周俊召，王 博，熊永亮

(1.同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院，上海 201804)

(2.上海市軌道交通結(jié)構(gòu)耐久與系統(tǒng)安全重點實驗室，上海 201804)

(3.浙江天鐵實業(yè)股份有限公司，浙江 臺州 317200)

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，軌道交通在社會經(jīng)濟的正常運轉(zhuǎn)中扮演著越來越重要的角色。生活水平的不斷提高，使得乘客對列車乘坐舒適性的要求越來越高，而目前對于城市軌道交通減振措施的研究多集中在降低軌道交通運營期間對周圍環(huán)境造成的影響。早期的城市軌道交通線路不發(fā)達，線路里程較短，往往忽視了列車振動對乘客產(chǎn)生的影響以及乘客乘車時的煩惱等問題。振動已被列為世界七大環(huán)境公害之一，其對人體的影響和危害是多方面的。乘客作為交通的直接參與者，如果長期暴露在振動環(huán)境中，容易產(chǎn)生身體疲勞，甚至引發(fā)人體組織器官的諧振[1]。

通常采用振動隔離的方式來實現(xiàn)減振，此方式減小了振源激振力向軌下基礎、隧道結(jié)構(gòu)的傳遞，但隔振往往會造成能量回傳，從而降低乘客的乘車舒適度。高等減振和特殊減振這兩種減振措施都能降低列車運行過程中軌下基礎、隧道結(jié)構(gòu)的振動，但振動回傳對于車內(nèi)乘客造成的影響也不能忽略，因此針對兩種減振措施的振動特性進行研究，分析其對車內(nèi)乘客的影響以及對應工況下的乘客煩惱率是很有必要的。

1 研究背景和方法

1.1 振動對人體的影響

人體并不存在單獨的振動感知器官，而是通過視覺、前庭覺、軀體感覺和聽覺系統(tǒng)獲得的信號組合起來共同感知振動，且任何一個系統(tǒng)均存在多種方式感知振動[2]。根據(jù)接觸部位可以將振動分為局部振動和全身振動，在搭乘交通工具時乘客感受到的振動屬于全身振動，暴露于全身振動的乘客可能會有不適感[3]。

人體能感知的振動頻率為1～1 000 Hz，人體各組織的固有頻率集中在一定的頻率范圍[4-6]。當列車運行時的振動頻率處于人體某些器官的共振區(qū)時，會降低乘客的乘車舒適度，產(chǎn)生不適感。有關(guān)全身振動對人體的影響，國內(nèi)外學者均進行了研究并取得了一系列成果。靳曉雄等[7]認為人體全身受振時，長時間受振會造成精神疲勞；姚永杰等[8]通過試驗說明人體暴露于10 Hz、20 Hz、25 Hz，0.3g的豎向全身振動環(huán)境下，人的計算能力會顯著降低；姚永杰等[9]還發(fā)現(xiàn)眼球自振頻率附近的全身振動會導致視力模糊，視覺敏銳性下降，振動引起的聽力損失主要表現(xiàn)為聽力下降。當乘客處于某一頻率的全身振動時，會對其對應的系統(tǒng)或器官產(chǎn)生一定的影響。人體器官的自振頻率多集中在低頻區(qū)，因此要降低這些頻段的列車振動幅值。

1.2 乘客煩惱率

為更好地反映不同軌道結(jié)構(gòu)形式下特殊減振和高等減振兩種減振措施車輛運行的振動情況以及振動對乘客的影響，有必要引入煩惱率模型進行分析。有關(guān)煩惱率的研究，相關(guān)學者也取得了一定的研究成果。宋志剛等[10]把心理物理學對煩惱率的計算方法移植到結(jié)構(gòu)振動舒適性設計中，建立了相應的煩惱率計算模型；崔聰聰?shù)萚11]通過利用煩惱率模型，以南昌西站站房為例，綜合德國標準與煩惱率模型得到新的振動限值；史杰遠等[12]基于煩惱率模型計算出不同區(qū)域乘客和船員的振動舒適度。

煩惱率是在一定振動強度下認為振動“不可接受”者占總?cè)藬?shù)的比例。在考慮到振動主觀反應判斷標準的模糊性以后，離散分布情況下煩惱率的計算公式為[13]：

(1)

式中：A(x=i)為第i個振動強度下的煩惱率；nij為該振動強度下第j種主觀反應的人數(shù)；vj為第j種主觀反應的概念隸屬度；m為主觀反應的等級數(shù)，通常m=5。

