空調激勵對某地鐵車輛乘坐舒適度影響試驗研究

鐘元木，劉龍璽，孫維光，孫現亮，張立民

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266100； 2.西南交通大學 牽引動力重點實驗室，四川 成都 610031)

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空調激勵對某地鐵車輛乘坐舒適度影響試驗研究

鐘元木1，劉龍璽1，孫維光1，孫現亮1，張立民2

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266100； 2.西南交通大學 牽引動力重點實驗室，四川 成都 610031)

通過對車載空調激勵對車體振動貢獻的分析，研究了某地鐵車輛車載空調和空壓機激勵狀態對乘坐舒適度的影響.結果表明：①空壓機運行狀態對車輛兩端的舒適度指標幾乎無影響，車輛中部的舒適度指標受空壓機運行影響較大，空調狀態對舒適度影響很小；②車輛的舒適度指標隨速度的提高而線性增加.同樣速度級別下，1位端的舒適度指標最大，中部的舒適度指標最小；③設備對舒適度的貢獻率γ2隨車速提高而下降，線路對舒適度的貢獻率γ1隨車速提高而上升，當γ1=γ2時的車速為臨界速度VCR.對于車輛1位端來說VCR=25 km/h, 對于車輛2位端來說VCR=35 km/h,車輛中部在試驗速度范圍內無臨界速度.

地鐵車輛；乘坐舒適度；空調振動；振動測試

文獻識別碼：A

0 引言

車輛在行駛過程中產生的振動一方面來自于輪軌的激勵，另一方面來自于設備的激勵.在給定行駛速度的前提下，研究哪一種激勵對乘坐舒適度的貢獻大，對于確定隔振目標和制定抗振措施具有重要的現實意義.關于乘坐舒適度方面的研究由來已久，文獻[1]對振動舒適度、曲線通過時的舒適度以及加減速時的舒適度等方面進行了綜述，介紹了Helberg-Sperling及Jeneway等的關于舒適度的試驗研究，以及ISO關于舒適度標準的形成過程.文獻[2]通過假設軌道系統垂向支承剛度沿縱向分布發生突變模擬了軌下支承失效狀態對車輛乘坐舒適度的影響，給出了軌下支承失效將會使車輛振動加速度急劇增大，導致舒適度變差的結論.文獻[3]研究了軌道曲線對乘坐舒適度的影響，確定了曲線半徑及超高等因素對舒適度的貢獻.文獻[4]研究了車下設備振動烈度試驗方法以及對乘坐舒適度的影響.文獻[5- 6]研究了提高乘坐舒適度的一些措施，包括利用降低空氣彈簧橫向剛度、增大橫向橡膠止擋剛度等方式提高車輛橫向乘坐舒適度方面的研究結果.這些研究主要集中在如何提高舒適度指標的精確度以及在不同條件下的舒適度評價方法等方面，很少有人提及設備等激勵源對乘坐舒適度的貢獻率問題，本文通過試驗方法研究了某地鐵車輛附屬設備激勵和輪軌激勵的對舒適度指標的貢獻率，得到了關于舒適度的臨界速度和不同激勵方式對舒適度貢獻率隨車輛速度的變化規律，為確定車輛系統的振動設計目標和措施提供了試驗依據.

1 舒適度計算方法和評定

(1)

垂直方向Z加權曲線的權重曲線函數HB(s)：

(2)

三個方向加權函數各項系數值見表1.

表1 加權函數各項系數值

振動加速度信號通過式(1)和式(2)加權濾波后得到加權均方根值，按UIC513建議的列車站立位置舒適度簡化測量公式如下.

(3)

其中,a為加速度有效值.

列車舒適度等級劃分見表2.

表2 列車舒適度劃分等級

2 試驗設計

某帶有置頂空調的地鐵車輛如圖1所示.車頂兩端的空調與車體之間通過隔振器連接.空調工作模式有，全冷、半冷、通風、半熱、全熱.空調不同工作模式對車輛乘坐舒適度的影響不同.

圖1 被試車輛及現場照片

分析思路如下：

(1)車輛靜止時，單獨啟動運行設備(空調)，測試空調不同模式和空壓機共同作用時車輛乘坐舒適度N2；

(2)車輛不同運行速度時，測試空調不同模式時車輛乘坐舒適度N0；

(3)假設軌道激勵和設備激勵互不相關，分析軌道獨立激勵引起的舒適度N1；

(4)分析設備不同激勵模式和線路激勵引起的舒適度對總乘坐舒適度的貢獻率;

線路獨立激勵引起的舒適度貢獻率：

設備獨立運行時引起的舒適度貢獻率：

(5)給出當N1=N2時的臨界速度.

為達到上述目的，設計了如下試驗過程：

(a)靜態試驗

單獨啟動運行設備(車輛靜止)，測試舒適度指標N2.試驗方案如表3：

表3 設備單獨啟動(車輛靜止)測試工況

(b)線路運行試驗

為獲取線路條件下的舒適度指標N0，設計了不同工況下的線路試驗，試驗工況見表4.

表4 線路運行測試工況

表4 線路運行測試工況(續表)

注：全部工況下空壓機處于啟動運行狀態.

3 某地鐵空調狀態對舒適度的貢獻實例

按照設計的試驗工況表進行了線路試驗，不同工況下地板振動加速度如圖2所示.

圖2 車輛2位端振動加速度測試曲線

按照第2節的分析方法對某地鐵車輛進行了試驗，通過對試驗數據的處理得到表5.

