王林棟

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所，北京100081）

近幾年，我國(guó)在武廣客專、京滬高鐵、贛龍鐵路、鄭徐客專等多條線路上進(jìn)行了一系列動(dòng)車組高速交會(huì)試驗(yàn)，獲取了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。2016年更是采用2列中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組在鄭徐客專成功進(jìn)行了速度為420 km/h交會(huì)試驗(yàn)，迄今為止仍屬于世界上速度最高的動(dòng)車組交會(huì)試驗(yàn)［1］。根據(jù)動(dòng)車組高速交會(huì)試驗(yàn)結(jié)果，交會(huì)瞬間車體橫向加速度較大，乘員會(huì)感覺到明顯的車體晃動(dòng)，乘坐舒適度差，嚴(yán)重時(shí)引起乘員不適。而此時(shí)常用的乘坐舒適度指標(biāo)變化不明顯，不能有效地反映出交會(huì)時(shí)車體的振動(dòng)程度和乘員的感受，不能滿足試驗(yàn)需求。因此需要對(duì)動(dòng)車組高速交會(huì)時(shí)乘坐舒適度評(píng)價(jià)方法進(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。我國(guó)在評(píng)價(jià)車輛和線路時(shí)經(jīng)常采用穩(wěn)態(tài)舒適度。

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)［2］，在我國(guó)鐵路已經(jīng)廣泛應(yīng)用。指標(biāo)N是車體縱向、橫向和垂向振動(dòng)加速度的加權(quán)計(jì)算結(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，要求測(cè)量持續(xù)時(shí)間段為5 min。UIC 513、EN 12299［3］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N進(jìn)行了規(guī)定。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，指標(biāo)W分為橫向平穩(wěn)性指標(biāo)Wy和垂向平穩(wěn)性W z，分別是車體橫向和垂向加速度的加權(quán)計(jì)算結(jié)果，一般分為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。

根據(jù)多條線路的交會(huì)試驗(yàn)結(jié)果，動(dòng)車組高速交會(huì)時(shí)車體會(huì)出現(xiàn)明顯的瞬態(tài)振動(dòng)（交會(huì)時(shí)車體橫向振動(dòng)加速度典型波形如圖1所示）。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，已有的指標(biāo)N、W、車體加速度等試驗(yàn)結(jié)果與乘員感覺均存在明顯偏差，不能準(zhǔn)確地反映車體瞬態(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)交會(huì)車體瞬態(tài)振動(dòng)時(shí)，乘員乘坐舒適度的指標(biāo)和評(píng)價(jià)方法。根據(jù)多次動(dòng)車組高速交會(huì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，參照EN 12299中瞬時(shí)舒適度指標(biāo)PDE的測(cè)量和評(píng)價(jià)方法，提出了交會(huì)時(shí)車體晃動(dòng)相關(guān)的乘坐舒適度測(cè)試、計(jì)算和評(píng)價(jià)方法。

1 高速交會(huì)時(shí)車體振動(dòng)特點(diǎn)研究

從試驗(yàn)結(jié)果看，高速交會(huì)時(shí)的車體振動(dòng)屬于瞬態(tài)振動(dòng)，乘員乘坐舒適度屬于瞬態(tài)舒適度。在評(píng)價(jià)這一舒適度時(shí)，應(yīng)該綜合考慮高速交會(huì)時(shí)振動(dòng)特點(diǎn)和原因，才能合理進(jìn)行測(cè)試、計(jì)算和評(píng)價(jià)。

高速交會(huì)時(shí)由于車體受到鄰線動(dòng)車組的空氣動(dòng)力影響，車體振動(dòng)主要表現(xiàn)為車體的橫向瞬態(tài)振動(dòng)。由于列車速度較高，可以認(rèn)為車體橫向氣動(dòng)載荷為脈沖式力和力矩，則交會(huì)時(shí)的振動(dòng)響應(yīng)實(shí)際上反應(yīng)了鐵道車輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)在脈沖輸入下的響應(yīng)特征。

采用實(shí)車試驗(yàn)研究高速交會(huì)時(shí)車體振動(dòng)的特點(diǎn)。試驗(yàn)線路為鄭徐客專，交會(huì)速度級(jí)為420 km/h對(duì)420 km/h，交會(huì)位置的線路為明線、直線，線間距5 m。試驗(yàn)用2列均為8輛編組的中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組。交會(huì)時(shí)2列動(dòng)車組分別在上行、下行線路運(yùn)行，運(yùn)行方向相反。試驗(yàn)參數(shù)為動(dòng)車組車體縱向、橫向和垂向振動(dòng)加速度。測(cè)點(diǎn)位于列車前3節(jié)車廂內(nèi)地板面上，每節(jié)車廂的頭部、中部和尾部均布置了加速度傳感器。

