铁道车辆平稳性分析

铁道车辆平稳性分析

1.车辆平稳性评价指标

1.1 sperling 平稳性指标

欧洲铁路联盟以及前社会主义国家铁路合作组织均采用平稳性指数来评定车辆的运行品质。等人在大量单一频率振动的实验基础上提出影响车辆平稳性的两个重要因素。其中一个重要因素是位移对时间的三次导数,亦即z ⃛=ȧ（加速度变化率）。若上式两边均乘以车体质量M c ,并将之积改写为F ，则M c z ⃛=F 。由此可见,z ⃛在一定意义上代表力F 的变化率的增减变化引起冲动的感觉。

如果车体的简谐振动为z =z 0sinωt ,则z ⃛=−z 0ω3sinωt ，其幅值为： |z |⃛max =z 0(2πf)3

（1） 影响平稳性指数的另一个因素是振动时的动能大小,车体振动时的最大动能为：

12M c z 2=12M c (z 0ω)2=1

2

M c (z 02πf )2=E d （2）

所以：

(z 02πf )2=

2E d

M c

（3）

sperling 在确定平稳性指数时,把反映冲动的z 0(2πf)3和反映振动动能(z 02πf )2的乘积

(2π)5z 03f 5作为衡量标准来评定车辆运行平稳性。

车辆运行平稳性指数的经验公式为：

W =2.7√z 0

3f 5F (f )

10

=0.896√a 3

F (f )10

（4）

式中 z 0——振幅（cm ）；

f ——振动频率（Hz ）；

a ——加速度(cm/s 2),其值为：a =z 0(2πf )2； F (f )——与振动频率有关的加权系数。

F (f )对于垂向振动和横向振动是不同的，具体情况见表1。

表1 振动频率与加权系数关系

以上的平稳性指数只适用一种频率一个振幅的单一振动,但实际上车辆在线路上运行时的振动是随机的,即振动频率和振幅都是随时间变化的。因此在整理车辆平稳性指数时,通常把实测的车辆振动加速度按频率分解,进行频谱分析,求出每段频率范围的振幅值,然后对每一频段计算各自的平稳性指数,然后再求出全部频率段总的平稳性指数：

W=(W110+W210+⋯+W n10)0.1（5）

Sperling平稳性指标等级一般分为5级，sperling乘坐舒适度指标一般分为4级。但在两级之间可按要求进一步细化。根据W值来评定平稳性等级表见表2

表2车辆运行平稳性及舒适度指标与等级

我国也主要用平稳性指标来评定车辆运行性能，但对等级做了简化，见表3。

表3车辆运行平稳性指标与等级

对sperling评价方法的分析：

1.该评价方法仅按照某一个方向的平稳性指标等级来判断车辆的性能是不全面的,需要同时考虑垂向与横向振动对人体的生理及心理的相互影响,因为有时根据垂向振动确定的平稳性指标等级与根据横向振动确定的平稳性指标等级存在较大的差异。

2.该评价方法不够灵敏。由于人体对不同振动频率的反应不同,当对应某一频率范围的平稳性指标值很大值大于,在该窄带中的振动已超出了人体能够承受的限度,但在其它频带中值都很小,由于该方向总的平稳性指标是不同振动频率的平稳性指标求和,因而可能该方向总的砰值并不大,从而认为该车辆的平稳性能符合要求是不正确的。

1.2 ISO2631标准

1.2.1 ISO2631标准概述

ISO2631是有关人体承受振动评价的国际标准,它是由ISO/TC108，即国际标准化组织机械振动与冲击标准化技术委员会的SC4一一人体承受的机械振动与冲击技术委员会指定的权威性标准,得到世界的公认。

首次颁布工标准,该标准的目的是量化人体受到从固体表面传到人体过程中主要频率范围在一振动暴露极限值。应用于预测在特定频率范围内随机或非周期振动信号的频谱,自从此标准颁布以来经历了几次的修改。这些极限标准的制定是根据三条普遍公认的认知准则而来的保持舒适性、工作效率和安全或健康,三个标准分别依据三条准则定义为“减少

舒适性界限”“疲劳降低工效界限”和“暴露极限”。其具体是在1~80Hz频率范围内定义了三条区域界限（ISO 2631/1）.

1.疲劳降低效率界限:这个界限确定了人体暴露于振动的时间极限,如果超过该极限,人们的工作就视为进行一项危险的损害工作效率的工作,特别是那些受时间影响较大的工作,如车辆驾驶员等。

2.暴露时间极限:这个极限值与人体的健康和安全保护有关,在没有特别理由和事先警告,我们一般是不建议在暴露极限范围外进行工作,甚至没有任何工作任务允许在暴露极限范围外完成。

3.减少舒适界限:此界限涉及到人体的舒适性保护,它是有关人在乘坐交通运输工具时,人们进行诸如吃饭、阅读和写作行为的难易程度问题。

1.2.2 ISO2631的几种评价方法

1.2.2.1 ISO2631的总的加权值评价法

总的加权值评价法是在某一方向上所有加速度均方根值分量的方值和根值作为评价指标。

20

（6）

σP W=√∑(σp wi)2

i=1

但是,这种评价方法是建立在把人体作为一个整体接受带宽随机振动的基础上的,这样就会导致在某窄带中加速度均方根值远远超过了允许值,但在其他频带中加速度均方根值较小,由于补偿作用,使总的加权值不大。并且没有考虑不同振动方向对人体的共同影响以及可能出现某些车辆在不同车速段及不同的运行线路人体所承受的振动时间有较大差异时,导致对车辆平稳性能产生误判。

1.2.2.2 采用三分之一倍频带法进行评价

该方法将人体受振敏感频率0~80Hz用三分之一倍频程法分为20个频段,较倍频带、窄带分析能更准确诊断信号。三分之一倍频带法认为许多三分之一倍频带中对人体产生影响最大的,主要是由人体感觉的振动强度最大的(折算到人体敏感频带范围以后)那一个三分之一倍频带所造成。将算得的值与标准曲线对照从而得到各参数的评价值。方法简洁,便于操纵。

按照这种评价方法,人能够承受的时间均为4h,由此而认为这两种车辆的平稳性能相同,显然是不合理的。因此,三分之一倍频程评价法的缺陷在于没有考虑不同频率加速度均方根值对人体的总体主观感觉的影响及不同方向振动的影响。

1.2.2.3加权加速度单值评价法

IS02631标准指出振动频谱包含多个振动分量或是一个宽频带的振动时，使用加权加速度有效值方法更合适。据此，结合铁道车辆的实际振动情况，从该标准推荐的几种数据处理法中选取频率分析或加权滤波网络的单值评价法。加权加速度有效值Aω定义为：

n

（7）

Aω=√∑(K i a i)2

i=1

式中：a i——一个频率组的振动加速度（m/s2）;

K i——频率加权函数；见表4。

N——频率分组数，与频谱带宽相关。