CN107860594A

CN107860594A - 一种确定高速列车旅客舒适度的方法

Info

Publication number: CN107860594A
Application number: CN201710961736.9A
Authority: CN
Inventors: 陈春俊
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Southwest Jiaotong University
Priority date: 2017-10-17
Filing date: 2017-10-17
Publication date: 2018-03-30

Abstract

本发明一种确定高速列车旅客舒适度的方法，属于牵引动力技术领域。目的是直接通过人体振动响应来评价人体乘坐舒适性。首先，建立高速列车振动模型和人体垂向模型；然后，以轨道不平顺信号作为输入激励加载到列车振动模型，得到测点处的振动加速度响应；再将振动加速度响应信号作为输入激励输入人体垂向振动模型，进行仿真模拟，得到测点处人体的振动加速度响应和振动程度响应；最后，分析仿真结果，评定旅客舒适度。本发明，充分考虑到了高速列车座位分布的实际情况，不同位置处乘客感受车体振动的响应会有所差异，同时，由于人体各个器官共振频率不同，因此对车体振动响应特性也会存在差异的问题，提高了评定旅客舒适度的准确度。

Description

一种确定高速列车旅客舒适度的方法

技术领域

本发明属于牵引动力领域，具体的是一种确定高速列车旅客舒适度的方法。

背景技术

目前，随着我国高速列车运行速度的不断提高，车体受到轨道激扰而导致自身振动加剧，由此带来的乘员舒适性问题也愈发显著。目前国内外关于列车振动舒适性评价指标(UIC513、GB5599-85等)都是通过测量车厢某些位置处的振动响应来评价列车的平稳性，并未考虑乘客自身的振动特性。

为准确分析高速列车实际运行时人体所受的振动，研究乘坐舒适性问题，国内外学者进行了深入研究。杜阳阳利用实验的方法，对传感器数据进行分析，利用集总参数法求得人体各部位刚度和阻尼等力学参数，建立了人体集中参数模型。张鄂建立了四自由度坐姿人体垂向振动模型，根据实验数据确立了模型参数，并通过模型研究了人-车系统人体的振动特征；Liang针对无靠背人体坐姿垂向振动特性研究情况，分析了大量文献报告的人体坐姿试验数据、人体建模方法、模型参数辨识方法及结果；张济民建立了坐姿人体轨道车辆运动方程，研究在车体中心位置处，人体乘坐时头部和内脏的振动响应；汤小红等建立了关于列车卧铺乘员的人-铺-车辆振动系统空间垂向耦合动力学模型,研究了在不平顺激励下的卧姿人体垂直振动特性，并对头部和臀部两部位加速度1/3倍频程进行计权，得出乘坐舒适性评级。王英杰将人体视为依附于车厢底板上的单自由度系统，分析车体振动与人体振动的差异，同时得出长波长对人体响应的影响较为明显的结论。上述研究针对人体振动进行了不同类型的建模且取得了较好的效果，但是考虑到高速列车座位分布的实际情况，不同位置处乘客感受车体振动的响应会有所差异。同时，由于人体各个器官共振频率不同，因此对车体振动响应特性也会存在差异。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供以轨道不平顺信号作为激励，得出车体不同位置处实际垂向振动响应，并以此作为人体模型激励，研究列车运行过程中人体系统动力响应，并直接通过人体振动响应来评价人体乘坐舒适性。

本发明采用的技术方案是：一种确定高速列车旅客舒适度的方法，首先，建立高速列车振动模型和人体垂向振动模型，并进行人体垂向振动参数辨识得到人体垂向振动模型参数；然后，以轨道不平顺信号作为输入激励加载到列车振动模型，得到测点处的振动加速度响应；再将振动加速度响应信号作为输入激励输入人体垂向振动模型，进行仿真模拟，得到测点处人体的振动加速度响应和振动程度响应；最后，分析仿真结果，评定旅客舒适度。

进一步的，所述高速列车振动模型为27自由度模型，为其中，M_c为列车质量矩阵；C_c为列车阻尼矩阵；K_c为列车刚度矩阵；G为轨道输入分布矩阵；q为轨道不平顺输入矩阵；X为列车振动位移矩阵；27自由度包括车体沉浮、点头、侧滚、横移和摇头；两个转向构架沉浮、点头、侧滚、横移和摇头以及四组车轮对的横移、沉浮和摇头。

进一步的，在设定人体双手及下臂平平放于座椅扶手上，双脚置于地面，并且不考虑座椅靠背对人体垂向振动的影响下，所述人体垂直模型为9自由度模型，包括9大质量块，分别为人体头颈部质量块、上躯干质量块、内脏质量块、下躯干质量块、臀部含大腿质量块、左下肢质量块、右下肢质量块、左上肢质量块和右上肢质量块；各质量块的质量为m_i(i＝1,2,…,9)，单位Kg；各质量块均取垂向自由度，且与相邻质量块间利用弹簧阻尼连接，各质量块间弹簧连接的刚度系数为k_i(i＝1,2,…,14),单位为N/m；阻尼系数为c_i(i＝1,2,…,14)，单位为Ns/m；座椅与车地面之间弹簧刚度系数为k_S，阻尼系数为c_s；

所述人体9自由度模型为其中，Z为人体各部位质心的垂向位移向量；M_r为人体各部位质量矩阵；C_r为人体各部位间阻尼矩阵；K_r为人体各部为间刚度矩阵；B为系数矩阵；Q_S为激励矩阵。

