王林棟，吳 寧，文 彬

（中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081）

風致高速列車瞬態(tài)乘坐舒適度評價指標研究*

王林棟，吳 寧，文 彬

（中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081）

大風作用下高速列車乘員能夠感受到明顯的車體振動，嚴重時導(dǎo)致司機降速行駛。針對這一現(xiàn)象國內(nèi)外并沒有合適的評價方法，缺乏相應(yīng)的舒適度評價指標。本文在高速列車大風試驗基礎(chǔ)上總結(jié)了車體晃動特點，參照EN 12299中關(guān)于車輛通過曲線和離散事件發(fā)生時乘員乘坐舒適度的測試、計算和評價方法，給出了大風作用下更能全面反映乘員感受的高速列車瞬態(tài)乘坐舒適度評價指標。

高速列車；大風；乘坐舒適性

根據(jù)蘭新（蘭州—新疆）二線等多條線路的試驗結(jié)果，在大風（側(cè)風）作用下高速列車在部分防風設(shè)施過渡段車體振動會瞬間加劇，乘坐舒適度差，嚴重時會導(dǎo)致司機降速運行。此時常用的車體加速度和運行平穩(wěn)性等指標數(shù)值增大并不明顯，不能有效地反映出車體的振動程度和乘員的感受。因此需要對大風作用下高速列車乘員乘坐舒適度指標進行深入的研究。

乘坐舒適度指標一般分為兩類：一類是描述乘客在一定時間段內(nèi)的總體感受，稱為穩(wěn)態(tài)舒適度；另一類是描述乘客對個別事件的感受，稱為瞬態(tài)舒適度。個別事件是指車輛通過緩和曲線、道岔、局部軌道不平順以及瞬時風作用等短時間內(nèi)發(fā)生的事件。

乘坐舒適度指標N和平穩(wěn)性指標W是評價穩(wěn)態(tài)舒適度的常用指標。指標N是車體縱向、橫向和垂向振動加速度的加權(quán)結(jié)果，一般分為5個等級：非常舒適、舒適、中等、不舒適、非常不舒適。舒適度N的測量持續(xù)時間段一般為5 min。UIC 513、EN 12299和我國《高速動車組整車試驗規(guī)范》均對車輛的乘坐舒適度指標N進行了規(guī)定。指標W分為橫向平穩(wěn)性指標Wy和垂向平穩(wěn)性Wz，分別是車體橫向和垂向加速度的加權(quán)結(jié)果。按照平穩(wěn)性指標W一般將鐵道車輛平穩(wěn)性分為4個等級：優(yōu)、良好、合格、不合格，測量持續(xù)時間段一般為18～20 s。我國《高速動車組整車試驗規(guī)范》、GB 5599均對車輛的運行平穩(wěn)性W進行了規(guī)定。

根據(jù)蘭新二線等多條線路的試驗結(jié)果，大風作用下車體在線路個別位置出現(xiàn)明顯的瞬態(tài)振動，體感乘坐舒適度較差。根據(jù)運用結(jié)果，已有的舒適度指標N、平穩(wěn)性指標W、車體加速度a的試驗結(jié)果與人體感覺均存在明顯偏差，不能適時地反映車體瞬態(tài)振動引起的乘員乘坐舒適度水平。目前國內(nèi)相關(guān)標準中，未見能夠準確評價大風作用下車體瞬態(tài)振動乘員乘坐舒適度的指標。本文根據(jù)已有的舒適度指標N、PCT和PDE的測量和評價方法，提出了大風作用下車體振動乘員乘坐舒適度評價指標PW。

1 強橫風作用下車體振動特點試驗研究

采用實車試驗研究大風作用下晃車特點。試驗線路為蘭新二線的百里風區(qū)，線路迎風側(cè)存在多種類型防風設(shè)施。試驗動車組為CRH2和CRH5型動車組，最高速度級為250 km／h。測試參數(shù)為動車組車體振動加速度、側(cè)滾角速度和側(cè)滾角，其中車體側(cè)滾角由左右側(cè)懸掛部件的相對位移換算得到。試驗中最大環(huán)境風速約30 m／s，風向基本垂直列車運行方向且比較穩(wěn)定。

動車組運行過程中，在通過部分防風設(shè)施過渡段時出現(xiàn)明顯振動，人體感覺到很明顯的車體橫向振動和側(cè)滾振動，感受到明顯的不舒適。圖1～圖3分別為大風作用下動車組通過過渡段時車體橫向加速度、車體側(cè)滾角速度和側(cè)滾角的典型時域波形。可以看到振動具有以下特點：車體產(chǎn)生明顯的橫向振動和側(cè)滾振動，振動周期在1～2 s之間，持續(xù)時間較短，乘員在這種瞬態(tài)振動發(fā)生時感受到明顯的不適。

根據(jù)車體振動特點，針對上述瞬態(tài)振動的舒適度評價指標應(yīng)滿足以下條件：（1）既要計入橫向振動參數(shù)，又要計入側(cè)滾振動參數(shù)；（2）能夠量化瞬態(tài)振動的特征，不評價累計效應(yīng)；（3）對橫向振動參數(shù)和側(cè)滾振動參數(shù)的加權(quán)系數(shù)比例適當，結(jié)果取值合理；（4）振動參數(shù)容易在工程上測量實現(xiàn)。

圖1 列車通過過渡段時車體橫向振動加速度典型時域波形

圖2 列車通過過渡段時車體側(cè)滾角速度典型時域波形

圖3 列車通過過渡段時車體側(cè)滾角典型時域波形

2 EN 12299關(guān)于瞬態(tài)舒適度的評價指標

標準EN 12299在舒適度指標N基礎(chǔ)上增加了通過緩和曲線時的舒適度評價指標PCT和離散事件（通過道岔、局部軌道不平順、陣風作用）發(fā)生時的舒適度評價指標PDE。PCT和PDE均是針對個別事件的評價，不評價累計效應(yīng)。

