張文春 吳伋

摘 ?要：針對TB/T2360，ISO2631和UIC513三種常用的平穩(wěn)性指標評價方法進行了對比，從加權(quán)函數(shù)對比標準之間的差異。通過實測加速度數(shù)據(jù)的頻譜構(gòu)成，認為橫向加權(quán)函數(shù)衰減基本一致，TB/T2360垂向加權(quán)函數(shù)衰減最大，UIC513的標準評價最為嚴格。

關鍵詞：平穩(wěn)性指標;機車動力學;評定方法;加權(quán)函數(shù)

中圖分類號：U260 ? ? ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）32-0067-04

Abstract： The author analyzes three commonly used evaluation methods for stability index， TB/T2360， ISO2631 and UIC513， and the difference between the standards is compared from the weight function. According to the spectrum composition and relative sensitivity of the measured acceleration data， the attenuation of the lateral weighting function is basically the same， the attenuation of the vertical weighting function of TB/T2360 is the largest， and the standard evaluation of UIC513 is the most stringent.

Keywords： stability index; locomotive dynamics; evaluation method; weight function

引言

鐵路車輛平穩(wěn)性是評價機車動力學性能的一項重要參數(shù)，廣義的平穩(wěn)性包括振動、噪聲、座椅、空調(diào)、壓力變化等參數(shù)，但是通常平穩(wěn)性僅以振動加速度對乘客的影響進行評價。隨著一帶一路倡議鼓勵國內(nèi)企業(yè)走向世界，國內(nèi)行業(yè)的標準也需要逐步與國際標準接軌。

現(xiàn)行評價鐵路車輛平穩(wěn)性指標的標準主要評價車輛在所有線路范圍內(nèi)0～100Hz頻帶范圍內(nèi)的振動分量，包括x，y和z軸的直線振動，以及繞人體中心的三個軸的旋轉(zhuǎn)振動，對立姿、坐姿、臥姿人體的振動進行評價。

我國現(xiàn)行鐵路車輛評價規(guī)范有TB/T2360和GB/T5599[1，2]，其中用于評價平穩(wěn)性的部分都是基于Sperling平穩(wěn)性指標發(fā)展而來。國外的現(xiàn)行相關標準包括國際通用標準ISO2631-1997[3]，國際鐵路聯(lián)盟UIC513-1997[4]和CEN組織發(fā)部的EN12299等。這些標準在頻率計算范圍、加權(quán)特性和平穩(wěn)性評價總值的計算方法上各有不同。本文針對各種平穩(wěn)性指標的特點，通過實測數(shù)據(jù)對比分析相關標準之間對平穩(wěn)性定義的偏差，評價不同標準選用對不同車型的影響。

1 平穩(wěn)性評價方法

常用的平穩(wěn)性評價標準可分為三種完全獨立的評價方法：TB/T2360指標，ISO2361標準和UIC513標準。其它標準評價平穩(wěn)性指標的內(nèi)容，TB/T2360和GB/T5599基于Sperling，EN12299基于UIC513，所以不單獨列出。

1.1 TB/T2360

TB/T2360采用的Sperling平穩(wěn)性指標用來評價車輛運行性能的方法在國際上獲得廣泛應用[5，6]。TB/T2360基于大量試驗來評價旅客乘坐平穩(wěn)性，采用時域信號評價平穩(wěn)性指標時，采用加權(quán)加速度AW定義運行加速度，

其中：aW（t）為加權(quán)加速度時間信號，m/s2，T為樣本周期。

TB/T2360采用最大加速度Amax和加權(quán)加速度總值AW對平穩(wěn)性進行評價，運行平穩(wěn)性各評定等級的界限值詳見表1。

1.2 ISO2631標準

ISO2631使用頻率加權(quán)總值aw評價平穩(wěn)性，可用于評價立姿、坐姿和臥姿的平穩(wěn)性，并引入振動暴露總值用于評估振動損傷。該標準可對正常操作過程中人體可能會遇到的任何情況進行評價。

均方根加速度aw按照下式或其頻率的等價式計算：

式中：aw（t）為時間歷程的加權(quán)加速度，T為測量時長。對于站姿，z軸方向的頻率加權(quán)曲線為Wk，x軸和y軸方向的頻率加權(quán)曲線為Wd。

當振動在一個以上方向同時發(fā)生時，正交坐標系下的振動所決定的加權(quán)均方根加速度的振動總量為：

式中：awx，awy，awz分別為x，y和z向的1/3倍頻帶的均方根加速度，kx，ky，kz為ISO2631規(guī)定的方向因數(shù)。

考慮到不同場合對平穩(wěn)性影響的因素有所不同，ISO2631未對振動加速度的總量定義限界。如表2給出了在公共交通中綜合振動總值的不同量值可能反應的近似描述。

1.3 UIC513標準

UIC513標準對規(guī)定運行條件下車輛運行舒適性進行說明。該標準是基于5min時長所獲取的車輛振動加速度得到舒適性平均值。加速度采用加權(quán)均方根RMS值進行統(tǒng)計分析，計算含有95%百分比的分量。

