车乘坐舒适性分别按舒适性指标和平均最大振动加速度评定[14].文献[13]对某型高速列车进行了乘坐舒适性的试验，分别采用了Sperling舒适性指标和UIC 513舒适度标准对高速列车动力学性能进行评价，结果具有一致性，因此本文采取Sperling舒适性指标对高速列车座椅乘坐舒适性进行分析.

车辆乘坐舒适性用Sperling指标来表示，舒适性指数表示为

(1)

式中,f为振动频率(Hz)，a为振动加速度(cm/s2)，F(f)为与振动频率有关的加权系数.高速列车运行时，由于轨道谱激励产生的振动是随机振动，车体及车体上任何一点的振动也都是随机的，所以测试或者仿真计算得到的加速度也是随机变化的，但式(1)表示的舒适性指标是按照频域计算的，测试或者仿真计算得到的随机加速度谱需要进行傅里叶变换，得到频域加速度谱.将实际加速度频域谱分段n段，可得到每段的中心频率fi及该段的加速度幅值ai，并按标准计算得到Fi(f)，则按式(1)可得该频段的舒适性指标Wi.则总的舒适性指标按下式计算

(2)

式中,Wi为第i段的舒适性指标.舒适性指标W依据计算所采用的横向加速度或者垂向加速度分为横向舒适性指标或者垂向舒适性指标.

舒适性指标越小乘坐舒适性越好.如表1所示，当W小于2.5时为优秀.

2 动力学模型

2.1 车辆动力学模型

车辆动力学模型是对车辆进行动力学仿真并计算车辆舒适性的基础和前提.仿真模型由车体、2个构架、4个轮对、座椅、人体共9个刚体构成，各个刚体由若干力元联结.利用Simpack建立高速列车动力学模型，一系悬挂、空气弹簧、抗蛇行阻尼器等简化为线性单元，止挡等用非线性单元代替；座椅、人体和车体之间用仿真弹簧联结.根据各个系统的基本参数，对轮对、车体、转向架、座椅和人等刚体设置质量和转动惯量；再建立铰接将各个刚体联结起来并定义其联结方式；最后通过力元设置各个刚体之间的刚度、阻尼等参数来模拟减振器和阻尼器等部件，转向架及车辆动力学模型如图1所示.

2.2 座椅及乘员模型

座椅是按照高速列车实际所测量的参数进行建模，考虑了座椅与车体地板连接装置的垂向安装刚度和阻尼，座椅质量20 kg，人体质量65 kg，分析了前后转向架上方、车体中间三排共15个座椅，图2(a)为中间排座椅模型，每个座椅通过4个弹簧阻尼器连接在车体地板上，每个座椅初始垂向安装刚度为90 kN/m，初始垂向安装阻尼为4 kN·s/m，图2(b)为3排座椅的具体位置及Sperling舒适性指标的标准采样位置(S1、S2)，其中座椅的采样位置在地板上方0.45 m处，标准点位于车体地板上转向架中心侧向1 m远处.

(a) 转向架模型

(a) 座椅模型

3 动力学仿真计算

对建立的高速列车动力学模型施加德国低干扰轨道谱，其不平顺功率谱表达式为

(3)

式中:Sv(Ω)为高低不平顺功率谱密度；Ω为轨道不平顺空间频率；Av为轨道粗糙度常数；Ωc、Ωr为截断空间频率，其粗糙度常数及空间截断频率参数值如表2所示.对高速列车进行仿真计算，仿真时间60 s，数据采样频率为200 Hz.

表2 德国低干扰轨道谱参数值

利用Simpack的仿真传感器可获得座椅表面处加速度值，并依此计算座椅的舒适性指标.高速列车运行速度为250 km/h得到的前排座椅F1加速度如图3所示.

图3 250 km/h下前排F1座椅的加速度

4 座椅乘坐舒适性仿真结果分析

座椅的乘坐舒适性不但与高速列车的多级悬挂有关，也与座椅的安装刚度及阻尼密切相关，本文以座椅的舒适性为研究目标，主要分析座椅的安装刚度和阻尼、座椅位置及运行速度对座椅舒适性的影响.

4.1 初始安装刚度阻尼座椅舒适性

图4是座椅初始垂向安装刚度为90 kN/m，安装阻尼为4 kN·s/m时得到的座椅垂向Sperling指标，可以看出三个不同运行速度下座椅垂向Sperling指标随着座椅位置变化的趋势几乎一致，车体最中间座椅M3的Sperling指标在任何速度下都是最小的，表明此处的座椅乘坐舒适性极佳，而且任何一排座椅的舒适性指标都是中间位置最小，这与车体中间振动较小是一致的.从分析的250、300、350 km/h三个速度来看，随着运行速度的提高，F3、M3、B3(处于对称轴上)的Sperling指标呈先增大后减小的趋势，在速度达到300 km/h时每个座椅的Sperling指标均达到最大值，而速度在350 km/h时Sperling指标反而下降.表3为车辆舒适性标准评估点(S1、S2)垂向舒适性指标的平均值，该表表明车辆总体舒适性指标在300 km/h速度下相对较大，与座椅的舒适性指标随速度的变化规律是一致的，都是在速度300 km/h达到最大.

