邵 林，楊 欣，黃 金

(中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081)

動車組牽引制動沖擊評價方法與數(shù)據(jù)處理研究*

邵 林，楊 欣，黃 金

(中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081)

基于國內(nèi)外縱向沖擊相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和理論研究，針對評價對象是瞬時沖擊或平均沖擊、沖擊限值的確定、不同的數(shù)據(jù)處理方法等問題進(jìn)行了分析，并提出了數(shù)據(jù)處理方法的建議，應(yīng)用此方法對動車組實(shí)測沖擊指標(biāo)進(jìn)行了計算，驗(yàn)證了該方法的合理性。最后針對制動沖擊的產(chǎn)生區(qū)段進(jìn)行了總結(jié)，并對沖擊的優(yōu)化控制方法提供了建議。

動車組;沖擊;評價方法;數(shù)據(jù)處理

隨著中國高速鐵路事業(yè)的發(fā)展，做為其重要核心技術(shù)的高速動車組在要求安全、高效運(yùn)行的基礎(chǔ)上，對乘車舒適度同樣提出了很高要求。

車輛穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下的舒適度，是基于各方向加速度的計算而得出，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對于信號的處理方法，評價指標(biāo)都有明確統(tǒng)一的規(guī)定。在保證了穩(wěn)態(tài)舒適度指標(biāo)的基礎(chǔ)上，在動車組牽引制動過程中的縱向沖擊做為一個瞬態(tài)的舒適度指標(biāo)，也成為一個值得關(guān)注的問題。

“沖擊(jerk)”也被翻譯為沖動、沖擊率等，幾種說法在概念上有很小差別。沖動通常為廣義概念，包括車間的作用力、車體加速度和加速度的變化率等參數(shù);沖擊定義為加速度的一階導(dǎo)數(shù)，表現(xiàn)為連續(xù)曲線;沖擊率定義為沖擊的數(shù)值，二者常互換使用。

列車的牽引和制動過程中產(chǎn)生了加、減速度，直接對應(yīng)于列車施加于乘客的作用力，此作用力過大顯然會影響舒適度。根據(jù)日本60年代在山梨線進(jìn)行的制動減速度與沖擊不同組合對舒適度的影響試驗(yàn)［1］，得出結(jié)論:不僅制動減速度的增大會降低舒適度，制動沖擊也是影響乘客舒適度的重要指標(biāo)。因此，從動車組設(shè)計角度出發(fā)，在牽引和制動系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)該對沖擊指標(biāo)進(jìn)行關(guān)注。

由于大級位的制動減速度大于滿級牽引的加速度，制動過程的沖擊指標(biāo)通常更大，故下文均基于制動過程的沖擊問題進(jìn)行討論分析。

國內(nèi)外現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中對制動沖擊的評價方法和數(shù)據(jù)處理方法尚無統(tǒng)一明確的規(guī)定，在評價動車組沖擊時容易引起混淆，主要體現(xiàn)在以下幾個方面:(1)評價對象是瞬時沖擊還是平均沖擊;(2)沖擊評價指標(biāo)的取值; (3)沖擊數(shù)據(jù)處理的方式:采用不同的濾波方式處理數(shù)據(jù)，會得到不同的峰值。

1 平均沖擊與瞬時沖擊

德國及歐洲標(biāo)準(zhǔn) DIN EN 13452-1－2005《鐵路應(yīng)用—制動—公共交通制動系統(tǒng)－第 1部分:性能要求》［2］中區(qū)分了瞬時沖擊和平均沖擊的概念。瞬時沖擊為加、減速度的微分，隨時間實(shí)時計算得出;平均沖擊為在給定時間內(nèi)加、減速度的變化量，例如，采用平均沖擊計算制動起始階段的沖擊時，以制動力由10%升至90%的建立時間(build－up time)為基準(zhǔn)，計算該時間內(nèi)加、減速度的變化量。

以制動起始階段為研究對象，即車輛由惰行轉(zhuǎn)為制動的瞬間。若制動力由10%勻速上升至90%，則此階段的瞬時沖擊與平均沖擊相等，任意選取其中一個指標(biāo)進(jìn)行評價即可。若制動力在10%～90%區(qū)段內(nèi)非勻速上升，例如在制動力10%～45%區(qū)段快速上升，在制動力45%～90%區(qū)段慢速上升，用瞬時沖擊進(jìn)行評價時，會在10%～45%的制動力快速上升區(qū)段產(chǎn)生一個較大的極值，在45%～90%的制動力慢速上升區(qū)段產(chǎn)生一個較小的極值;計算10%～90%制動力上升區(qū)段所得平均沖擊會將前半段的較大值抵消掉，得到介于二者中間的結(jié)果，未能表現(xiàn)前半段對舒適度產(chǎn)生較大影響的情況?；谝陨戏治?，出于對動車組制動階段舒適度的反映，建議采用瞬時沖擊指標(biāo)進(jìn)行計算和評價。

