單軌車輛乘坐舒適性與運行平穩性仿真和試驗研究

杜子學楊緒杰左長永

（1.重慶交通大學軌道交通研究院，400074，重慶；2.中國南車洛陽機車有限公司，471002，洛陽∥第一作者，教授）

單軌車輛乘坐舒適性與運行平穩性仿真和試驗研究

杜子學1楊緒杰1左長永2

（1.重慶交通大學軌道交通研究院，400074，重慶；2.中國南車洛陽機車有限公司，471002，洛陽∥第一作者，教授）

采用了虛擬樣機仿真和試驗相結合的方法，對跨坐式單軌車輛乘坐舒適性與運行平穩性進行分析和評價。運用動力學仿真軟件ADAMS建立了跨坐式單軌列車動力學模型進行仿真。以重慶市軌道交通3號線跨坐式單軌列車為例進行試驗研究，試驗數據運用Famos軟件進行處理。仿真和試驗結果均表明重慶跨坐式單軌車輛具有良好的運行平穩性與乘坐舒適性。

單軌車輛；舒適性；平穩性；仿真

First-author'saddressResearch Institute of Rail Transit，Chongqing Jiaotong University，400074，Chongqing，China

1 單軌車輛乘坐舒適性與運行平穩性評價指標

1.1 ISO2631乘坐舒適性評價指標

標準ISO 2631［1］的評價方法是，以加權加速度均方根值aw來評價振動對人體舒適程度的影響，對仿真或試驗得到的加速度時域歷程a（t）進行頻譜分析得到功率譜密度函數Ga（f），然后按照公式（1）進行計算：

式（1）中，ω（f）為頻率加權函數，可用公式（2）表示。

考慮到多點多軸向輸入時，先計算出各個軸向的加權加速度均方根值avj，然后按照公式（3）計算總的加權加速度均方根值

根據表1比較aw與人體感受之間的關系。

表1 不同的aw與人體感覺之間的關系

1.2 GB5599運行平穩性評價指標

客車運行平穩性按照平穩性指數W評價（GB 5599—1985［2］）。W的計算公式如下：

式中：

W——平穩性指數；

A——振動加速度，m/s2；

f——振動頻率，Hz；

F（f）——頻率修正系數（如表2所示）。

表2 頻率修正系數

在同一振動方向同時存在兩種以上的頻率成分時，需要對加速度時間歷程進行頻譜分析，得到每種頻率所對應的加速度值，按式（4）計算出每種頻率下的平穩性指數Wi，最后計算出該振動方向上合成的平穩性指數W。合成的平穩性指數按下式計算：

根據GB 5599—1985標準，表3只給出了客車的平穩性等級評價標準。

表3 客車運行平穩性等級評價標準

2 單軌車輛舒適性與平穩性仿真分析

2.1 單軌車輛動力學模型的建立

本文采用ADAMS軟件，以重慶市軌道交通3號線6輛編組的跨坐式單軌列車為例建立了“車輛-輪胎-軌道梁”耦合動力學仿真模型。軌道梁有3個行駛路面，走行輪始終與軌道梁頂面接觸，承受車輛垂直載荷并傳遞牽引力和制動力；導向輪緊貼著軌道梁側面上部行駛，使車輛沿著軌道行駛；兩個穩定輪對稱固定在轉向架構架中間兩側，緊靠軌道梁側面下部行駛，起著穩定車輛運行狀態的作用。通過車輛結構的分析并按照車輛結構參數和力學參數，在ADAMS中建模如圖1所示的列車模型［3］。

圖1 跨坐式單軌列車模型

2.2 乘坐舒適性仿真分析

因為車輛在彎道工況運行時，車體在彎道處的縱向和橫向加速度要比直道處大很多，用來評價車輛的運行平穩性和乘坐舒適性就不夠準確。為了試驗作對比，主要仿真分析并評價單軌列車在直道工況上分別以45 km/h、60 km/h和75 km/h運行時，列車的運行平穩性和乘坐舒適性［4］。

