軌道交通高等減振和特殊減振措施下乘客煩惱率對比分析

周俊召，王 博，熊永亮

(1.同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院，上海 201804)

(2.上海市軌道交通結構耐久與系統安全重點實驗室，上海 201804)

(3.浙江天鐵實業股份有限公司，浙江 臺州 317200)

隨著國民經濟的快速發展，軌道交通在社會經濟的正常運轉中扮演著越來越重要的角色。生活水平的不斷提高，使得乘客對列車乘坐舒適性的要求越來越高，而目前對于城市軌道交通減振措施的研究多集中在降低軌道交通運營期間對周圍環境造成的影響。早期的城市軌道交通線路不發達，線路里程較短，往往忽視了列車振動對乘客產生的影響以及乘客乘車時的煩惱等問題。振動已被列為世界七大環境公害之一，其對人體的影響和危害是多方面的。乘客作為交通的直接參與者，如果長期暴露在振動環境中，容易產生身體疲勞，甚至引發人體組織器官的諧振[1]。

通常采用振動隔離的方式來實現減振，此方式減小了振源激振力向軌下基礎、隧道結構的傳遞，但隔振往往會造成能量回傳，從而降低乘客的乘車舒適度。高等減振和特殊減振這兩種減振措施都能降低列車運行過程中軌下基礎、隧道結構的振動，但振動回傳對于車內乘客造成的影響也不能忽略，因此針對兩種減振措施的振動特性進行研究，分析其對車內乘客的影響以及對應工況下的乘客煩惱率是很有必要的。

1 研究背景和方法

1.1 振動對人體的影響

人體并不存在單獨的振動感知器官，而是通過視覺、前庭覺、軀體感覺和聽覺系統獲得的信號組合起來共同感知振動，且任何一個系統均存在多種方式感知振動[2]。根據接觸部位可以將振動分為局部振動和全身振動，在搭乘交通工具時乘客感受到的振動屬于全身振動，暴露于全身振動的乘客可能會有不適感[3]。

人體能感知的振動頻率為1～1 000 Hz，人體各組織的固有頻率集中在一定的頻率范圍[4-6]。當列車運行時的振動頻率處于人體某些器官的共振區時，會降低乘客的乘車舒適度，產生不適感。有關全身振動對人體的影響，國內外學者均進行了研究并取得了一系列成果。靳曉雄等[7]認為人體全身受振時，長時間受振會造成精神疲勞；姚永杰等[8]通過試驗說明人體暴露于10 Hz、20 Hz、25 Hz，0.3g的豎向全身振動環境下，人的計算能力會顯著降低；姚永杰等[9]還發現眼球自振頻率附近的全身振動會導致視力模糊，視覺敏銳性下降，振動引起的聽力損失主要表現為聽力下降。當乘客處于某一頻率的全身振動時，會對其對應的系統或器官產生一定的影響。人體器官的自振頻率多集中在低頻區，因此要降低這些頻段的列車振動幅值。

1.2 乘客煩惱率

為更好地反映不同軌道結構形式下特殊減振和高等減振兩種減振措施車輛運行的振動情況以及振動對乘客的影響，有必要引入煩惱率模型進行分析。有關煩惱率的研究，相關學者也取得了一定的研究成果。宋志剛等[10]把心理物理學對煩惱率的計算方法移植到結構振動舒適性設計中，建立了相應的煩惱率計算模型；崔聰聰等[11]通過利用煩惱率模型，以南昌西站站房為例，綜合德國標準與煩惱率模型得到新的振動限值；史杰遠等[12]基于煩惱率模型計算出不同區域乘客和船員的振動舒適度。

煩惱率是在一定振動強度下認為振動“不可接受”者占總人數的比例。在考慮到振動主觀反應判斷標準的模糊性以后，離散分布情況下煩惱率的計算公式為[13]：

(1)

式中：A(x=i)為第i個振動強度下的煩惱率；nij為該振動強度下第j種主觀反應的人數；vj為第j種主觀反應的概念隸屬度；m為主觀反應的等級數，通常m=5。

對振動強度為aw的煩惱率，連續分布情況下煩惱率A(aw)的計算公式為：

(2)

(3)

式中：umax為人體“無法忍受”的強度下限；a和b為系數，由下式得到：

(4)

對于隨機分布的加速度信號，煩惱率分布函數可以用對數正態分布函數來近似表示：

(5)

根據式(2)可以確定任意經過頻率計權的振動強度下的煩惱率。

2 現場測試情況

為更好地了解軌道交通實際運行過程中高等減振和特殊減振兩種減振措施下車廂內的振動特性以及乘客的煩惱率等信息，選取某城市軌道交通線路的典型區間進行兩種減振措施下的車內振動測試。

車內振動測試內容為測試車廂內轉向架上部、車廂貫通道上部、車廂中部的振動，圖1所示為車內振動測試測點布置，測點1為車廂中部地板面，測點2為左側轉向架地板面，測點3為貫通道中央地板面。根據GB 5599《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范》中的規定，測試時客車室內所有門窗應關閉，每次測試有效時間不小于5 s，測量時間間隔不少于30 s，列車在每個測試車速均應至少測量3次，傳感器平穩置于列車地板(本文測量各測點的垂向振動值)。

圖1 車內振動測試時的測點布置情況示意圖

試驗采用B型車，車內振動加速度傳感器采用B&K振動加速度計，量程為0.5g，頻率響應范圍為0.05～13 000 Hz，數據采集儀采用INV3060S網絡分布式采集儀，數據采集和分析軟件采用動態測試分析平臺軟件DASP-V10工程版。測試分為兩次，為保證對比的有效性，兩次測試在同一軌道交通線路上的同一區間進行，先進行特殊減振措施工況下的測試，測試結束后將特殊減振更換為高等減振，再次進行測試，更換前后的車內振動測試選用同一節車廂。根據對該軌道交通線路實際運營情況的了解，列車運營通過測試區間的實際運行速度為50 km/h左右，因此測試時的車輛運行速度控制為50 km/h。圖2為測試現場。