2 沖擊評價指標(biāo)取值的研究

對于制動沖擊指標(biāo)的評價標(biāo)準(zhǔn)值，國內(nèi)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)尚無明確的規(guī)定。在各平臺動車組的供貨技術(shù)條件內(nèi)一般規(guī)定為0.75m/s3，關(guān)于此限值的研究最初來源于對乘客感受的統(tǒng)計研究。

60年代初原日本國鐵鐵道技術(shù)研究所以乘客感受統(tǒng)計為基礎(chǔ)，進(jìn)行了一系列與乘坐舒適度有關(guān)的試驗(yàn)，其中也包括了制動過程中的舒適度試驗(yàn)［1］。試驗(yàn)中要求被試乘客給出允許或不允許的判定，給出不允許減速度的觀測者比例和對應(yīng)的減速度及其變化率結(jié)果如表1。這些試驗(yàn)結(jié)果成為日本國鐵減速舒適度執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。

表1 日本國鐵舒適度試驗(yàn)減速度允許試驗(yàn)結(jié)果［1］

如表1所示，日本國鐵采用的制動舒適度標(biāo)準(zhǔn)值為減速度≤0.8 m/s2(0.08g)，減速度變化率≤0.7 m/s3(0.07 g/s)。

DIN EN 13452-1－2005《鐵路應(yīng)用—制動—公共交通制動系統(tǒng)－第1部分:性能要求》中規(guī)定了對于鋼制車輪的地鐵車輛，減速度與沖擊等級如表2所示，另外規(guī)定了在車輛停止前瞬間的沖擊不受表中限值約束。

如表2所見，EN 13452中鋼制車輪地鐵車輛常用制動的最大瞬時減速度可達(dá)2 m/s2，大于國內(nèi)動車組規(guī)定的緊急制動瞬時減速度1.4 m/s2的限值［3］，相應(yīng)的1.5 m/s3的最大沖擊也高于國內(nèi)動車組水平。

在標(biāo)準(zhǔn)DIN EN 50215－2010《鐵路應(yīng)用-機(jī)車車輛-軌道交通建設(shè)完成并投入運(yùn)營前的測試》［4］中規(guī)定了在合同未做另外規(guī)定的前提下，除緊急制動外，沖擊不大于1 m/s3。

地鐵相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7928－2003《地鐵車輛通用技術(shù)條件》［5］中規(guī)定，常用制動平均減速度不低于1.0 m/s2;緊急制動平均減速度不低于1.2 m/s2。列車縱向沖擊不應(yīng)大于1 m/s3。

而在某些地鐵項(xiàng)目的招標(biāo)文件中規(guī)定，常用制動(含快速制動)時的列車沖擊限值為0.75 m/s3，緊急制動時沖擊通常不做評價，此指標(biāo)較GB/T 7928－2003和EN 50215中的標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)格，是基于提高軌道交通舒適度的要求而提出。

表2 EN 13452中規(guī)定的鋼制車輪的地鐵車輛的減速度與沖擊等級

參照國外動車組和地鐵項(xiàng)目中沖擊的指標(biāo)要求，國內(nèi)各動車組平臺也多采用0.75 m/s3的標(biāo)準(zhǔn)，表3匯總了國內(nèi)各主要動車組供貨技術(shù)條件中對制動沖擊指標(biāo)的要求。

表3 國內(nèi)動車組供貨技術(shù)條件中對于制動沖擊的要求

由前述對國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)和國內(nèi)動車組技術(shù)條件的總結(jié)可以看出，沖擊是反映制動過程舒適度的重要指標(biāo)，其限值的制定要與減速度水平相適應(yīng)，按照現(xiàn)行動車組的減速度水平和現(xiàn)有平臺應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，建議在今后的動車組標(biāo)準(zhǔn)中，將常用制動的沖擊限值統(tǒng)一為0.75 m/s3。

3 沖擊數(shù)據(jù)處理方法研究

動車組牽引制動時的縱向沖擊為一個復(fù)雜信號，其瞬時值包含多種頻率成份，不同頻率的響應(yīng)對應(yīng)人體的感知差異較大。目前國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中對牽引和制動過程中沖擊信號的處理方法尚沒有明確說明，因此，對信號采用的處理方式尤其是濾波截止頻率選取的差異會得出不同的沖擊結(jié)果，易導(dǎo)致誤判，影響了評價的準(zhǔn)確性和公正性。

