王林棟，吳 寧，文 彬

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081）

風(fēng)致高速列車瞬態(tài)乘坐舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)研究*

王林棟，吳 寧，文 彬

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081）

大風(fēng)作用下高速列車乘員能夠感受到明顯的車體振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致司機(jī)降速行駛。針對(duì)這一現(xiàn)象國(guó)內(nèi)外并沒有合適的評(píng)價(jià)方法，缺乏相應(yīng)的舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)。本文在高速列車大風(fēng)試驗(yàn)基礎(chǔ)上總結(jié)了車體晃動(dòng)特點(diǎn)，參照EN 12299中關(guān)于車輛通過曲線和離散事件發(fā)生時(shí)乘員乘坐舒適度的測(cè)試、計(jì)算和評(píng)價(jià)方法，給出了大風(fēng)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(píng)價(jià)指標(biāo)。

高速列車；大風(fēng)；乘坐舒適性

根據(jù)蘭新（蘭州—新疆）二線等多條線路的試驗(yàn)結(jié)果，在大風(fēng)（側(cè)風(fēng)）作用下高速列車在部分防風(fēng)設(shè)施過渡段車體振動(dòng)會(huì)瞬間加劇，乘坐舒適度差，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致司機(jī)降速運(yùn)行。此時(shí)常用的車體加速度和運(yùn)行平穩(wěn)性等指標(biāo)數(shù)值增大并不明顯，不能有效地反映出車體的振動(dòng)程度和乘員的感受。因此需要對(duì)大風(fēng)作用下高速列車乘員乘坐舒適度指標(biāo)進(jìn)行深入的研究。

乘坐舒適度指標(biāo)一般分為兩類：一類是描述乘客在一定時(shí)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(duì)個(gè)別事件的感受，稱為瞬態(tài)舒適度。個(gè)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(shí)風(fēng)作用等短時(shí)間內(nèi)發(fā)生的事件。

乘坐舒適度指標(biāo)N和平穩(wěn)性指標(biāo)W是評(píng)價(jià)穩(wěn)態(tài)舒適度的常用指標(biāo)。指標(biāo)N是車體縱向、橫向和垂向振動(dòng)加速度的加權(quán)結(jié)果，一般分為5個(gè)等級(jí)：非常舒適、舒適、中等、不舒適、非常不舒適。舒適度N的測(cè)量持續(xù)時(shí)間段一般為5 min。UIC 513、EN 12299和我國(guó)《高速動(dòng)車組整車試驗(yàn)規(guī)范》均對(duì)車輛的乘坐舒適度指標(biāo)N進(jìn)行了規(guī)定。指標(biāo)W分為橫向平穩(wěn)性指標(biāo)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(biāo)W一般將鐵道車輛平穩(wěn)性分為4個(gè)等級(jí)：優(yōu)、良好、合格、不合格，測(cè)量持續(xù)時(shí)間段一般為18～20 s。我國(guó)《高速動(dòng)車組整車試驗(yàn)規(guī)范》、GB 5599均對(duì)車輛的運(yùn)行平穩(wěn)性W進(jìn)行了規(guī)定。

根據(jù)蘭新二線等多條線路的試驗(yàn)結(jié)果，大風(fēng)作用下車體在線路個(gè)別位置出現(xiàn)明顯的瞬態(tài)振動(dòng)，體感乘坐舒適度較差。根據(jù)運(yùn)用結(jié)果，已有的舒適度指標(biāo)N、平穩(wěn)性指標(biāo)W、車體加速度a的試驗(yàn)結(jié)果與人體感覺均存在明顯偏差，不能適時(shí)地反映車體瞬態(tài)振動(dòng)引起的乘員乘坐舒適度水平。目前國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，未見能夠準(zhǔn)確評(píng)價(jià)大風(fēng)作用下車體瞬態(tài)振動(dòng)乘員乘坐舒適度的指標(biāo)。本文根據(jù)已有的舒適度指標(biāo)N、PCT和PDE的測(cè)量和評(píng)價(jià)方法，提出了大風(fēng)作用下車體振動(dòng)乘員乘坐舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)PW。

1 強(qiáng)橫風(fēng)作用下車體振動(dòng)特點(diǎn)試驗(yàn)研究

采用實(shí)車試驗(yàn)研究大風(fēng)作用下晃車特點(diǎn)。試驗(yàn)線路為蘭新二線的百里風(fēng)區(qū)，線路迎風(fēng)側(cè)存在多種類型防風(fēng)設(shè)施。試驗(yàn)動(dòng)車組為CRH2和CRH5型動(dòng)車組，最高速度級(jí)為250 km／h。測(cè)試參數(shù)為動(dòng)車組車體振動(dòng)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(duì)位移換算得到。試驗(yàn)中最大環(huán)境風(fēng)速約30 m／s，風(fēng)向基本垂直列車運(yùn)行方向且比較穩(wěn)定。

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

根據(jù)車體振動(dòng)特點(diǎn)，針對(duì)上述瞬態(tài)振動(dòng)的舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)滿足以下條件：（1）既要計(jì)入橫向振動(dòng)參數(shù)，又要計(jì)入側(cè)滾振動(dòng)參數(shù)；（2）能夠量化瞬態(tài)振動(dòng)的特征，不評(píng)價(jià)累計(jì)效應(yīng)；（3）對(duì)橫向振動(dòng)參數(shù)和側(cè)滾振動(dòng)參數(shù)的加權(quán)系數(shù)比例適當(dāng)，結(jié)果取值合理；（4）振動(dòng)參數(shù)容易在工程上測(cè)量實(shí)現(xiàn)。

