赵　明, 郭　涛, 安　超

(唐山轨道客车有限责任公司， 河北唐山 063035)



动车组乘坐舒适度的优化研究

赵明, 郭涛, 安超

(唐山轨道客车有限责任公司， 河北唐山 063035)

依据轨道车辆乘坐舒适度测试和评价标准，结合现有动车组乘坐舒适度测试数据分析，以某速度250 km/h动车组舒适度优化并满足标准要求为目的，通过多次振动测试和仿真分析研究，提出了适合现车的舒适度优化方案，该方案基本不改变车辆结构和状态，并且工程实施也比较容易，试验结果表明，动车组在方案实施后舒适度有明显改善，也能满足标准要求。

动车组； 舒适度； 振动测试； 优化方案

近几年我国高速铁路发展迅速，动车组列车已成为人们出行的主要交通工具，除了安全和正点之外，更舒适的乘坐环境也越来越被重视。乘坐舒适度是动车组舒适度能的重要评价指标之一，该指标体现了人体对车辆振动的感受程度，无论是国际还是国内的试验规范几乎都要求对铁道车辆的舒适度进行测量并给出评价。我国动车组依照标准EN 12299《铁路车辆旅客乘坐舒适度的测量及评估》和《高速动车组整车试验规范》进行舒适度测试，并按照《CRH系列动车组噪声等指标暂行规定》进行评价[1-3]，要求动车组舒适度指标达到2级(N<2)。1舒适度测试及评价

依照受到不同频率的振动，人体感受到振动的大小也不同，国际标准化组织在1974年制定了ISO 2631《关于人体振动暴露的评价指针》[4]测试及评价标准，并依此对车辆舒适度进行评价，之后经多次修订，将分析频率范围确定为0.5～80 Hz，并考虑了引起晕车的0.1～0.5 Hz垂向振动频率，对原版中暴露时间的影响，因为没有明确舒适度与暴露时间的关系而予以去除[5]。

根据ISO 2631规定，对修正后的加速度数据按式(1)计算有效值aw，将其作为舒适度指标，并依据表1进行评价。

(1)

式(1)中aw(t)为修正后的加速度瞬时值，m/s2或者rad/s2；

T为测量时间，s。

EN 12299是在ISO 2631的基础上，将人体受到的垂向振动采用更适合于铁路车辆运营环境的Wb频率曲线进行修正，横向和纵向振动采用Wd频率曲线修正[6]，修正曲线如图1和图2所示。并提出平均舒适度完整法和平均舒适度标准法进行评价。

表1　振动大小与舒适度关系

图1　Wb修正曲线

EN 12299规定在地板和座椅这样的固定点进行测量，并考虑车体具有弹性，测点布置在车体中心和两端部、以及这些位置最近的座椅处，采集的振动数据按照式(2)和式(3)求取舒适度。

我国依据EN 12299并考虑站立乘客舒适度情况，一般将测点布置在转向架中心之上车内地板位置，中部测点位于车内地板几何中心位置，并采用平均舒适度标准法计算舒适度，由表2进行评价。

图2　Wd修正曲线

平均舒适度完整法：

(2)

(3)

平均舒适度标准法：

(4)

式中：a为加速度值，m/s2；

Wi为对应不同频率修正曲线(i=b,c,d)；

X，Y，Z为表示加速度传感器的测试方向；

P为地板接口；

A为座椅底盘接口；

D为座椅靠背接口；

95表示加速度样本值概率分位点95%；

50表示加速度样本值概率分位点50%。

表2　舒适度评价方法

2　现有动车组舒适度情况

通过对国内主要高铁线路动车组在不同运营速度下的舒适度测试，结果如图3所示，可以看出动车组舒适度与运营速度直接相关，舒适度指标随着速度提升整体呈增大的趋势，在车辆速度达到350km/h时舒适度指标N接近于2，考虑到动车组运营速度低于350 km/h，所以能够满足标准要求。

为满足国内对速度250 km/h动车组的需求，各主机厂借鉴现有成熟动车组技术平台，开展了速度250 km/h 动车组的自主化设计。

图4和图5为国内自主研制的某速度250 km/h动车组头车和中间车的舒适度测试结果，当速度达到220 km/h 时，舒适度指标均已经超过2，随着运行速度继续提升舒适度也越来越差，已不能满足标准要求。

图3　现有动车组舒适度指标

图4　头车舒适度散点图

图5　中间车舒适度散点图

3　舒适度优化方案研究

通过调查发现，动车组在自主化设计过程中，企业为能进一步降低原材料的消耗、降低制造成本和节省牵引动力，一般会通过车体结构和材料的优化研究，进而达到车体轻量化目的，而研究表明车体轻量化对乘坐舒适度而言是不利的[7]。