對振動強度為aw的煩惱率，連續(xù)分布情況下煩惱率A(aw)的計算公式為：

(2)

(3)

式中：umax為人體“無法忍受”的強度下限；a和b為系數(shù)，由下式得到：

(4)

對于隨機分布的加速度信號，煩惱率分布函數(shù)可以用對數(shù)正態(tài)分布函數(shù)來近似表示：

(5)

根據(jù)式(2)可以確定任意經(jīng)過頻率計權(quán)的振動強度下的煩惱率。

2 現(xiàn)場測試情況

為更好地了解軌道交通實際運行過程中高等減振和特殊減振兩種減振措施下車廂內(nèi)的振動特性以及乘客的煩惱率等信息，選取某城市軌道交通線路的典型區(qū)間進行兩種減振措施下的車內(nèi)振動測試。

車內(nèi)振動測試內(nèi)容為測試車廂內(nèi)轉(zhuǎn)向架上部、車廂貫通道上部、車廂中部的振動，圖1所示為車內(nèi)振動測試測點布置，測點1為車廂中部地板面，測點2為左側(cè)轉(zhuǎn)向架地板面，測點3為貫通道中央地板面。根據(jù)GB 5599《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規(guī)范》中的規(guī)定，測試時客車室內(nèi)所有門窗應關(guān)閉，每次測試有效時間不小于5 s，測量時間間隔不少于30 s，列車在每個測試車速均應至少測量3次，傳感器平穩(wěn)置于列車地板(本文測量各測點的垂向振動值)。

圖1 車內(nèi)振動測試時的測點布置情況示意圖

試驗采用B型車，車內(nèi)振動加速度傳感器采用B&K振動加速度計，量程為0.5g，頻率響應范圍為0.05～13 000 Hz，數(shù)據(jù)采集儀采用INV3060S網(wǎng)絡分布式采集儀，數(shù)據(jù)采集和分析軟件采用動態(tài)測試分析平臺軟件DASP-V10工程版。測試分為兩次，為保證對比的有效性，兩次測試在同一軌道交通線路上的同一區(qū)間進行，先進行特殊減振措施工況下的測試，測試結(jié)束后將特殊減振更換為高等減振，再次進行測試，更換前后的車內(nèi)振動測試選用同一節(jié)車廂。根據(jù)對該軌道交通線路實際運營情況的了解，列車運營通過測試區(qū)間的實際運行速度為50 km/h左右，因此測試時的車輛運行速度控制為50 km/h。圖2為測試現(xiàn)場。

圖2 測試現(xiàn)場情況

3 測試結(jié)果分析

3.1 頻譜特性及對人體的影響分析

為了對列車在兩種減振措施運行狀態(tài)下車內(nèi)的振動特性進行分析，需要對實測的數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換。根據(jù)數(shù)據(jù)特征發(fā)現(xiàn)振動主要分布在200 Hz及以下，振動對人體產(chǎn)生的影響主要集中在低頻段，因此主要進行200 Hz范圍內(nèi)的頻譜分析。圖3為特殊減振措施下車內(nèi)3個振動測點的頻譜圖，圖4為高等減振措施下車內(nèi)3個振動測點頻譜圖。

圖3 車內(nèi)振動測點振動頻譜(特殊減振)

圖4 車內(nèi)振動測點振動頻譜(高等減振)

從兩種減振措施的測試結(jié)果來看，車內(nèi)布置的3個振動測點的振動頻率都主要集中在200 Hz以內(nèi)?？傮w來看，特殊減振的車內(nèi)振動最大幅值為0.71 m/s2，高等減振的車內(nèi)振動最大幅值僅為0.22 m/s2，這與特殊減振隔振效果一般來說好于高等減振的規(guī)律一致，也即特殊減振措施隔振效果好，就有相對更多的振動回傳到車內(nèi)，從而造成車內(nèi)振動幅值大于高等減振。

從特殊減振工況下頻譜的頻段分布來看，車內(nèi)的3個測點均在160 Hz左右出現(xiàn)加速度峰值，其中測點1(車廂中部)和測點2(左側(cè)轉(zhuǎn)向架)在80 Hz左右也出現(xiàn)一個峰值，而測點3(貫通道中央)在80 Hz附近并未出現(xiàn)明顯的峰值，只是在160 Hz左右出現(xiàn)遠大于另外兩個測點的峰值。這說明列車貫通道中央在160 Hz左右的振動要比其他測點強烈。人手緊握后的自振頻率在160 Hz左右，因此一部分乘客在此頻率下振動時間過長可能會產(chǎn)生不適感。

