旅客列车振动舒适性简单测量方法的研究

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在 !"#$%& 标准中有两种舒适度的评估方法： %）根据在车地板上的测得加速度进行统计分析 的简化法。 （座椅面、 靠背） 上测得的 ’）根据在车地板和座椅 加速度进行统计分析的完整方法。该测量系统采用的 是简化法， 其整体结构框图如图 % 所示。 （ ))* + , + % 测试仪） 实现 % ( ’ 测量系统的硬件 %）))* + , + % 的设计 该测试仪内集成有 -、 .、 / 三个方向的加速度传感器， 并且包括工作电源和其他 调理电路。 ’）滤波器的设计 该系统采用的是模拟 + 数字 混合法， 设计的测试仪质量好坏是关键。从图 % 可以 看出采集到的信号是经过按照人体工程学设计的滤波 电路后到达 0 1 * 转换卡的， 基中滤波电路的设计是主 要解决的问题。由于采用的是模拟滤波， 加上车辆振 动量级低， 振动频率主要在 %234 以下， 所以采用频率 低的带通滤波器， 但是滤波效果不易得知， 故采用 5678 其结果达到了标准 9:;<< 来模拟设计电路的滤波情况， 的要求， 图 ’ 给出 ! 、 "、 # 方向的计权滤波曲线。 &）元件的选取 利用 =>?:; 编程来计算并校验各 元件的型号， 使之达到规定的偏差范围内， 然后再利用 最终达到总体要求。 5679:%<< 来模拟滤波情况， 速度快， 故 @）通讯方式 由于采集的数据量大、 采用打印接口进行通讯， 把未经滤波的原始数据和经 过滤波的数据储存到磁盘文件中， 用于以后的处理和 分析， 控制信号也通过打印接口对测试仪进行功能控 制。 % ( & A5) 全球卫星定位系统 利用 A5) 定位系统的功能来测量列车行驶的速 度、 里程和位置 （经纬度） ， 辅助舒适度测量数据的分 析。 % ( @ 测量系统的软件实现 %）平均振动舒适性的介绍 B）旅客平均舒适性 每个人对振动舒适性的感受是不同的， 因此不可 能找到一种对每个人都适用的评价尺寸， !"#$%& 标准 应用的振动舒适性的评估标准是根据 $ 分钟期间内在 车厢内所测得的加速度和一个有代表性的旅客小组所 给出的振动舒适度平均值 （公式中的系数） 之间的关系 给出的， 结合两者的关系得出舒适度指数的计算公式。 本测量系统采用的是模拟 + 数字简化法， 所用的 舒适度计算公式：
" 测量系统的结构和设计原理
" 6 " 测量系统结构 测量系统可以划分为硬件和软件两大部分。硬 件部分主要完成对加速度及其它信号的采集、 转化等 功能， 包括 00/ = # = " 测试仪、 便携式计算机等。 >?0、 其中 00/ = # = " 测试仪中包括振动加速度传感器、 滤 波电路、 电源控制电路和打印接口电 ( @ / 转换电路、 路等。软件部分主要对采集的信号进行分析、 处理和 评估， 包括数据取样、 加速度有效值和舒适度指数的 统计计算， 这部分主要由微机通过程序来实现。
图*
安亭 $ 昆山不良的制动过程
机车的情况， 为改善列车运营条件提供依据。 （下转第 6& 页）
图 % 和图 ( 是普快列车在安亭至昆山某路段的测 试结果， 由于是同一型号的列车， 故重复性很好， 只是 万方数据
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振
动
与
冲
击
’))’ 年第 ’" 卷
的冲击信号基本上都发生在故障缸的压缩行程、 进气 行程、 排气行程中。产生差异的原因不仅与该型号的 发动机的活塞销偏置有关， 而且还与各种惯性力的影 响有关。另外， 由于活塞销与衬套间的润滑缓冲、 振 动传递路线以及发动机转速的循环波动， 撞击力的大 小及出现时刻带有一定的随机性， 有的循环某个冲击 较大， 有的循环冲击较小。所以时域分析上仅能作为 分析参考， 主要应以频域分析为主。 为了对活塞销 ! 衬套间隙的改变而引起振动响 应的变化有一个定量的认识， 我们按特征频率进行滤 波， 且然后计算特征频带的总能量， 其值由下式得出：
图&
昆山 $ 安亭的舒适度分布曲线 （特快列车）
但是由于影响加速度传感器测量的因素很多， 其 中列车本身行驶时的加速度不容忽视， 这与振动无关， 为了能够在轨道、 机车方面对铁路提出优良的建议， 所 以仅用舒适度图不足以判定轨道状况的好坏， 目前课 题组 正 在 研 究 舒 速 比 ! " ! （ 舒 适 度 与 速 度 比）以 及 （ 速度变化）的关系， 从而有可能从舒适度、 ! " ! 与 #$ 速度和速度差的参数中分辨出轨道及机车在行驶过程 中的状况， 另外由于文件中存有原始数据， 考虑到模拟 滤波有可能带来的一此误差， 也可以对原始数据进行 数字滤波等信号后处理和小波分析， 从中发现轨道及