在后處理生成列車不同速度運行時第3節車體質心處的加速度時域歷程曲線和加速度頻域歷程曲線（去掉前幾秒由于瞬時加速而產生的峰值），如圖2所示。

在ADAMS后處理中利用函數編輯器來計算車體質心處的加權加速度均方根值aw。具體操作步驟如下：

（1）輸出隨機路面產生的車體質心縱向、橫向以及垂向加速度時域響應曲線。

（2）利用FFT（傅里葉變換）函數將加速度時域響應曲線轉換成功率譜密度曲線。

（3）在excel中將式（2）中的頻率加權函數離散化成兩列數據，以txt格式保存后導入后處理中，生成加權函數曲線。

（4）按照式（1）將功率譜密度曲線與加權函數曲線的平方相乘，得一條新的曲線，對新生成的曲線進行積分，取曲線上最后一點的縱坐標值，然后開方，即得到各軸向加權加速度均方根值aw，最后按照式（3）計算出總的加權加速度均方根值。

按上述步驟計算出不同速度工況下車體質心的加權加速度均方根值aw，并按照ISO 2631標準評價單軌車輛的乘坐舒適性能［5］。評價結果如表4所示。

表4 舒適性評價結果

2.3 運行平穩性仿真分析

在ADAMS后處理邊利用函數編輯器計算車輛的平穩性指數：

（1）先生成隨機路面分析輸出的車體質心橫向、垂向振動加速度時域響應曲線。

（2）利用后處理中的FFT對各個振動方向的振動加速度時域歷程曲線進行頻譜分析，得到振動加速度頻域歷程曲線。根據表2中頻率修正系數，將將振動加速度頻域歷程曲線分成三段。

圖2 加速度時域和頻域歷程曲線

（3）將表2中的不同頻率段所對應的頻率修正系數在excel中離散化成3組數據，分別以txt格式保存后導入后處理中，生成3條頻率修正系數的分段曲線，并按照各自所對應的頻率復制到三段振動加速度頻域歷程曲線中去。

（4）按照式（4）分別將3個頻率段內對應的振動加速度頻域歷程曲線和頻率修正系數曲線進行求積、積分等曲線運算，求出各頻率段內的平穩性數值，最后由式（5）計算出總的平穩性數值。

按上述步驟計算出不同速度工況下車輛垂向和橫向振動的平穩性指數，并按照GB 5599標準評價單軌車輛的運行平穩性［6］。評價結果如表5所示。

從表5中可以看出：無論是單軌車輛的橫向平穩性數值還是垂向平穩性數值，都隨著車速的增加

而增大；垂向的平穩性數值要比橫向稍大一些，說明單軌車輛橫向平穩性要比垂向平穩性好，體現了導向輪與穩定輪對緩解車輛橫向振動的優越性。

表5 平穩性評價結果

3 單軌車輛試驗研究

3.1 試驗概況

（1）試驗內容：重慶市軌道交通3號線跨坐式單軌列車運行平穩性和乘坐舒適性［7-8］。

（2）試驗路段：童家院子站至金渝站。

（3）試驗車輛：試驗的車輛為重慶市軌道交通3號線6輛編組的跨坐式單軌列車，列車車廂內裝載80 t的沙袋，用來模擬車輛滿載運行時的工況。

（4）測試點：沿列車行駛方向上第3節中車的中間地板上和一側座椅上分別安裝一個三向加速度傳感器。

（5）試驗工況：分別測試列車在45 km/h、60 km/h和75 km/h 3個工況下直線運行時的運行平穩性和乘坐舒適性。

（6）試驗設備：①德國IMC devices數據采集系統；②三向加速度傳感器（2個）及接線盒若干；③筆記本電腦1臺，蓄電池2個，逆向器1個，導線若干，丙酮以及膠水。

3.2 試驗過程

本試驗主要是在第3節中車內進行，在車體中間地板上固定一個三向傳感器s958，在一側座椅上固定另外一個三向傳感器s957。

（1）將選擇的地板中間和座椅中間兩個位置作為測試點，然后用丙酮擦拭干凈。

（2）用膠水將傳感器粘貼在測試點上，按著傳感器不動，直到固定牢固為止。

（3）用接線盒將三向傳感器和IMC devices數據采集系統連接。將2個三向傳感器的6個接頭s957_x、s957_y、s957_z、s958_x、s958_y、s958_z分別接入IMC devices數據采集儀器上的6個通道。