3.1 基于標(biāo)準(zhǔn)的沖擊數(shù)據(jù)處理方法分析

對沖擊的數(shù)據(jù)處理方法最根本的依據(jù)是人體對于不同方向振動的感知差異。ISO 2631－1—1997《機(jī)械振動與沖擊－人體承受整體振動的評定－第1部分:一般要求》［6］中提出了人體對不同方向振動的頻率計權(quán)曲線，在基本計權(quán)方法中橫向和縱向采用同樣的頻率計權(quán)曲線。根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，ERRI B153提出了UIC 513—1994《關(guān)于有關(guān)鐵路車輛振動中評估乘客乘坐舒適性的指導(dǎo)》［7］，規(guī)定了穩(wěn)態(tài)振動情況下數(shù)據(jù)處理的方法，即使用統(tǒng)計學(xué)分析方法將加速度信號計權(quán)并計算均方根值，并將其與舒適度等級建立起對應(yīng)關(guān)系式。但UIC 513標(biāo)準(zhǔn)只針對穩(wěn)態(tài)情況。

ENV 12299《鐵路應(yīng)用—旅客乘坐舒適性—測量和評估》［8］中對舒適性的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)情況都進(jìn)行了評價方法的規(guī)定。其中對于過渡曲線運(yùn)行的橫向舒適度問題中，提出了瞬時減速度一階導(dǎo)數(shù)、即沖擊的數(shù)據(jù)處理方法:

(1)采用加速度計測試車體、轉(zhuǎn)向架等位置的橫向加速度y¨;

(2)對加速度信號進(jìn)行模擬低通濾波，濾波器傳遞函數(shù)如式1所示，濾波器特性圖如圖1所示。

式中f3，f4為截止頻率，f3=f4=2 HZ;Q2，K分別為濾波器系數(shù)，取值Q2=0.63，K=1.0。

圖1 模擬低通濾波器特性

(3)以≥10樣本/s的采樣頻率對信號進(jìn)行離散(數(shù)字化)，以1 s為基準(zhǔn)進(jìn)行平均，1/10 s滑動濾波，得到數(shù)字處理后的加速度y¨1;

(4)以相距1 s的兩個y¨1的最大變化取為最大橫向沖擊。

以上的數(shù)據(jù)處理方法應(yīng)用于橫向。由于ISO 2631中對橫向和縱向采用同樣的頻率計權(quán)曲線，所以認(rèn)為人體對橫向和縱向振動感知的頻率范圍近似一致，在計算縱向的沖擊時，應(yīng)采用與上述同樣的方法。

3.2 沖擊數(shù)據(jù)處理算法的軟硬件實(shí)現(xiàn)

為了在動車組運(yùn)行過程中測試牽引制動過程中的沖擊，以數(shù)字采集設(shè)備構(gòu)建測試系統(tǒng)，原理圖如圖2所示。

圖2 沖擊測試系統(tǒng)原理圖

如圖2所示，測試系統(tǒng)構(gòu)成如下:

(1)數(shù)字采集器為核心設(shè)備，要求具備模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集與處理等功能。實(shí)際選用設(shè)備具有100 kHz以上的采樣頻率，精度0.1%;

(2)工控計算機(jī)作為上位機(jī)，通過以太網(wǎng)與數(shù)字采集器進(jìn)行連接，對數(shù)字采集器進(jìn)行配置，具有顯示、存儲數(shù)據(jù)等功能;

(3)加速度計為主要測試傳感器。參照公共交通中較大的沖擊數(shù)值2.5 m/s2，選用的傳感器測量范圍0～3g(1g=9.8m/s2)，精度1%，對于車體縱向加速度而言量程可用;

(4)速度傳感器測量動車組實(shí)時速度;

(5)牽引制動指令信號確定牽引或制動開始施加的精確時刻，以此為依據(jù)開始記錄并計算一次牽引或制動過程的各種測試數(shù)據(jù);

(6)其他測試信號，包括動車組牽引功率發(fā)揮、空氣與制動施加情況等。

按照前述沖擊數(shù)據(jù)處理方法，對加速度計的測量信號軟件處理流程如圖3所示。

圖3 對加速度信號進(jìn)行軟件處理流程圖

測試系統(tǒng)由底層軟件IMC Device和上位機(jī)的前臺軟件基于Labview開發(fā)的測試系統(tǒng)組成。在底層軟件中，對硬件進(jìn)行采集通道的配置、數(shù)據(jù)采集和濾波、滑動平均等預(yù)處理過程;在前臺軟件中對預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行再采樣，降低數(shù)據(jù)量，便于數(shù)據(jù)的顯示存儲和快速查看等操作。