在最后一点上有些差异， 这与制动有关。图 & 是特快 列车在同一路段的测试结果， 由于列车的时间安排， 在 测量区域内无启动和停车过程， 速度不是从零开始， 而 且列车在行驶的过程中速度比较平稳， 所以舒适度指 数的变化不大。 图 * 和图 + 分别是图 % 和图 ( 制动过程情况， 虚 线是制动过程中舒适度的瞬态变化情况， 其变化幅度 剧烈， 经过 ,-./.0 的平滑处理后， 得到其实线的变化情 况。
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图’
!、 "、 # 方向的计权滤波曲线
D）舒适度的评价方法 由于采用的是简化法， 将整个试验线路按 $ 分钟 的路程进行分段， 在每 $ 分钟的试验区段内对加速度 测量值进行采样， 经过程序进行加速度有效值和舒适 度值 （按公式 （%） ） 的计算， 再按照每 $ 秒钟一时间段经 程序得出置信概率 <$E 下的舒适度统计量， 这样可以 得到 C2 个舒适度值， 再经过有效值计算得出这 $ 分钟 试验区段的舒适度指数。 ?）评价的尺度 !"#$%& 标准中建议的舒适度指数尺度如下： $ 1 % % 1 $ 1 ’ ’ 1 $ 1 @ 非常好的舒适度 好的舒适度 中等舒适度
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（ $） ・" % #$% ! $""
（&）
式中： # 为 能 量 谱 图 上 分 析 频 带 内 谱 线 的 数 目； （ $） 为对应于第 $ 条谱线的能量谱密度函数值； #$% " % 为频率分辨率。
图" 注： !"# ， !$# ， !%# 站姿地板 " 、 $、 % 方向的加速度
测量系统结构框图
收稿日期： 修改稿收到日期： !77" = 79 = "" !77" = 7A = 7< 万方数据 第一作者 陈海波 男， 硕士研究生， ":<< 年 " 月生
第%期
陈海波等： 旅客列车振动舒适性简单测量方法的研究
旅客列车振动舒适性简单测量方法的研究 "
陈海波
摘 要
倪纯珍
陈立功
陆仁诚
张乃超
!777!"）
（上海交通大学， 上海 !77787）
（上海铁路局技术监督所， 上海
根据国际铁路联盟 《铁路车辆内旅客振动舒适性评价准则》 （ %,29"8） ， 设计并开发出评价列车振动舒适性
的简单方法测量系统， 本文主要介绍测量仪、 测量系统的基本构成和各部分功能以及舒适度指数评价的方法和原则。 关键词： 旅客列车， 振动舒适性， 测量系统 中图分类号： $8!:
振 第 !" 卷第 " 期
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后， “断火” 后的特征频带的能量不仅没有下降， 而且 有一定的增大。这说明当间隙较小时， 机体侧面的振 动响应受气缸内燃烧压力影响较大； 但当间隙增大到 一定的限度后， 活塞销与衬套的撞击的影响占较大的 比重， 这与维修人员的实际听诊结果相吻合。 相同转速下， 不 . * . 相同活塞销 ! 连杆衬套装配间隙， 同测点的对比试验 由图 , 可知， （五缸） 最近， 振动 . 1 测点离故障缸 信号最强， 而其它测点 & 1 、 故障 "1、 ’ 1 离五缸较远， 缸的冲击信号传到这些测点有不同程度的衰弱， 但在 一定程度上仍能反映了第五缸的活塞销 ! 衬套的磨 损状态， 这种关系只在间隙较大时反映较明显。
图%
安亭 $ 昆山的舒适度分布曲线 （ ’ 普速列车）
图+
安亭 $ 昆山优良的制动过程
%
结果的分析和讨论
从图 %—& 中可以看出， 旅客列车的舒适度与速度
图(
安亭 $ 昆山的舒适度分布曲线 （ ) 普速列车）
的相关性很大， 舒适度跟随速度的变化而变化。而且 从图 * 和图 + 的对比来看， 列车制动的好坏对舒适性 指数变化有很大的影响。旅客在列车制动的时候一般 会感到列车摇晃加剧， 从图 *、 不良 + 体现出了这一点， 的制动会使舒适度变差， 图 ( 的最后一点舒适度值高 于图 % 的最后一点， 正是由于图 * 不良制动所引起的。 根据 123&’% 标准的评价尺度， 在沪宁线上的普快 和特快列车的运行品质在 ’ 4 5 $ % 4 5 之间， 属于好的和 中等偏好的舒适度， 而且由于速度低普快优于特快列 车。
上两式中，$%& 为简化法旅客的舒适度值， — — (— 万方数据 表示加速度值， 下标 ! 、 "、 # 表示加速度方向， + 表示
!
