轨道交通高等减振和特殊减振措施下乘客烦恼率对比分析

2020-12-01周俊召熊永亮

机械设计与制造工程 2020年11期

周俊召，王博，熊永亮

(1.同济大学铁道与城市轨道交通研究院，上海 201804)

(2.上海市轨道交通结构耐久与系统安全重点实验室，上海 201804)

(3.浙江天铁实业股份有限公司，浙江台州 317200)

随着国民经济的快速发展，轨道交通在社会经济的正常运转中扮演着越来越重要的角色。生活水平的不断提高，使得乘客对列车乘坐舒适性的要求越来越高，而目前对于城市轨道交通减振措施的研究多集中在降低轨道交通运营期间对周围环境造成的影响。早期的城市轨道交通线路不发达，线路里程较短，往往忽视了列车振动对乘客产生的影响以及乘客乘车时的烦恼等问题。振动已被列为世界七大环境公害之一，其对人体的影响和危害是多方面的。乘客作为交通的直接参与者，如果长期暴露在振动环境中，容易产生身体疲劳，甚至引发人体组织器官的谐振[1]。

通常采用振动隔离的方式来实现减振，此方式减小了振源激振力向轨下基础、隧道结构的传递，但隔振往往会造成能量回传，从而降低乘客的乘车舒适度。高等减振和特殊减振这两种减振措施都能降低列车运行过程中轨下基础、隧道结构的振动，但振动回传对于车内乘客造成的影响也不能忽略，因此针对两种减振措施的振动特性进行研究，分析其对车内乘客的影响以及对应工况下的乘客烦恼率是很有必要的。

1 研究背景和方法

1.1 振动对人体的影响

人体并不存在单独的振动感知器官，而是通过视觉、前庭觉、躯体感觉和听觉系统获得的信号组合起来共同感知振动，且任何一个系统均存在多种方式感知振动[2]。根据接触部位可以将振动分为局部振动和全身振动，在搭乘交通工具时乘客感受到的振动属于全身振动，暴露于全身振动的乘客可能会有不适感[3]。

人体能感知的振动频率为1～1 000 Hz，人体各组织的固有频率集中在一定的频率范围[4-6]。当列车运行时的振动频率处于人体某些器官的共振区时，会降低乘客的乘车舒适度，产生不适感。有关全身振动对人体的影响，国内外学者均进行了研究并取得了一系列成果。靳晓雄等[7]认为人体全身受振时，长时间受振会造成精神疲劳；姚永杰等[8]通过试验说明人体暴露于10 Hz、20 Hz、25 Hz，0.3g的竖向全身振动环境下，人的计算能力会显著降低；姚永杰等[9]还发现眼球自振频率附近的全身振动会导致视力模糊，视觉敏锐性下降，振动引起的听力损失主要表现为听力下降。当乘客处于某一频率的全身振动时，会对其对应的系统或器官产生一定的影响。人体器官的自振频率多集中在低频区，因此要降低这些频段的列车振动幅值。

1.2 乘客烦恼率

为更好地反映不同轨道结构形式下特殊减振和高等减振两种减振措施车辆运行的振动情况以及振动对乘客的影响，有必要引入烦恼率模型进行分析。有关烦恼率的研究，相关学者也取得了一定的研究成果。宋志刚等[10]把心理物理学对烦恼率的计算方法移植到结构振动舒适性设计中，建立了相应的烦恼率计算模型；崔聪聪等[11]通过利用烦恼率模型，以南昌西站站房为例，综合德国标准与烦恼率模型得到新的振动限值；史杰远等[12]基于烦恼率模型计算出不同区域乘客和船员的振动舒适度。

烦恼率是在一定振动强度下认为振动“不可接受”者占总人数的比例。在考虑到振动主观反应判断标准的模糊性以后，离散分布情况下烦恼率的计算公式为[13]：

(1)

式中：A(x=i)为第i个振动强度下的烦恼率；nij为该振动强度下第j种主观反应的人数；vj为第j种主观反应的概念隶属度；m为主观反应的等级数，通常m=5。

对振动强度为aw的烦恼率，连续分布情况下烦恼率A(aw)的计算公式为：

(2)

(3)

式中：umax为人体“无法忍受”的强度下限；a和b为系数，由下式得到：

(4)

对于随机分布的加速度信号，烦恼率分布函数可以用对数正态分布函数来近似表示：

(5)

根据式(2)可以确定任意经过频率计权的振动强度下的烦恼率。

2 现场测试情况

为更好地了解轨道交通实际运行过程中高等减振和特殊减振两种减振措施下车厢内的振动特性以及乘客的烦恼率等信息，选取某城市轨道交通线路的典型区间进行两种减振措施下的车内振动测试。