當車輛通過單個緩和曲線時對乘坐舒適度有顯著影響時，采用指標PCT進行評價。PCT的計算公式為：

式中A、B、C、D、E是常數(shù)。具體取值見表1。各變量的定義如下：

?*wp（t）和φ·*wp（t）分別為經(jīng)加權(quán)函數(shù)WP（s）濾波后的車體橫向振動加速度，m·s－2和車體側(cè)滾角速度，rad·s－1。

對通過單個緩和曲線的舒適度進行評價時，|?1s|max所計時間范圍為從車輛進去緩和曲線到離開緩和曲線后的1.6 s，單位為m·s－2；|y···1s|max所計時間范圍為從車輛進入緩和曲線前1 s到離開緩和曲線，單位為m·s－3；|φ·1s|max所計時間范圍為從車輛進入緩和曲線到離開緩和曲線，單位為rad·s－1。

表1 PCT計算公式中的常系數(shù)

EN 12299－2009未規(guī)定使用舒適度指標PCT時的評定分級。

當離散事件對乘坐舒適度有顯著影響時，采用指標PDE進行評價，PDE適用于乘客在舒適度方面感覺發(fā)生突變的場合，如車輛通過道岔、車輛受陣風影響產(chǎn)生瞬態(tài)振動等。PDE的計算公式見式（5）

式中a、b、c是常數(shù)。具體取值見表2。各變量的定義如下：

式中T＝2 s。

表2 PDE計算公式中的常系數(shù)

EN 12299－2009未規(guī)定使用舒適度指標PDE時的評定分級。

3 大風作用下的乘員瞬態(tài)乘坐舒適度評判指標

如前所述，大風作用下瞬態(tài)乘坐舒適度指標PW應(yīng)包含車體橫向振動表征參數(shù)和車體側(cè)滾振動表征參數(shù)。EN 12299中定義的離散事件舒適度指標PDE并未包含車體側(cè)滾振動表征參數(shù)，緩和曲線通過舒適度指標PCT雖然計入了橫向加速度和側(cè)滾角速度，但PCT是為評價曲線上的舒適度提出的，并不適用于對大風下的車體振動進行舒適度評價。其中對車體加速度和側(cè)滾角速度均采用了1 s內(nèi)的數(shù)值，顯然主要是考慮了周期大于2 s的振動影響，這對于緩和曲線通過是合適的，但對于大風作用下車體振動周期為1～2 s的振動是不適用的。參考EN 12299中PCT和PDE的計算公式和數(shù)據(jù)處理方法并考慮到側(cè)滾振動參數(shù)的工程測量實現(xiàn)，PW（Passenger comfort in wind）計算公式中在PDE的基礎(chǔ)上增加側(cè)滾角速度項，具體計算公式如下：

式中?pp（t）和|?2s（t）|的定義同PDE，計算公式分別見式（6）和式（7）。

式中T＝2 s。

式（8）中，A、B、C、D、E是常系數(shù)，取值見表3。為了與加速度處理方法對應(yīng)，側(cè)滾角速度φ·由PCT計算時的1 s內(nèi)最大絕對值改為2 s內(nèi)峰峰值φ·pp，系數(shù)D也做了相應(yīng)的調(diào)整。其他系數(shù)采用原來的數(shù)值。

表3 PW指標計算公式中常系數(shù)

測試用傳感器和測量方法依照EN 12299。

車體橫向加速度（單位：m·s－2）信號采樣頻率大于10 Hz。車體側(cè)滾角速度（單位：rad·s－1）信號采樣頻率大于10 Hz。以2 s為時間窗、0.1 s為步長滑動計算乘坐舒適度指標PW。

4 應(yīng)用與分級

根據(jù)實測高速列車車體橫向加速度和側(cè)滾角速度數(shù)據(jù)，按式（8）計算乘坐舒適度PW，考察指標PW是否能正確反映大風作用下的人體感覺。

圖4為站姿PW測試結(jié)果散點隨線路里程的分布。與無風區(qū)段相比，大風區(qū)段指標PW明顯增大。說明PW對大風作用比較敏感。指標PW數(shù)值較大的位置（比如K3018＋700、K3038＋500）人體感覺車體晃動明顯，乘坐舒適度較差甚至引起司機降速，說明PW測試結(jié)果較為符合人體感覺。

圖4 CRH2型動車組站姿PW測試結(jié)果散點

圖5 CRH2型動車組坐姿PW測試結(jié)果散點

圖6 CRH5型動車組站姿PW測試結(jié)果散點

圖中大風區(qū)段內(nèi)PW數(shù)值并非均勻分布，通過圖中PW指標的數(shù)值，可以發(fā)現(xiàn)防風設(shè)施的薄弱環(huán)節(jié)。

在應(yīng)用舒適度指標PW時需要規(guī)定相應(yīng)的舒適度分級規(guī)則。舒適度指標PCT和PDE在EN 12299中未給出評定分級的數(shù)值，因此無法進行參考?？偨Y(jié)大風作用下已有的試驗數(shù)據(jù)，將指標PW分為3個等級：感覺不明顯、感覺明顯、感覺非常明顯。對應(yīng)的PW限值如下：

PW＜5 感覺不明顯；

5≤PW＜10 感覺明顯；

PW≥10 感覺非常明顯；

U260.11＋1

A

10.3969／j.issn.1008－7842.2016.06.06

1008－7842（2016）06－0022－03

*中國鐵路總公司科研計劃課題（2015T002－C）

6—）男，副研究員（

2016－06－15）