圖1 列車通過過渡段時(shí)車體橫向振動(dòng)加速度典型時(shí)域波形

圖2 列車通過過渡段時(shí)車體側(cè)滾角速度典型時(shí)域波形

圖3 列車通過過渡段時(shí)車體側(cè)滾角典型時(shí)域波形

2 EN 12299關(guān)于瞬態(tài)舒適度的評(píng)價(jià)指標(biāo)

標(biāo)準(zhǔn)EN 12299在舒適度指標(biāo)N基礎(chǔ)上增加了通過緩和曲線時(shí)的舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)PCT和離散事件（通過道岔、局部軌道不平順、陣風(fēng)作用）發(fā)生時(shí)的舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)PDE。PCT和PDE均是針對(duì)個(gè)別事件的評(píng)價(jià)，不評(píng)價(jià)累計(jì)效應(yīng)。

當(dāng)車輛通過單個(gè)緩和曲線時(shí)對(duì)乘坐舒適度有顯著影響時(shí)，采用指標(biāo)PCT進(jìn)行評(píng)價(jià)。PCT的計(jì)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(dòng)加速度，m·s－2和車體側(cè)滾角速度，rad·s－1。

對(duì)通過單個(gè)緩和曲線的舒適度進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，|?1s|max所計(jì)時(shí)間范圍為從車輛進(jìn)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(jì)時(shí)間范圍為從車輛進(jìn)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(jì)時(shí)間范圍為從車輛進(jìn)入緩和曲線到離開緩和曲線，單位為rad·s－1。

表1 PCT計(jì)算公式中的常系數(shù)

EN 12299－2009未規(guī)定使用舒適度指標(biāo)PCT時(shí)的評(píng)定分級(jí)。

當(dāng)離散事件對(duì)乘坐舒適度有顯著影響時(shí)，采用指標(biāo)PDE進(jìn)行評(píng)價(jià)，PDE適用于乘客在舒適度方面感覺發(fā)生突變的場(chǎng)合，如車輛通過道岔、車輛受陣風(fēng)影響產(chǎn)生瞬態(tài)振動(dòng)等。PDE的計(jì)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(jì)算公式中的常系數(shù)

EN 12299－2009未規(guī)定使用舒適度指標(biāo)PDE時(shí)的評(píng)定分級(jí)。

3 大風(fēng)作用下的乘員瞬態(tài)乘坐舒適度評(píng)判指標(biāo)

如前所述，大風(fēng)作用下瞬態(tài)乘坐舒適度指標(biāo)PW應(yīng)包含車體橫向振動(dòng)表征參數(shù)和車體側(cè)滾振動(dòng)表征參數(shù)。EN 12299中定義的離散事件舒適度指標(biāo)PDE并未包含車體側(cè)滾振動(dòng)表征參數(shù)，緩和曲線通過舒適度指標(biāo)PCT雖然計(jì)入了橫向加速度和側(cè)滾角速度，但PCT是為評(píng)價(jià)曲線上的舒適度提出的，并不適用于對(duì)大風(fēng)下的車體振動(dòng)進(jìn)行舒適度評(píng)價(jià)。其中對(duì)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(dòng)影響，這對(duì)于緩和曲線通過是合適的，但對(duì)于大風(fēng)作用下車體振動(dòng)周期為1～2 s的振動(dòng)是不適用的。參考EN 12299中PCT和PDE的計(jì)算公式和數(shù)據(jù)處理方法并考慮到側(cè)滾振動(dòng)參數(shù)的工程測(cè)量實(shí)現(xiàn)，PW（Passenger comfort in wind）計(jì)算公式中在PDE的基礎(chǔ)上增加側(cè)滾角速度項(xiàng)，具體計(jì)算公式如下：

式中?pp（t）和|?2s（t）|的定義同PDE，計(jì)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(duì)應(yīng)，側(cè)滾角速度φ·由PCT計(jì)算時(shí)的1 s內(nèi)最大絕對(duì)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(biāo)計(jì)算公式中常系數(shù)

測(cè)試用傳感器和測(cè)量方法依照EN 12299。

車體橫向加速度（單位：m·s－2）信號(hào)采樣頻率大于10 Hz。車體側(cè)滾角速度（單位：rad·s－1）信號(hào)采樣頻率大于10 Hz。以2 s為時(shí)間窗、0.1 s為步長(zhǎng)滑動(dòng)計(jì)算乘坐舒適度指標(biāo)PW。

4 應(yīng)用與分級(jí)

根據(jù)實(shí)測(cè)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(jì)算乘坐舒適度PW，考察指標(biāo)PW是否能正確反映大風(fēng)作用下的人體感覺。

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

圖4 CRH2型動(dòng)車組站姿PW測(cè)試結(jié)果散點(diǎn)

圖5 CRH2型動(dòng)車組坐姿PW測(cè)試結(jié)果散點(diǎn)

圖6 CRH5型動(dòng)車組站姿PW測(cè)試結(jié)果散點(diǎn)

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

在應(yīng)用舒適度指標(biāo)PW時(shí)需要規(guī)定相應(yīng)的舒適度分級(jí)規(guī)則。舒適度指標(biāo)PCT和PDE在EN 12299中未給出評(píng)定分級(jí)的數(shù)值，因此無法進(jìn)行參考。總結(jié)大風(fēng)作用下已有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將指標(biāo)PW分為3個(gè)等級(jí)：感覺不明顯、感覺明顯、感覺非常明顯。對(duì)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(guó)鐵路總公司科研計(jì)劃課題（2015T002－C）

6—）男，副研究員（

2016－06－15）