’
舒适度实测试验
上海交大材料科学与工程学院和上海铁路局技术
监督所组成的试验小组， 在上海 + 安亭 + 昆山 + 苏州
65
振
动
与
冲
击
)55) 年第 )’ 卷
路段的不同列车上进行了多次振动舒适度试验， 由于 多次测试得出的结果数据Βιβλιοθήκη Baidu多， 这里篇幅有限仅列举 其中的一部分。按照上述分析计算方法， 并结合 !"# 同步记录的行驶时间、 速度和里程， 在安亭 $ 昆山试验 区段的舒适性指数与速度变化双曲线如图 %—图 & 所 示。
7 引
言
介绍根据 %,29"8 标准中的混合方法开发出的用于评 估在营运条件下列车振动舒适性的简单方法测量仪 （00/ = # = "） 及相关系统， 利用该测量系统已经在运 行的列车上成功地完成了多次测试振动舒适性的现 场试验。
中国铁路正处在进一步地全面提速、 改善服务质 量的历史进程中， 因此对高速列车舒适性的研究提上 了历史日程， 现代旅客列车不仅仅要求高速度和高安 全性， 高舒适性已经成为一个考察列车质量的重要指 标。很多国家为了提高铁路客运的效率和服务质量， 竞相开展高舒适性快速列车及其技术条件的研究工 作， 为了较客观地评价旅客乘车舒适性的指标， 国际 铁路联盟及欧洲标准化委员会于 "::; 年 < 月颁布了 试行标准 %,29"8 《铁路车辆内旅客振动舒适性评价准 则》 。我国对列车振动舒适性的研究工作起步较晚， 近期由铁道部标准计量研究所等数家单位共同制定 了铁道行业标准 “铁路车辆内旅客振动舒适性评价准 则 （送审稿） ” ， 其内容基本与 %,29"8 标准是等同采用。 在 %,29"8 标准中关于舒适性测量有三种不同的方案， 即模拟法、 混合法 （模拟 = 数字） 和数字法， 本文主要
差的舒适度 @ 1 $ 1 $ 非常差的舒适度 $ 1 $ ’）软件的实现 本测试软件是在 *F) 的界面下开发并利用 GHBIJ? 语言编写的， 通过打印接口直接进行数据传输， 需要对 打印接口进行编程。而且数据量大， 故采用直接把数 据存储为 =>?:; 文件的方法， 方便以后的处理和分析。 通过软件系统实现了对加速度有效值、 舒适度指数和 统计量的计算。另外本软件开发的一个主要目的是可 以实时地监测舒适度的变化情况， 在经过对数据的图 像处理后， 可以动态地在界面下显示舒适度指数的变 化情况， 与此同时实时的监测系统情况， 出现异常自动 报警。
’ ’ ’ * ） * ） - ） （%） $%& ’ C・ （ (!+ ,（ ("+ ,（ (#+ <$ <$ <$ ) ) )
车地板面， （ ) * ）表示按计权曲线所采用的频 . . ’ -， 率计权值， — — 垂直 （ # 方向） ， — — 水平 （ !、 -— *— "方 向） ， 下标 <$ 表示置信概率为 <$/ 分别为按车地板面 ! 、 (!* "、 # 方向加权滤波曲 ， "， #+<$ 线滤波在 <$/ 置信概率下得到的加速度值 。