動(dòng)車組高速交會(huì)時(shí)車體會(huì)出現(xiàn)明顯振動(dòng)，乘員同時(shí)感覺到很明顯的車體橫向晃動(dòng)，感受到明顯的不舒適。動(dòng)車組高速交會(huì)時(shí)車體橫向加速度時(shí)域波形如圖1所示?？梢钥吹杰圀w振動(dòng)具有以下特點(diǎn)［4］：

（1）在交會(huì)過程中被試車體會(huì)產(chǎn)生2次非常明顯的橫向振動(dòng)。

（2）2次振動(dòng)的第1個(gè)加速度峰值符號(hào)相反。

（3）每次振動(dòng)車體加速度均會(huì)出現(xiàn)2個(gè)比較明顯的峰值，且其中第1個(gè)峰值最大，如圖1所示。

圖1 動(dòng)車組高速交會(huì)時(shí)被試車的車體橫向加速度典型時(shí)域波形

根據(jù)交會(huì)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)、振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)和空氣動(dòng)力學(xué)測(cè)試數(shù)據(jù)，分析高速交會(huì)時(shí)被試車體橫向振動(dòng)的原因如下：

（1）出現(xiàn)2次比較明顯的振動(dòng)，因?yàn)椋旱?次振動(dòng)是被試車體受到臨線交會(huì)動(dòng)車組頭車氣動(dòng)載荷的沖擊，在交會(huì)側(cè)出現(xiàn)正壓，頭車通過后被試車體在車輛系統(tǒng)作用下逐漸恢復(fù)；第2次振動(dòng)是被試車體受到臨線交會(huì)動(dòng)車尾車離開時(shí)氣動(dòng)載荷的影響，在交會(huì)側(cè)出現(xiàn)負(fù)壓，尾車離開后被試車體在車輛系統(tǒng)作用下逐漸恢復(fù)［5］；如圖2、圖3所示［6］。

圖2 動(dòng)車組高速交會(huì)時(shí)被試車與臨線交會(huì)動(dòng)車組頭車相遇位置示意圖

圖3 動(dòng)車組交會(huì)時(shí)被試車離開臨線交會(huì)動(dòng)車組尾車位置示意圖

（2）2次振動(dòng)的第1個(gè)加速度峰值符號(hào)相反，因?yàn)榈?次振動(dòng)是頭車相遇時(shí)氣動(dòng)載荷對(duì)被試車正壓引起的；第2次振動(dòng)是尾車離開時(shí)氣動(dòng)載荷對(duì)被試車負(fù)壓引起的［7］。

（3）每次振動(dòng)持續(xù)時(shí)間與交會(huì)速度有關(guān)，交會(huì)相對(duì)速度越高持續(xù)時(shí)間越短。比如列長(zhǎng)約200 m的動(dòng)車組以速度420 km/h交會(huì)時(shí)，每次振動(dòng)時(shí)間一般小于0.5 s，2次振動(dòng)的時(shí)間間隔約為0.85 s。

乘員在交會(huì)時(shí)可以感受到2次明顯的橫向振動(dòng)，第1次為被試車體與臨線交會(huì)動(dòng)車組頭車相遇時(shí)；第2次為被試車體離開臨線交會(huì)動(dòng)車組尾車時(shí)，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)一致。

因此，高速交會(huì)時(shí)的車體振動(dòng)屬于瞬態(tài)振動(dòng)，乘員乘坐舒適度屬于瞬態(tài)舒適度，應(yīng)該根據(jù)交會(huì)時(shí)振動(dòng)特點(diǎn)和機(jī)理來(lái)試驗(yàn)、計(jì)算和評(píng)價(jià)該瞬態(tài)舒適度。

2 EN 12299關(guān)于離散事件瞬態(tài)舒適度的評(píng)價(jià)指標(biāo)

標(biāo)準(zhǔn)EN 12299中規(guī)定的穩(wěn)態(tài)舒適度指標(biāo)N和離散事件（通過道岔、局部軌道不平順、陣風(fēng)作用）舒適度指標(biāo)PDE，其中N已經(jīng)在我國(guó)試驗(yàn)中被廣泛采用，但PDE未見采用。PDE是針對(duì)個(gè)別事件的評(píng)價(jià)，是評(píng)價(jià)瞬態(tài)舒適度的一個(gè)指標(biāo)，不評(píng)價(jià)累計(jì)效應(yīng)。

PDE的計(jì)算公式為式（1）：

式中：a、b、c是常數(shù)，具體取值見表1。各變量的定義如下：

表1 P DE計(jì)算公式中的常系數(shù)

