動車組高速交會時乘坐舒適度研究

王林棟

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京100081）

近幾年，我國在武廣客專、京滬高鐵、贛龍鐵路、鄭徐客專等多條線路上進行了一系列動車組高速交會試驗，獲取了大量的試驗數據和經驗。2016年更是采用2列中國標準動車組在鄭徐客專成功進行了速度為420 km/h交會試驗，迄今為止仍屬于世界上速度最高的動車組交會試驗［1］。根據動車組高速交會試驗結果，交會瞬間車體橫向加速度較大，乘員會感覺到明顯的車體晃動，乘坐舒適度差，嚴重時引起乘員不適。而此時常用的乘坐舒適度指標變化不明顯，不能有效地反映出交會時車體的振動程度和乘員的感受，不能滿足試驗需求。因此需要對動車組高速交會時乘坐舒適度評價方法進行深入的研究。

乘坐舒適度指標一般分為兩類：一類是描述乘客在一定時間段內的總體感受，稱為穩(wěn)態(tài)舒適度；另一類是描述乘客對個別事件的感受，稱為瞬態(tài)舒適度，個別事件是指車輛通過緩和曲線、道岔、局部軌道不平順以及瞬時風作用等短時間內發(fā)生的事件。我國在評價車輛和線路時經常采用穩(wěn)態(tài)舒適度。

乘坐舒適度指標N和平穩(wěn)性指標W是評價穩(wěn)態(tài)舒適度的常用指標［2］，在我國鐵路已經廣泛應用。指標N是車體縱向、橫向和垂向振動加速度的加權計算結果，一般分為5個等級：非常舒適、舒適、中等、不舒適、非常不舒適，要求測量持續(xù)時間段為5 min。UIC 513、EN 12299［3］和我國《高速動車組整車試驗規(guī)范》均對車輛的乘坐舒適度N進行了規(guī)定。我國《高速動車組整車試驗規(guī)范》、GB 5599均對車輛的運行平穩(wěn)性W進行了規(guī)定，指標W分為橫向平穩(wěn)性指標Wy和垂向平穩(wěn)性W z，分別是車體橫向和垂向加速度的加權計算結果，一般分為4個等級：優(yōu)、良好、合格、不合格，測量持續(xù)時間段一般為18~20 s。

根據多條線路的交會試驗結果，動車組高速交會時車體會出現明顯的瞬態(tài)振動（交會時車體橫向振動加速度典型波形如圖1所示）。根據試驗數據，已有的指標N、W、車體加速度等試驗結果與乘員感覺均存在明顯偏差，不能準確地反映車體瞬態(tài)振動引起的乘員乘坐舒適度水平。目前國內相關標準中，未見能夠準確評價交會車體瞬態(tài)振動時，乘員乘坐舒適度的指標和評價方法。根據多次動車組高速交會試驗數據，參照EN 12299中瞬時舒適度指標PDE的測量和評價方法，提出了交會時車體晃動相關的乘坐舒適度測試、計算和評價方法。

1 高速交會時車體振動特點研究

從試驗結果看，高速交會時的車體振動屬于瞬態(tài)振動，乘員乘坐舒適度屬于瞬態(tài)舒適度。在評價這一舒適度時，應該綜合考慮高速交會時振動特點和原因，才能合理進行測試、計算和評價。

高速交會時由于車體受到鄰線動車組的空氣動力影響，車體振動主要表現為車體的橫向瞬態(tài)振動。由于列車速度較高，可以認為車體橫向氣動載荷為脈沖式力和力矩，則交會時的振動響應實際上反應了鐵道車輛動力學系統(tǒng)在脈沖輸入下的響應特征。

采用實車試驗研究高速交會時車體振動的特點。試驗線路為鄭徐客專，交會速度級為420 km/h對420 km/h，交會位置的線路為明線、直線，線間距5 m。試驗用2列均為8輛編組的中國標準動車組。交會時2列動車組分別在上行、下行線路運行，運行方向相反。試驗參數為動車組車體縱向、橫向和垂向振動加速度。測點位于列車前3節(jié)車廂內地板面上，每節(jié)車廂的頭部、中部和尾部均布置了加速度傳感器。

動車組高速交會時車體會出現明顯振動，乘員同時感覺到很明顯的車體橫向晃動，感受到明顯的不舒適。動車組高速交會時車體橫向加速度時域波形如圖1所示。可以看到車體振動具有以下特點［4］：

（1）在交會過程中被試車體會產生2次非常明顯的橫向振動。

（2）2次振動的第1個加速度峰值符號相反。

（3）每次振動車體加速度均會出現2個比較明顯的峰值，且其中第1個峰值最大，如圖1所示。

圖1 動車組高速交會時被試車的車體橫向加速度典型時域波形

根據交會試驗經驗、振動測試數據和空氣動力學測試數據，分析高速交會時被試車體橫向振動的原因如下：

（1）出現2次比較明顯的振動，因為：第1次振動是被試車體受到臨線交會動車組頭車氣動載荷的沖擊，在交會側出現正壓，頭車通過后被試車體在車輛系統(tǒng)作用下逐漸恢復；第2次振動是被試車體受到臨線交會動車尾車離開時氣動載荷的影響，在交會側出現負壓，尾車離開后被試車體在車輛系統(tǒng)作用下逐漸恢復［5］；如圖2、圖3所示［6］。