表5 設備激勵狀態對舒適度貢獻表

表5 設備激勵狀態對舒適度貢獻表(續表)

分別對車輛的1位端、中部和2位端的舒適度指標隨激勵工況和運行速度的變化規律進行分析如下：

(1)空調運行狀態和線路對車體1位端乘坐舒適度的貢獻率分析

如圖3是設備激勵狀態及運行速度對車輛1位端舒適度的影響，可以看出:①設備激勵對舒適度的貢獻隨運行速度提高而下降，線路激勵對舒適度的貢獻隨運行速度提高而增加；②當V=25 km/h左右時，設備和線路對1位端舒適度的貢獻率相等，當V<25 km/h時線路對舒適度的貢獻小于設備，當V>25 km/h時線路對舒適度的貢獻大于設備.

圖3 設備激勵狀態及運行速度對車輛1位端舒適度影響

(2)空調運行狀態和線路對車輛中部乘坐舒適度的貢獻率分析

如圖4是設備激勵狀態及運行速度對車輛中部舒適度的影響，可以看出：①設備對車體中部舒適度的貢獻隨車速提高而下降，線路對車體中部舒適度的貢獻隨車速提高而上升；②在試驗速度范圍內(10～60 km/h)，設備激勵對車體中部舒適度的貢獻大于線路激勵.

圖4 設備激勵狀態及運行速度對車輛中部舒適度影響

(3)空調運行狀態和線路對2位端乘坐舒適度的貢獻率分析

如圖5是設備激勵狀態及運行速度對車輛2位端舒適度的影響，可以看出：①設備對2位端舒適度的貢獻隨車速提高而下降，線路對2位端舒適度的貢獻隨車速提高而上升；②當V=35 km/h左右時，設備和線路對1位端舒適度的貢獻率相等，當V<35 km/h時線路對舒適度的貢獻小于設備，當V>35 km/h時線路對舒適度的貢獻大于設備.

圖5 設備激勵狀態及運行速度對車輛2位端舒適度影響

4 結論

提出了評判車載設備對車輛舒適度貢獻方法，利用車輛線路試驗進行了檢驗，對被驗車輛的檢驗結果如下：

(1)空調振動對舒適度的貢獻隨車速提高而下降，線路對舒適度的貢獻隨車速提高而上升；

(2)對于車體1位端來說，當V=25 km/h左右時，空調激勵和線路激勵對舒適度的貢獻率相等，當V<25 km/h時車輛舒適度主要受空調影響，當V>25 km/h時車輛舒適度主要受線路影響；

(3)對于車體2位端來說，當V=35 km/h左右時，空調激勵和線路對1位端舒適度的貢獻率相等，當V<35 km/h時車輛舒適度主要受空調影響，當V>35 km/h時車輛舒適度主要受線路影響; (4)對于車體中部來說，在試驗速度范圍內(10～60 km/h)，設備激勵對車體中部舒適度的貢獻大于線路激勵.

[1]高井秀之.鐵道車輛乘坐舒適度評定方法綜述[J].國外鐵道車輛,1996(6):6- 12.

[2]肖新標，溫澤峰，金學松.軌下支承失效對車輛系統動態響應及乘坐舒適度的影響[J].鐵道學報,2007，29(6)：26- 29.

[3]鈴木，浩明.車輛通過緩和曲線時乘坐舒適度評價法[J].國外鐵道車輛，2001，38(3)：36- 40.

[4]班希翼，孫梅云.減振器懸掛剛度對柴油機振動烈度的影響[J].噪聲與振動控制，2013，33(5)：166- 169.

[5]KEN IWANAMI.提高乘坐舒適度的措施[J].國外鐵道車輛，2008，45(3)：33- 35.

[6]鈴木和馬，劉陽春.關于提高車輛橫向乘坐舒適度的研究[J].國外鐵道車，2010(6)：25- 28.

[7]張丙強.車輛—路面系統耦合振動分析及乘坐舒適度評價[D].長沙：中南大學，2013.

Experimental Study of Equipment Vibration Effect on Subway Ride Comfort

ZHONG Yuanmu1，LIU Longxi1，SUN Weiguang1，SUN Xianliang1，ZHANG Limin2

(1.CRRC Sifang Co.,Ltd,Qingdao 266100,China； 2.Traction Power Lab.，Southerst Jiaotong University，Chengdu 610031,China)

The method of evaluation of influence ratio of equipment vibration on vehicle ride comfort is studied.Through the test method,the excitation state of subway vehicle ride comfort equipment influence on vehicle is researched.The results show that ①the air compressor (suspended) has almost no influence on both ends of the running state of body comfort index,comfort index of the central body of the air compressor operation effect (about 3 times); ②the comfort index increases linearly with vehicle speed.At the same speed level,comfort index of 1 end is the largest max,and comfort index of central air conditioning state is minimum; ③With the increase of vehicle speed,comfort contribution rate of equipment γ2decreases,and the comfort contribution rate of line γ1increases.When γ1=γ2,the critical speed VCRis reached.If VCR=25 km/h for terminal 1,and VCR=35 km/h for terminal 2,there is no critical speed of central body in the test speed range

metro；ride comfortable；air-conditioner vibration；vibration test

1673- 9590(2016)03- 0006- 05

2015- 08- 17

鐘元木(1972-)，男，高級工程師，學士，主要從事車輛結構設計及減振的研究E-mail:zhongyuanmu@cqsf.com.