（4）將IMC devices數據采集系統與電腦連接。連接好儀器，開始設置各通道變量包括采樣時間、采樣頻率、Y因子等。

（5）調試IMC devices數據采集軟件。

（6）數據存儲設置：數據實現邊采邊存，存儲在筆記本電腦上。

（7）調試完成后進行數據預采集，預采集之后，分別采集上述3種速度工況下，2個三向加速度傳感器各軸向的加速度試驗數據。

3.3 ISO2631有關數據處理及標準評價

由于試驗測得的加速度為mg-s曲線，首先在Famos里邊轉換為加速度s曲線，如圖3所示。

圖3 加速度曲線縱坐標轉換

將轉換以后各變量的加速度s曲線，導入Famos的一個小程序“平順性［9］隨機輸入計算”中，如圖4所示。

圖4 平順性隨機輸入計算

由上述小程序計算三種工況下，2個三向傳感器各軸向的加速度均方根值aw，如表6所示。

三向傳感器各軸向按ISO 2631標準進行評價，結果如表7所示。

由式（3）計算各工況下總的加權加速度均方根aw，然后按ISO 2631標準進行評價，結果如表8所示。

表6 加速度均方根值awm/s2

表7 ISO2631標準評價結果

表8 ISO2631標準評價結果

3.4 GB5599有關數據處理及標準評價

按照GB5599評價標準中的計算方法，通常把實測的車輛振動加速度按頻率分解，進行頻譜分析。這里要使用Famos軟件中的FFT函數將振動加速度由時域轉換到頻域，轉換后的加速度頻譜圖如圖5所示。

圖5 頻譜轉換

因為平穩性指數計算公式中的頻率加權系數F（f）是分段函數，所以需要用Famos軟件中cut函數將頻譜圖按頻率進行分段操作。接下來就是在Famos軟件里進行編程計算。

按以上方法計算出不同工況下，三向加速度傳感器中橫向和垂向平穩性指數，如表9所示。

表9 平穩性指數

按照GB5599評價標準可得如下評價結果，如表10所示。

表10 GB5599標準評價結果

4 結語

（1）本文利用ADAMS對跨坐式單軌車輛乘坐舒適性與運行平穩性進行仿真模擬得到的結果是直道工況下3種速度運行時人體感覺沒有不舒適、車輛運行平穩性優；而利用Famos對試驗研究結果的分析表明在速度為75km/h時人體感覺稍有不適，垂向平穩性變為良。仿真和試驗研究所獲得的評價結果大體一致。

（2）在數據值對比上，仿真數據比相應的試驗數據小些。這是由試驗所受到影響因素多，試驗路段并非理想的直線路段，用軟件仿真軌道路面不平度也存在差異，試驗測試點的布置等原因造成的。

（3）采用仿真和試驗研究相結合的方法，得出重慶3號線跨坐單軌列車有著良好的運行平穩性和乘坐舒適性的結論更具有說服力。

［1］ ISO2631振動和沖擊對人的影響評價準則［S］.

［2］ GB5599—1985鐵道車輛動力學性能評價和實驗鑒定規范［S］.

［3］ 王福天.車輛系統動力學［M］.北京：中國鐵道出版社，1994.

［4］ 杜子學，王行聰.跨座式單軌車輛平穩性仿真研究［J］.鐵道機車車輛，2009，29（5）：56.

［5］ HideyukiTakai.Asummaryofrailwayvehicleridecomfort evalutionmethod［J］.ForeignRollingStock，1996（6）：6.［6］ 劉轉華.鐵道車輛運行平穩性評價方法研究［D］.成都：西南交通大學，2007.

［7］ 馬繼兵，蒲黔輝，夏招廣.跨座式單軌交通系統車輛的乘坐舒適性性能測試與評定［J］.都市快軌交通，2006，19（6）：46.

［8］ 湯愛華，歐健，鄧國紅，等.汽車平順性實驗數據處理［J］.重慶理工大學學報，2008，22（3）：92.

Analog Simulation and Experiment of Passenger Comfort and Stability on Monorail Vehicles

Du Zixue，Yang Xujie，Zuo Changyong

The method that combines the virtual prototype simulation and test is adopted to analyze and evaluate the ride comfort and the running stability of straddle-type monorail vehicles.Dynamics simulation software—ADAMS is used to establish a simulation model of straddle-type monorail vehicle.Chongqing rail transit Line3---a straddle-type monorail is experimented as an example and Famos software is used to process the experimental data.The results of simulation and experiment all indicate that Chongqing monorail vehicles have a good performance of running stability and riding comfort.

monorail vehicle；ride comfort；stability；simulation

U 270.1+1：U 232

2013-06-26）