3.3 沖擊數(shù)據(jù)處理算法的驗(yàn)證

按以上軟件處理流程對實(shí)測值進(jìn)行計算處理，得到某型動車組的實(shí)測瞬時減速度和沖擊試驗(yàn)曲線，并與未良好濾波的信號進(jìn)行比較，如圖4所示。

如圖4所示，軟件處理后的減速度和沖擊曲線較之未良好濾波的數(shù)據(jù)更為平滑，且對信號的完整趨勢有了準(zhǔn)確表現(xiàn)，數(shù)據(jù)處理結(jié)果較為合理。由此可以看出，在濾波方式不當(dāng)?shù)那闆r下對沖擊峰值進(jìn)行判斷可能導(dǎo)致不正確的結(jié)果，另一方面也體現(xiàn)了該信號處理方法的必要性。

圖4 某型動車組減速度、沖擊信號處理比較曲線

4 制動沖擊的產(chǎn)生區(qū)段研究

在制動過程中，一般會在3個區(qū)段產(chǎn)生明顯沖擊: (1)車輛由惰行轉(zhuǎn)制動的瞬間，減速度由0逐漸升至最大;(2)停車瞬間，減速度由最大降至0;(3)空電制動工況轉(zhuǎn)換瞬間。

某型動車組最大常用制動的沖擊試驗(yàn)曲線見圖5所示。

圖5 某型動車組最大常用制動沖擊試驗(yàn)曲線

由圖5可見，整個制動過程中出現(xiàn)了兩次沖擊，第1次發(fā)生在制動開始建立階段，沖擊為0.58 m/s3，第2次發(fā)生在停車階段，沖擊為0.83 m/s3。

從乘坐舒適度的角度出發(fā)，動車組由惰行轉(zhuǎn)制動的瞬間動車組運(yùn)行速度相對較高，且乘客處于無準(zhǔn)備狀態(tài)，所以此時對舒適度要求較高，應(yīng)做為重點(diǎn)控制沖擊的區(qū)段。

另外，在制動過程中發(fā)生空電制動的工況轉(zhuǎn)換，也會產(chǎn)生沖擊。例如，動車組在一次空電復(fù)合制動的過程中，短暫經(jīng)過了無電的分相區(qū)，其電制動突然失效，為對總制動力進(jìn)行補(bǔ)充，空氣制動迅速投入。隨著電制動的消退和空氣制動力的投入，會產(chǎn)生減速度的瞬時變化而產(chǎn)生沖擊。圖6為某型動車組在復(fù)合制動過程中經(jīng)過分相區(qū)的試驗(yàn)曲線。

圖6 某型動車組制動過分相沖擊試驗(yàn)曲線

由圖6可見，在電制動失效后，動車組提高了空氣制動力對總制動力進(jìn)行補(bǔ)充，從而引起了一次沖擊，達(dá)到0.30 m/s3。若此時空氣制動補(bǔ)充速率的控制不當(dāng)，同樣會造成對乘坐舒適度的影響。

鑒于不同制動區(qū)段產(chǎn)生的沖擊均可達(dá)到與前述推薦限值0.75 m/s3相同的量級，因此均會對乘坐舒適度產(chǎn)生不同程度的影響，在動車組設(shè)計階段，應(yīng)分別采取合適的控制策略予以優(yōu)化。

5 制動沖擊控制方式研究

對制動沖擊的控制方法是采用具有時間常數(shù)的柔性控制［9］，即對制動力的增大和減小的速率進(jìn)行控制?？刂茮_擊的代價，就是在制動力增大和減小階段犧牲了少量的響應(yīng)時間和制動距離，在保證制動距離不變的前提下，需要制動力在穩(wěn)定維持的過程中適當(dāng)提高。

一些動車組廠家已開始著手對制動沖擊進(jìn)行研究和優(yōu)化。參考某型動車組針對停車瞬間制動沖擊過大的解決方案，控制原理如圖7所示。

圖7 某型動車組低速制動沖擊控制解決方案原理圖

由圖7可見，在制動進(jìn)入＜20 km/h的低速區(qū)段，制動力逐漸減小至5 km/h時的74%制動力，在停車瞬間減速度變化的幅值也相應(yīng)減小到約74%，在停車前減速度降至0(車速至0)的時間近似不變的情況下，沖擊也減小至74%。假設(shè)圖中100%制動力為0.8 m/s2(參照CRH380B型動車組)，近似計算此段由于沖擊控制對制動距離的損失，約為20 m，將制動力在穩(wěn)定維持的過程中微量提高既可抵消其制動距離損失。此優(yōu)化策略對制動系統(tǒng)設(shè)計改進(jìn)要求不大，僅需控制制動力階段退出即可實(shí)現(xiàn)。