圖2 測試現場情況

3 測試結果分析

3.1 頻譜特性及對人體的影響分析

為了對列車在兩種減振措施運行狀態下車內的振動特性進行分析，需要對實測的數據進行快速傅里葉變換。根據數據特征發現振動主要分布在200 Hz及以下，振動對人體產生的影響主要集中在低頻段，因此主要進行200 Hz范圍內的頻譜分析。圖3為特殊減振措施下車內3個振動測點的頻譜圖，圖4為高等減振措施下車內3個振動測點頻譜圖。

圖3 車內振動測點振動頻譜(特殊減振)

圖4 車內振動測點振動頻譜(高等減振)

從兩種減振措施的測試結果來看，車內布置的3個振動測點的振動頻率都主要集中在200 Hz以內。總體來看，特殊減振的車內振動最大幅值為0.71 m/s2，高等減振的車內振動最大幅值僅為0.22 m/s2，這與特殊減振隔振效果一般來說好于高等減振的規律一致，也即特殊減振措施隔振效果好，就有相對更多的振動回傳到車內，從而造成車內振動幅值大于高等減振。

從特殊減振工況下頻譜的頻段分布來看，車內的3個測點均在160 Hz左右出現加速度峰值，其中測點1(車廂中部)和測點2(左側轉向架)在80 Hz左右也出現一個峰值，而測點3(貫通道中央)在80 Hz附近并未出現明顯的峰值，只是在160 Hz左右出現遠大于另外兩個測點的峰值。這說明列車貫通道中央在160 Hz左右的振動要比其他測點強烈。人手緊握后的自振頻率在160 Hz左右，因此一部分乘客在此頻率下振動時間過長可能會產生不適感。

從高等減振工況下頻譜的頻段分布上來看，車內的3個測點在80 Hz左右和160 Hz左右均出現峰值，但均明顯小于特殊減振，說明采用高等減振更有利于減小列車運行時的車內振動。

3.2 煩惱率計算與討論

根據GB/T 13441.1—2007/ISO2631—1:1997《機械振動與沖擊人體暴露于全身振動的評價第1部分：一般要求》的描述，不同振動量值的反應取決于乘客對旅行持續時間的期望和乘客所期望完成的活動的類型(如閱讀、進食和書寫等)以及諸多其他因素。公共交通中振動的不同量值可能反應的近似描述見表1。

根據標準規定，在進行煩惱率計算時，取umin=0.315 m/s2，umax=2.500 m/s2，計算可得a=0.482 7，b=0.557 7。該標準還規定了計算時采用的振動加速度的評價方法，即

(6)

式中：aw(t)為時間函數的計權加速度，m/s2；T為測量時長，s。使用MATLAB編程對煩惱率進行計算，并通過對數正態分布累計曲線來近似煩惱率計算結果曲線，得到圖5所示的煩惱率曲線。

表1 GB/T 13441.1—2007規定的公共交通中振動的不同量值可能反映的近似描述

圖5 煩惱率與計權加速度值關系曲線

根據繪制出的煩惱率與計權加速度值的關系曲線圖，可以看出煩惱率與計權加速度值大體上呈正相關關系，同時可以看出整體的煩惱率的變化率越來越小。在計權加速度值小于0.3 m/s2時，煩惱率處于一個較低的水平，當計權加速度值為0.3 m/s2時，煩惱率值為3.71%。而經過現場測試得到的特殊減振和高等減振兩種工況下，車內多數測點的計權加速度值都小于0.3 m/s2，只有特殊減振工況下車廂貫通道中央地板面處的計權加速度值較大，說明多數測點的煩惱率計算值都處于較低的水平。表2給出了根據理論計算及煩惱率圖得到的特殊減振和高等減振兩種工況下車內不同測點煩惱率的詳細計算結果。

對計算結果進行分析，可以發現高等減振工況下3個測點的煩惱率均處于較低的水平，且煩惱率值均低于特殊減振工況下車內對應測點的煩惱率值，說明高等減振更有利于減小車內振動。

表2 特殊減振和高等減振工況下車內不同測點煩惱率計算結果 %

特殊減振工況下，測點1和測點2的煩惱率值雖大于高等減振工況下的對應值，但仍處于相對較低的水平，而測點3的煩惱率值達到了37.85%，即有37.85%的乘客都感到該工況下該位置的振動“不可接受”，對乘客的乘車體驗產生不利影響。

因此基于對乘客影響的角度來看，高等減振措施對車內各位置的煩惱率控制都具有較好的效果，而特殊減振措施對車內貫通道中央地板面位置處的煩惱率控制效果較差。

4 結論

1)相比特殊減振措施，采用高等減振措施更有利于減小列車運行時的車內振動，高等減振對乘客煩惱率的控制也明顯優于特殊減振。

2)特殊減振工況下，列車貫通道中央的振動頻率主成分在160 Hz左右，某些乘客在該頻率下的全身振動時間過長可能會有不適感。

3)特殊減振和高等減振兩種工況下多數測點都在80 Hz左右出現峰值，且為主要頻率成分之一，某些乘客在該頻率下的全身振動時間過長可能會有不適感。

4)特殊減振工況下的車內貫通道中央地板面處乘客的煩惱率值達到37.85%，而高等減振對車內各位置的煩惱率控制都達到了較好的效果。