從高等減振工況下頻譜的頻段分布上來看，車內(nèi)的3個測點在80 Hz左右和160 Hz左右均出現(xiàn)峰值，但均明顯小于特殊減振，說明采用高等減振更有利于減小列車運行時的車內(nèi)振動。

3.2 煩惱率計算與討論

根據(jù)GB/T 13441.1—2007/ISO2631—1:1997《機械振動與沖擊人體暴露于全身振動的評價第1部分：一般要求》的描述，不同振動量值的反應取決于乘客對旅行持續(xù)時間的期望和乘客所期望完成的活動的類型(如閱讀、進食和書寫等)以及諸多其他因素。公共交通中振動的不同量值可能反應的近似描述見表1。

根據(jù)標準規(guī)定，在進行煩惱率計算時，取umin=0.315 m/s2，umax=2.500 m/s2，計算可得a=0.482 7，b=0.557 7。該標準還規(guī)定了計算時采用的振動加速度的評價方法，即

(6)

式中：aw(t)為時間函數(shù)的計權(quán)加速度，m/s2；T為測量時長，s。使用MATLAB編程對煩惱率進行計算，并通過對數(shù)正態(tài)分布累計曲線來近似煩惱率計算結(jié)果曲線，得到圖5所示的煩惱率曲線。

表1 GB/T 13441.1—2007規(guī)定的公共交通中振動的不同量值可能反映的近似描述

圖5 煩惱率與計權(quán)加速度值關(guān)系曲線

根據(jù)繪制出的煩惱率與計權(quán)加速度值的關(guān)系曲線圖，可以看出煩惱率與計權(quán)加速度值大體上呈正相關(guān)關(guān)系，同時可以看出整體的煩惱率的變化率越來越小。在計權(quán)加速度值小于0.3 m/s2時，煩惱率處于一個較低的水平，當計權(quán)加速度值為0.3 m/s2時，煩惱率值為3.71%。而經(jīng)過現(xiàn)場測試得到的特殊減振和高等減振兩種工況下，車內(nèi)多數(shù)測點的計權(quán)加速度值都小于0.3 m/s2，只有特殊減振工況下車廂貫通道中央地板面處的計權(quán)加速度值較大，說明多數(shù)測點的煩惱率計算值都處于較低的水平。表2給出了根據(jù)理論計算及煩惱率圖得到的特殊減振和高等減振兩種工況下車內(nèi)不同測點煩惱率的詳細計算結(jié)果。

對計算結(jié)果進行分析，可以發(fā)現(xiàn)高等減振工況下3個測點的煩惱率均處于較低的水平，且煩惱率值均低于特殊減振工況下車內(nèi)對應測點的煩惱率值，說明高等減振更有利于減小車內(nèi)振動。

表2 特殊減振和高等減振工況下車內(nèi)不同測點煩惱率計算結(jié)果 %

特殊減振工況下，測點1和測點2的煩惱率值雖大于高等減振工況下的對應值，但仍處于相對較低的水平，而測點3的煩惱率值達到了37.85%，即有37.85%的乘客都感到該工況下該位置的振動“不可接受”，對乘客的乘車體驗產(chǎn)生不利影響。

因此基于對乘客影響的角度來看，高等減振措施對車內(nèi)各位置的煩惱率控制都具有較好的效果，而特殊減振措施對車內(nèi)貫通道中央地板面位置處的煩惱率控制效果較差。

4 結(jié)論

1)相比特殊減振措施，采用高等減振措施更有利于減小列車運行時的車內(nèi)振動，高等減振對乘客煩惱率的控制也明顯優(yōu)于特殊減振。

2)特殊減振工況下，列車貫通道中央的振動頻率主成分在160 Hz左右，某些乘客在該頻率下的全身振動時間過長可能會有不適感。

3)特殊減振和高等減振兩種工況下多數(shù)測點都在80 Hz左右出現(xiàn)峰值，且為主要頻率成分之一，某些乘客在該頻率下的全身振動時間過長可能會有不適感。

4)特殊減振工況下的車內(nèi)貫通道中央地板面處乘客的煩惱率值達到37.85%，而高等減振對車內(nèi)各位置的煩惱率控制都達到了較好的效果。