在地板水平高度上站立的平穩(wěn)性指標N可用簡化算法計算得到，其計算公式為：

式中：a為加速度的有效值;下標x，y，z分別表示縱向、橫向、垂向， P95表示地面振動加速度95%的置信度;上標Wi（i=b，d）為加速度的權(quán)值，Wd為水平加速度權(quán)值，Wb為垂直加速度權(quán)值。

如表3為UIC513對振動平穩(wěn)性的指標，推薦傳統(tǒng)鐵道車輛的平穩(wěn)性指標N不超過4。

2 評價方法的權(quán)值對比

三個標準均以加權(quán)加速度評價平穩(wěn)性，對比式（1），（2）和（4），TB/T2360僅考慮垂向和橫向的加權(quán)，ISO2631和UIC513考慮了三個方向的加速度。數(shù)據(jù)分析過程中僅考慮橫向和垂向振動加速度。

如圖1和圖2分別為橫向和垂向權(quán)值的對比。TB/T2360的分析頻帶范圍為0.5～80Hz。ISO2631標準給出了0.1～250頻帶內(nèi)的所有加權(quán)函數(shù)，實際計算過程中使用僅考慮0.5～80Hz頻帶內(nèi)的分量。UIC513的分析范圍比上述兩者稍寬，為0.4～80Hz范圍。

整體而言，TB/T2360，ISO2631與UIC513橫向振動的加權(quán)幾乎相同，但在垂向分量中。對于垂向分量，TB/T2360給予≤10Hz低頻分量更多的關注，ISO2631次之，UIC513最少;而在10～80Hz分量則完全相反。對于橫向分量，TB/T2360對>2Hz的分量給予更多的關注。

3 實測信號對比

為了對比三種平穩(wěn)性評價方法實際使用中的區(qū)別，以某型機車的橫向和垂向?qū)崪y數(shù)據(jù)進行分析，按照三個標準對原始數(shù)據(jù)進行加權(quán)結(jié)果。截取實測數(shù)據(jù)中的300s數(shù)據(jù)進行分析，數(shù)據(jù)采樣率為5kHz，分貝通過濾波、加權(quán)、FFT分析和統(tǒng)計求和得到相應標準的加速度。

如圖3和圖4分別為橫向和垂向的原始加速度及三個標準的加權(quán)加速度。相比來看，橫向數(shù)據(jù)的三個標準加權(quán)結(jié)果相差不大，但采用Sperling加權(quán)的頻帶范圍較小，僅考慮1～80Hz范圍，加權(quán)數(shù)據(jù)的峰值相對較小。垂向數(shù)據(jù)ISO2631和UIC513的加權(quán)結(jié)果基本一致，而Sperling的加權(quán)結(jié)果相對較小。

如圖5為加速度加權(quán)總值，ISO2631和UIC513標準的加權(quán)結(jié)果基本相同，UIC513采用95%置信度數(shù)據(jù)，加權(quán)加速度稍小;Sperling的加權(quán)加速度相對其它兩者偏小。

如圖6為各頻帶分量的加權(quán)加速度分量。三個標準加權(quán)后主要頻帶的分布基本相同，橫向加速度分量主要集中再1～2Hz頻帶內(nèi)，垂向加速度主要分布再2～12.5Hz頻帶內(nèi)。

4 平穩(wěn)性分析

三種平穩(wěn)性評價指標的評價結(jié)果見圖7～圖9。TB/T2360分別按橫向和垂向振動加速度進行平穩(wěn)性評估，ISO2631和UIC513以各方向的加速度均方值進行評估;相比而言，TB/T2360的評估標準相對后兩者更為寬松，而UIC513對平穩(wěn)性的指標限值最為嚴格。

5 結(jié)論

常用的平穩(wěn)性評價方法中，TB/T2360、ISO2631和UIC513的橫向加權(quán)函數(shù)衰減基本一致，而TB/T2360垂向加權(quán)函數(shù)衰減比其它兩者更大。實測信號的指標對標顯示，UIC513的評價標準最為嚴格，ISO2631次之，TB/T2360相對最為寬松。

參考文獻：

[1]GB 5599-85.鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規(guī)范[S].

[2]TB/T 2360-93.鐵道機車動力學性能試驗鑒定方法及評定標準[S].

[3]ISO2631-4 Mechanical vibration and shock-Evaluation of human exposure to whole-body vibration-Part 4： Guidelines for the evaluation of the effect of vibration and rotational motion on passenger and crew comfort in fixed-guideway transport systems. [S].

[4]UIC513 Guidelines for evaluation passenger comfort in relation to vibration in railway vehicles. [S].

[5]張學銘，謝曉波，楊少彬.鐵道車輛平穩(wěn)性指標對比分析[J].佳木斯大學學報：自然科學版，2011（05）：23-28.

[6]戴煥云.平穩(wěn)性指標W和加權(quán)加速度Aw不能相互換算的分析[J].鐵道技術(shù)監(jiān)督，2008，36（9）：1-3.