由前所述，建議動車組在設(shè)計階段，采用階段增大或減小制動力的策略，對制動沖擊進(jìn)行控制，同時對沖擊控制引起的制動距離增大進(jìn)行評估，在制動力穩(wěn)態(tài)維持的過程中對制動力的損失進(jìn)行補(bǔ)償。

6 結(jié)論與建議

(1)對沖擊指標(biāo)進(jìn)行計算時，沖擊的瞬時值更能反映人體的乘坐感受，而其平均值不能完全表現(xiàn)出對舒適度的階段性影響，建議采用沖擊的瞬時值進(jìn)行評價。

(2)沖擊限值的研究最初是基于人體感受的統(tǒng)計。根據(jù)部分動車組技術(shù)條件中的指標(biāo)，建議在未來的動車組標(biāo)準(zhǔn)中將常用制動沖擊限值統(tǒng)一規(guī)定為0.75 m/s3。

(3)對于沖擊的數(shù)據(jù)處理方法，建議在未來的標(biāo)準(zhǔn)中給出明確統(tǒng)一的規(guī)定，以保證評判的準(zhǔn)確和公正性，并更好的指導(dǎo)制動系統(tǒng)設(shè)計。建議參考ENV12299中過渡曲線運(yùn)行評價中的橫向沖擊數(shù)據(jù)處理方法。應(yīng)用此方法，構(gòu)建數(shù)字采集系統(tǒng)進(jìn)行測試和數(shù)據(jù)處理，可以對沖擊指標(biāo)進(jìn)行合理評價。

(4)動車組制動過程中會有3個產(chǎn)生明顯沖擊的區(qū)段:由惰行轉(zhuǎn)制動的瞬間、停車瞬間、制動工況轉(zhuǎn)換瞬間。此3個區(qū)段均會產(chǎn)生影響舒適度量級的沖擊，建議動車組在設(shè)計時對不同過程的沖擊控制均予以考慮。

(5)建議動車組在采用階段增大或減小制動力的策略，對制動沖擊進(jìn)行控制，同時評估沖擊控制的代價，對制動力損失進(jìn)行補(bǔ)償。

［1］ 王悅明，王新銳.客車舒適度的評定［J］.鐵道機(jī)車車輛，2000，20(3):1-4.

［2］ DIN EN 13452－2005 Railway applications-Braking-Mass transit brake systems-Part 1:Performance requirements［S］.

［3］ 中華人民共和國鐵道部.鐵運(yùn)［2008］28號.高速動車組整車試驗(yàn)規(guī)范［S］.

［4］ DIN EN 50215－2010 Railway applications-Rolling stock-Testing of rolling stock on completion of construction and before entry into service［S］.

［5］ GB/T 7928－2003地鐵車輛通用技術(shù)條件［S］.

［6］ ISO 2631-1－1997 Mechanical vibration and shock-Evaluation of human exposure to whole-body vibration-Part1:General requirements［S］.

［7］ UIC 513－1994 Guidelines for evaluating passenger comfort in relation to vibration in railway vehicles［S］.

［8］ ENV12299－1999 Railway applications-Ride comfort for passengers-Measurement and evaluation［S］.

［9］ 李和平，嚴(yán)霄蕙，曹宏發(fā).動車組旅客舒適度與制動控制［J］.鐵道機(jī)車車輛，2011，31(5):111-114.

Evaluation Methods and Data Processing Research of EMU's Traction and Braking

SHAO Lin，YANG Xin，HUANG Jin
(Locomotive＆Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

In this paper，based on the relevant standards and theoretical researches，we analyzed problems like determining instantaneous or average rate，the judgment value，and different data processing methods and so on，and then the proposed data processing methods were used to calculate the result of jerk，which verified its reasonableness.Finally，the characteristics of different sections of braking jerk were summarized，and the suggestions of the optimal control method were provided.

EMU;jerk;evaluation methods;data processing methods

U266.11+1

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2015.02.10

1008－7842(2015)02－41－05

*中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所青年基金(1350JL05)邵林(1985—)男，助理研究員(

2014－09－09)