图4 座椅位置、运行速度对乘坐舒适性的影响

表3 车辆整体舒适性评价

4.2 座椅位置对舒适性的影响

图5为运行速度300 km/h、座椅安装阻尼4 kN·s/m时得到的Sperling指标，图中显示处于F1、F5、M1、M5、B1、B5(紧邻车体两侧边)的座椅垂向乘坐舒适性指标(W值)在任何刚度下均处于峰值，这6个座椅平均值为2.261，乘坐舒适度(对振动的感觉)为明显感觉，舒适性相对较低；而且，无论座椅安装刚度取何值时，位于车体中间排的5个座椅(M1～M5)的Sperling指标值均比前后两排的座椅小，舒适性较高，尤其位于车体对称中心的座椅(F3、M3、B3)，指标为各位置的最小值，这与车体中间的振动较小是一致的.文献[7]计算了高速列车运行速度200 km/h座椅垂向振动加权加速度均方根值相关系数，结果表明靠近车体两端的振动响应比中间位置的强烈，本文计算与该文献结果具有一致性，即前、后排座椅的指标均值大于中间排座椅的指标均值，中间排座椅的舒适性最好.

图5 座椅位置及安装刚度对乘坐舒适度的影响

图6为300 km/h、座椅安装刚度90 kN/m时各个安装阻尼下得到的Sperling指标变化图，图6表明了靠近车体对称中心的座椅乘坐舒适度均为最佳，也从安装阻尼的角度再次证明了座椅位置对乘坐舒适性的影响，高速列车两端座椅的乘坐舒适性比中间排座椅的舒适性差.

4.3 运行速度对座椅舒适性的影响

图7是座椅M3在250、300、350 km/h下的Sperling指标随座椅安装刚度和阻尼变化趋势图.由图7可知，当座椅安装刚度为150 kN/m，安装阻尼为4 kN·s/m时，Sperling指标值在任何速度下均为最大值，均在1.50以上，这表明当座椅安装参数取此值时，其他位置处的座椅乘坐舒适性会更差.由图7可以看出，随座椅安装参数的变化，300 km/h下的舒适性指标变化最平缓，350 km/h下的舒适性指标变化最大，表明在 350 km/h 时合理改变座椅安装参数可较好地改善座椅的乘坐舒适性.特别地，当运行速度为350 km/h、座椅安装刚度为90 kN/m、安装阻尼为7 kN·s/m时，Sperling指标取到最小值为1.416 9.图7(a)～7(c)都显示了随着座椅安装刚度的增加，座椅的乘坐舒适度变差；随着安装阻尼的增加，座椅的乘坐舒适度得到了改善.

(a) 250 km/h

4.4 安装刚度对舒适性影响分析

图8为座椅安装阻尼取4 kN·s/m，座椅位置M3处的Sperling指标变化趋势图，表明在座椅安装刚度取一定值时，Sperling指标值随着运行速度的提高先增大后减小且减小的幅度较大，在300 km/h时取到指标的最大值.当运行速度取一定值时，可以从图中清晰看到，Sperling指标值随着座椅安装刚度的增加呈明显上升的趋势，乘坐舒适性变得越来越差.当安装刚度为150 kN/m，运行速度为300 km/h时，座椅的指标值取到最大值为1.545 2，此时的座椅乘坐舒适性最差；在安装刚度为90 kN/m，运行速度为350 km/h时指标值取到最小值为1.414，此时的座椅乘坐舒适性最好.

图8 安装刚度对乘坐舒适度的影响

4.5 安装阻尼对舒适性影响分析

图9为安装刚度90 kN/m、座椅位置M3的Sperling指标变化趋势图，表明在安装阻尼一定的条件下，随着运行速度的提高，Sperling指标呈开口向下的抛物线变化趋势，特别地，当速度从300 km/h增加到350 km/h的过程中，座椅的乘坐舒适性得到了大幅度改善，在300 km/h时Sperling指标达到最大值，为1.494 8；当运行速度取一定值时，Sperling指标随着座椅安装阻尼的增加而减小，但减小的幅度较小，在速度为350 km/h时变化幅度达到最大，极差值为0.008 9，在此速度下提高安装阻尼可较好地改善座椅的乘坐舒适性；通过舒适性指标随着安装阻尼的变化趋势，可以看出座椅安装阻尼对座椅的乘坐舒适性影响较小.考虑到所建立的座椅与高速列车地板的连接采用了弹性结构，结构中阻尼使来自轨道激励的随机振动衰减，从而改善了座椅的舒适性.