圖2 動車組高速交會時被試車與臨線交會動車組頭車相遇位置示意圖

圖3 動車組交會時被試車離開臨線交會動車組尾車位置示意圖

（2）2次振動的第1個加速度峰值符號相反，因為第1次振動是頭車相遇時氣動載荷對被試車正壓引起的；第2次振動是尾車離開時氣動載荷對被試車負壓引起的［7］。

（3）每次振動持續(xù)時間與交會速度有關，交會相對速度越高持續(xù)時間越短。比如列長約200 m的動車組以速度420 km/h交會時，每次振動時間一般小于0.5 s，2次振動的時間間隔約為0.85 s。

乘員在交會時可以感受到2次明顯的橫向振動，第1次為被試車體與臨線交會動車組頭車相遇時；第2次為被試車體離開臨線交會動車組尾車時，與試驗數據一致。

因此，高速交會時的車體振動屬于瞬態(tài)振動，乘員乘坐舒適度屬于瞬態(tài)舒適度，應該根據交會時振動特點和機理來試驗、計算和評價該瞬態(tài)舒適度。

2 EN 12299關于離散事件瞬態(tài)舒適度的評價指標

標準EN 12299中規(guī)定的穩(wěn)態(tài)舒適度指標N和離散事件（通過道岔、局部軌道不平順、陣風作用）舒適度指標PDE，其中N已經在我國試驗中被廣泛采用，但PDE未見采用。PDE是針對個別事件的評價，是評價瞬態(tài)舒適度的一個指標，不評價累計效應。

PDE的計算公式為式（1）：

式中：a、b、c是常數，具體取值見表1。各變量的定義如下：

表1 P DE計算公式中的常系數

式中：T=2 s。

EN 12299-2009未規(guī)定使用舒適度指標PDE時的評定分級。選擇站姿還是坐姿系數，根據試驗方法確定，兩者可以選擇其一。

根據動車組高速交會時車體振動的特點，高速交會時瞬態(tài)乘坐舒適度指標可以借鑒EN 12299的PDE指標計算公式和試驗方法，但完全采用是不合適的，需要根據振動特點進行修改。

修改應包含2個方面內容：（1）計算公式中保留車體橫向振動加速度峰值但去掉平均值，即保 留 式（1）中y?pp(t)但 去 掉|y?2s(t)|；（2）數 據 處 理時的時間T需要適當縮短為0.5 s，即式（1）中的T=0.5 s。

適用于動車組高速交會的瞬時舒適度評價方法為式（4）：

式中：a、c是常數，具體取值見表1；車體橫向加速信號采樣頻率大于100 Hz，m?s-2；采樣時間需要包含交會過程，大于1 s；濾波頻率為0.5~10 Hz。

數據處理時采用滑動計算，時間窗為0.5 s，步長0.1 s。

3 應用與評價

根據實測高速列車車體橫向加速度數據（試驗中采樣頻率1 000 Hz，采樣時間300 s），按式（4）及上述數據處理方法計算舒適度PDE，考察指標PDE是否能正確反映交會時的乘員感覺。

中國標準動車組交會試驗中PDE計算結果散點隨線路里程的分布如圖4所示。試驗線路為鄭徐客專，交會地點為明線，交會的2列動車組均為標動，交會速度級為420 km/h對420 km/h，共進行了3次交會。同一試驗的舒適度N計算結果如圖5所示，同一試驗的平穩(wěn)性W計算結果如圖6所示?？梢钥闯觯?/p>

圖4 中國標準動車組高速交會試驗車體振動P DE散點

圖5 中國標準動車組高速交會試驗車體舒適度N散點

圖6 中國標準動車組高速交會試驗車體平穩(wěn)性W散點

（1）交會時指標PDE明顯增大。說明PDE對交會比較敏感，能提取交會瞬間車體振動并表征出來。

（2）舒適度N計算結果和平穩(wěn)性W計算結果在交會時均無明顯變化，說明這2個常用舒適度指標不能凸顯交會時車體振動特點。

PDE比N和W更能表征高速交會，更符合乘員感覺。

在應用舒適度指標PDE時需要有相應的舒適度評價等級。PDE在EN 12299中未給出明確的評價等級的分類方法，因此無法進行參考?？偨Y多次高速交會時的試驗數據，建議將指標PDE分為2個等級：舒適和不舒適，對應的限值如下：

4 結論

交會時車體振動主要表現為瞬態(tài)橫向振動，常用的穩(wěn)態(tài)乘坐舒適度指標不足以對其進行合理的評判。文中根據試驗數據分析結果，完善了瞬態(tài)乘坐舒適度指標PDE試驗、計算和評價方法，可以更合理地反映動車組高速交會時的乘員感覺，實現對交會時高速列車的瞬態(tài)振動進行評價。