3.1舒适度测试分析

通过对速度250 km/h动车组在线路运行条件下的地板振动测试数据分析，如图6，可以看出在不同速度工况下，垂向振动加速度在10 Hz和20～30 Hz频率附近均存在较大峰值。再结合EN 12299标准定义的Wab修正曲线要求，舒适度指标在10 Hz和20～30 Hz频率加权值较高，所以可以判断地板在10 Hz和20～30 Hz频率出现的较高峰值是引起舒适度指标超标的直接原因。

图6　车体垂向加速度频谱图

车内地板振动一是来自于轮轨作用下的振动传递，二是车体及结构自身模态的贡献。通过进一步对该动车组进行振动传递测试，如图7和图8，可看出车体垂向振动在10 Hz左右存在明显峰值，车体横向振动在10 Hz没有峰值，而且轴箱和构架也没有发现该频率峰值。所以初步判断地板10 Hz振动峰值来自于车体固有振动特性，之后对车体进行了试验模态分析，结果如图9所示，可以确定10 Hz为车体一阶垂弯模态频率。

对于地板出现的20～30 Hz频率处较大峰值，通过不同时速下的局部地板进行工作模态测试，结果如表3，不同工况下地板结构在28 Hz附近均存在较明显的局部颤振模态，所以车内地板在20～30 Hz频率处的振动主要是地板局部颤振模态贡献。

图7　车体横向振动传递关系

图8　车体垂向振动传递关系

图9　车体一阶垂弯模态(10.3 Hz)

3.2舒适度优化实施

综上该动车组在运行过程中，车体一阶垂弯模态和地板局部颤振模态均对地板振动贡献较大，且对舒适度指标加权值也较大，所以导致该车舒适度超标。根据图1修正曲线，应尽量提高这两个模态频率，以避开曲线中较高加权频率范围，进而改善车辆舒适度。其中车体垂弯模态是车辆的整体模态，而且现有动车组一阶垂弯模态均只略高于10 Hz，再提高很困难且不适合优化实施。

从工程角度考虑，提高车内地板模态相对容易实施。通过对地板结构建立模型，并进行模态分析，结果如图10所示，计算与测试结果比较接近，说明该模型能较准确的反应实际地板振动特性。

表3　5种工况颤振局部模态频率

图10　地板结构及模态分析结果(28.4 Hz)

按照模态理论，通过增加该地板的刚度可以提高模态频率。如果增加地板材质刚度，地板整体质量也会大幅增加，不符合轻量化设计理念。通过观察，地板结构通过弹性支撑与车体地板铝合金型材连接，局部模态总是在支撑薄弱处出现的，所以采取在地板模型支撑薄弱位置增加支撑并进行模态计算，图11为计算结果，可以看出地板增加支撑位置处的颤振模态得到抑制，由以上分析可知，该处舒适度也会相应提高。

为了进行方案验证，对现车地板按照支撑薄弱区域增加了弹性支撑的方式进行了优化整改，并完成了线路条件下舒适度试验，试验结果如图12和图13所示，可以看出，优化方案实施后动车组舒适度较之前已经大幅度改善，也能满足标准要求。

图11　增加支撑后地板模态

图12　6车舒适度测试结果

图13　8车舒适度测试结果

4　结束语

乘坐舒适度是轨道车辆振动舒适度最主要的评价指标，我国对新造和现有动车组运行时的振动影响也越来越重视。本文是在车辆舒适度的测试和评价标准分析基础上，结合现有动车组舒适度测试数据，针对我国自行研制的速度250 km/h动车组舒适度超标情况，通过测试与仿真联合分析，提出了适用于现车实施且对车辆改动很少的舒适度优化方案，方案经试验验证能够较大程度的改善动车组乘坐舒适度。

[1]DIN EN 12299-2009，R ailway applications - Ride comfort for passengers[S].

[2]铁运28号-2008，高速动车组整车试验规范[S].

[3]铁总科技210号-2014 CRH系列动车组噪声等评价指标暂行规定[S].

[4]余展猷.铁道车辆舒适性评价方法的发展和研究现状[J].铁道车辆，2004，(3):42.

[5]ISO 2631.关于人体振动暴露的评价指针[S].

[6]Guido Lauriks，The Comfortable Quality Evaluation of Rolling Stock，Rail International Schienender Welt[J].2003，(2):32-40.

Ride Comfort Optimization of Service EMU

ZHAOMing,GUOTao,ANChao

(Tangshan Railway Vehicle Co., Ltd., Tangshan 063035 Hebei, China)

Based rail vehicle ride comfort test and evaluation standards, combined with the existing EMU ride comfort test data analysis, and in order to achieve a speed of 250 km EMU improved comfort and to meet the standards, through multiple vibration test and simulation analysis, proposed enforceable optimization program for the mentioned vehicle, the program does not change the basic vehicle structure and status, and project implementation is also relatively easy. The test results showed that EMU comfort improved obviously after implementation of the program, and can also meet the standards.

EMU; comfort; line test; vibration mode

1008-7842 (2016) 03-0046-05

男，工程师(

2015-12-13)

U292.91+4

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.03.10