式中：T=2 s。

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)。選擇站姿還是坐姿系數(shù)，根據(jù)試驗(yàn)方法確定，兩者可以選擇其一。

根據(jù)動(dòng)車組高速交會(huì)時(shí)車體振動(dòng)的特點(diǎn)，高速交會(huì)時(shí)瞬態(tài)乘坐舒適度指標(biāo)可以借鑒EN 12299的PDE指標(biāo)計(jì)算公式和試驗(yàn)方法，但完全采用是不合適的，需要根據(jù)振動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行修改。

修改應(yīng)包含2個(gè)方面內(nèi)容：（1）計(jì)算公式中保留車體橫向振動(dòng)加速度峰值但去掉平均值，即保 留 式（1）中y?pp(t)但 去 掉|y?2s(t)|；（2）數(shù) 據(jù) 處 理時(shí)的時(shí)間T需要適當(dāng)縮短為0.5 s，即式（1）中的T=0.5 s。

適用于動(dòng)車組高速交會(huì)的瞬時(shí)舒適度評(píng)價(jià)方法為式（4）：

式中：a、c是常數(shù)，具體取值見表1；車體橫向加速信號(hào)采樣頻率大于100 Hz，m?s-2；采樣時(shí)間需要包含交會(huì)過程，大于1 s；濾波頻率為0.5~10 Hz。

數(shù)據(jù)處理時(shí)采用滑動(dòng)計(jì)算，時(shí)間窗為0.5 s，步長(zhǎng)0.1 s。

3 應(yīng)用與評(píng)價(jià)

根據(jù)實(shí)測(cè)高速列車車體橫向加速度數(shù)據(jù)（試驗(yàn)中采樣頻率1 000 Hz，采樣時(shí)間300 s），按式（4）及上述數(shù)據(jù)處理方法計(jì)算舒適度PDE，考察指標(biāo)PDE是否能正確反映交會(huì)時(shí)的乘員感覺。

中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組交會(huì)試驗(yàn)中PDE計(jì)算結(jié)果散點(diǎn)隨線路里程的分布如圖4所示。試驗(yàn)線路為鄭徐客專，交會(huì)地點(diǎn)為明線，交會(huì)的2列動(dòng)車組均為標(biāo)動(dòng)，交會(huì)速度級(jí)為420 km/h對(duì)420 km/h，共進(jìn)行了3次交會(huì)。同一試驗(yàn)的舒適度N計(jì)算結(jié)果如圖5所示，同一試驗(yàn)的平穩(wěn)性W計(jì)算結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯觯?/p>

圖4 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組高速交會(huì)試驗(yàn)車體振動(dòng)P DE散點(diǎn)

圖5 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組高速交會(huì)試驗(yàn)車體舒適度N散點(diǎn)

圖6 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組高速交會(huì)試驗(yàn)車體平穩(wěn)性W散點(diǎn)

（1）交會(huì)時(shí)指標(biāo)PDE明顯增大。說明PDE對(duì)交會(huì)比較敏感，能提取交會(huì)瞬間車體振動(dòng)并表征出來(lái)。

（2）舒適度N計(jì)算結(jié)果和平穩(wěn)性W計(jì)算結(jié)果在交會(huì)時(shí)均無(wú)明顯變化，說明這2個(gè)常用舒適度指標(biāo)不能凸顯交會(huì)時(shí)車體振動(dòng)特點(diǎn)。

PDE比N和W更能表征高速交會(huì)，更符合乘員感覺。

在應(yīng)用舒適度指標(biāo)PDE時(shí)需要有相應(yīng)的舒適度評(píng)價(jià)等級(jí)。PDE在EN 12299中未給出明確的評(píng)價(jià)等級(jí)的分類方法，因此無(wú)法進(jìn)行參考?？偨Y(jié)多次高速交會(huì)時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建議將指標(biāo)PDE分為2個(gè)等級(jí)：舒適和不舒適，對(duì)應(yīng)的限值如下：

4 結(jié)論

交會(huì)時(shí)車體振動(dòng)主要表現(xiàn)為瞬態(tài)橫向振動(dòng)，常用的穩(wěn)態(tài)乘坐舒適度指標(biāo)不足以對(duì)其進(jìn)行合理的評(píng)判。文中根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，完善了瞬態(tài)乘坐舒適度指標(biāo)PDE試驗(yàn)、計(jì)算和評(píng)價(jià)方法，可以更合理地反映動(dòng)車組高速交會(huì)時(shí)的乘員感覺，實(shí)現(xiàn)對(duì)交會(huì)時(shí)高速列車的瞬態(tài)振動(dòng)進(jìn)行評(píng)價(jià)。