车内振动测试内容为测试车厢内转向架上部、车厢贯通道上部、车厢中部的振动，图1所示为车内振动测试测点布置，测点1为车厢中部地板面，测点2为左侧转向架地板面，测点3为贯通道中央地板面。根据GB 5599《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》中的规定，测试时客车室内所有门窗应关闭，每次测试有效时间不小于5 s，测量时间间隔不少于30 s，列车在每个测试车速均应至少测量3次，传感器平稳置于列车地板(本文测量各测点的垂向振动值)。

图1 车内振动测试时的测点布置情况示意图

试验采用B型车，车内振动加速度传感器采用B&K振动加速度计，量程为0.5g，频率响应范围为0.05～13 000 Hz，数据采集仪采用INV3060S网络分布式采集仪，数据采集和分析软件采用动态测试分析平台软件DASP-V10工程版。测试分为两次，为保证对比的有效性，两次测试在同一轨道交通线路上的同一区间进行，先进行特殊减振措施工况下的测试，测试结束后将特殊减振更换为高等减振，再次进行测试，更换前后的车内振动测试选用同一节车厢。根据对该轨道交通线路实际运营情况的了解，列车运营通过测试区间的实际运行速度为50 km/h左右，因此测试时的车辆运行速度控制为50 km/h。图2为测试现场。

图2 测试现场情况

3 测试结果分析

3.1 频谱特性及对人体的影响分析

为了对列车在两种减振措施运行状态下车内的振动特性进行分析，需要对实测的数据进行快速傅里叶变换。根据数据特征发现振动主要分布在200 Hz及以下，振动对人体产生的影响主要集中在低频段，因此主要进行200 Hz范围内的频谱分析。图3为特殊减振措施下车内3个振动测点的频谱图，图4为高等减振措施下车内3个振动测点频谱图。

图3 车内振动测点振动频谱(特殊减振)

图4 车内振动测点振动频谱(高等减振)

从两种减振措施的测试结果来看，车内布置的3个振动测点的振动频率都主要集中在200 Hz以内。总体来看，特殊减振的车内振动最大幅值为0.71 m/s2，高等减振的车内振动最大幅值仅为0.22 m/s2，这与特殊减振隔振效果一般来说好于高等减振的规律一致，也即特殊减振措施隔振效果好，就有相对更多的振动回传到车内，从而造成车内振动幅值大于高等减振。

从特殊减振工况下频谱的频段分布来看，车内的3个测点均在160 Hz左右出现加速度峰值，其中测点1(车厢中部)和测点2(左侧转向架)在80 Hz左右也出现一个峰值，而测点3(贯通道中央)在80 Hz附近并未出现明显的峰值，只是在160 Hz左右出现远大于另外两个测点的峰值。这说明列车贯通道中央在160 Hz左右的振动要比其他测点强烈。人手紧握后的自振频率在160 Hz左右，因此一部分乘客在此频率下振动时间过长可能会产生不适感。

从高等减振工况下频谱的频段分布上来看，车内的3个测点在80 Hz左右和160 Hz左右均出现峰值，但均明显小于特殊减振，说明采用高等减振更有利于减小列车运行时的车内振动。

3.2 烦恼率计算与讨论

根据GB/T 13441.1—2007/ISO2631—1:1997《机械振动与冲击人体暴露于全身振动的评价第1部分：一般要求》的描述，不同振动量值的反应取决于乘客对旅行持续时间的期望和乘客所期望完成的活动的类型(如阅读、进食和书写等)以及诸多其他因素。公共交通中振动的不同量值可能反应的近似描述见表1。

根据标准规定，在进行烦恼率计算时，取umin=0.315 m/s2，umax=2.500 m/s2，计算可得a=0.482 7，b=0.557 7。该标准还规定了计算时采用的振动加速度的评价方法，即

(6)

式中：aw(t)为时间函数的计权加速度，m/s2；T为测量时长，s。使用MATLAB编程对烦恼率进行计算，并通过对数正态分布累计曲线来近似烦恼率计算结果曲线，得到图5所示的烦恼率曲线。

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

图5 烦恼率与计权加速度值关系曲线

根据绘制出的烦恼率与计权加速度值的关系曲线图，可以看出烦恼率与计权加速度值大体上呈正相关关系，同时可以看出整体的烦恼率的变化率越来越小。在计权加速度值小于0.3 m/s2时，烦恼率处于一个较低的水平，当计权加速度值为0.3 m/s2时，烦恼率值为3.71%。而经过现场测试得到的特殊减振和高等减振两种工况下，车内多数测点的计权加速度值都小于0.3 m/s2，只有特殊减振工况下车厢贯通道中央地板面处的计权加速度值较大，说明多数测点的烦恼率计算值都处于较低的水平。表2给出了根据理论计算及烦恼率图得到的特殊减振和高等减振两种工况下车内不同测点烦恼率的详细计算结果。

对计算结果进行分析，可以发现高等减振工况下3个测点的烦恼率均处于较低的水平，且烦恼率值均低于特殊减振工况下车内对应测点的烦恼率值，说明高等减振更有利于减小车内振动。