进一步的，其中δ为座椅振动位移，m_s为座椅质量。

进一步的，人体垂直振动模型参数辨识的方法为：首先，对进行傅立叶变换，得到人体各部位响应传递函数表达式；接着，选取传递函数实验数据、建立目标函数；最后，给定待标识参数的数值并赋予约束条件，进行辨识，待满足精度要求后，给定的待标识参数对应的模型参数是最终得到的模型参数。

进一步的，进行傅立叶变换时，设定所述左上肢质量块与右上肢质量块的质量、刚度和阻尼分别相等，所述左下肢质量块与右下肢质量块的质量、刚度和阻尼分别相等。

进一步的，所述目标函数为minF＝∑_i(|S_r(w_i)|-|S_E(w_i)|)²，其中，w_i＝2πf_i为激励角频率，f_i为频率；S_r为各个模型的传递函数计算值，S_E为传递函数实验值。

进一步的，所述给定待标识参数包括人体各部分质量参数m_i的约束及初值；人体各部分质量参数m_i的约束及初值根据国标GB/T 17245-2004成年人人体惯性参数给定，刚度和阻尼参数的约束为：

本发明的有益效果是：本发明，通过建立高速列车振动模型和人体垂向振动模型，充分考虑到了高速列车座位分布的实际情况，不同位置处乘客感受车体振动的响应会有所差异，同时，由于人体各个器官共振频率不同，因此对车体振动响应特性也会存在差异的问题，来评定旅客的舒适度，提高了评定旅客舒适度的准确度。

根据人体正常坐姿状态，建立了人体坐姿下9自由度垂向振动模型，以轨道不平顺信号作为激励，得出车体不同位置处实际垂向振动响应，并以此作为人体模型激励，研究列车运行过程中人体系统动力响应，并直接通过人体振动响应来评价人体乘坐舒适性。

附图说明

图1为车辆测点分布示意图。

图2为人体垂向振动模型。

图中，1-测点A、2-测点B、3-测点C。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明如下：

一种确定高速列车旅客舒适度的方法，首先，建立高速列车振动模型和人体垂向振动模型，并进行人体垂向振动参数辨识得到人体垂向振动模型参数；

然后，以轨道不平顺信号作为输入激励加载到列车振动模型，得到测点处的振动加速度响应；再将振动加速度响应信号作为输入激励输入人体垂向振动模型，进行仿真模拟，得到测点处人体的振动加速度响应和振动程度响应；最后，分析仿真结果，评定旅客舒适度。

本发明，通过建立高速列车振动模型和人体垂向振动模型，充分考虑到了高速列车座位分布的实际情况，不同位置处乘客感受车体振动的响应会有所差异，同时，由于人体各个器官共振频率不同，因此对车体振动响应特性也会存在差异的问题，来评定旅客的舒适度，提高了评定旅客舒适度的准确度。

为进行列车不同位置处，人体垂向动力响应及舒适性研究，选取车内三处具有代表性的位置进行人体振动响应分析，如图1所示，图中测点A1位于车体中心位置处；测点B2位于转向架构架心盘位置；测点C3位于转向架心盘横向1米处。为了分析该3处测点下人体振动响应，建立高速列车振动模型。此外，针对测点B2和测点C3位置上的差异性，还需考虑车体侧滚运动对测点B2、C垂向振动的影响,而车体侧滚运动又与列车横向振动存在耦合关系。故，优选的，所述高速列车振动模型为27自由度模型，为其中，M_c为列车质量矩阵；C_c为列车阻尼矩阵；K_c为列车刚度矩阵；G为轨道输入分布矩阵；q为轨道不平顺输入矩阵；X为列车振动位移矩阵；27自由度包括车体沉浮、点头、侧滚、横移和摇头；两个转向构架沉浮、点头、侧滚、横移和摇头以及四组车轮对的横移、沉浮和摇头。

人体是一个复杂的系统。通常，为研究人体振动响应特性，用等效机械阻抗的方法，将人体等效为由质量、弹簧及阻尼等机械元件构成的振动力学系统。此外，人体等效刚度、阻尼具有非线性的特点，它取决于施加在人体上外力的幅度。GB 16440-1996表明，当振动强度不超过0.4g时，人体可做线性系统处理。考虑到高速列车振动强度一般在0.2g以下，故可以将人体视为一线性化模型。现有技术对对人体进行建模时通常忽略了脚部以及手部所受的振动激励，与实际乘坐情况不符。为了符合旅客的实际乘坐情况，提高人体建模的准确型，同时考虑人体各个器管共振频率不同。故，优选的，如图2所示，在设定人体双手及下臂平平放于座椅扶手上，双脚置于地面，并且不考虑座椅靠背对人体垂向振动的影响下，所述人体垂直模型为9自由度模型，包括9大质量块，分别为人体头颈部质量块、上躯干质量块、内脏质量块、下躯干质量块、臀部含大腿质量块、左下肢质量块、右下肢质量块、左上肢质量块和右上肢质量块；各质量块的质量为m_i(i＝1,2,…,9),单位Kg；各质量块均取垂向自由度，且与相邻质量块间利用弹簧阻尼连接，各质量块间弹簧连接的刚度系数为k_i(i＝1,2,…,14),单位为N/m；阻尼系数为c_i(i＝1,2,…,14),单位为Ns/m；臀部与座椅之间弹簧刚度系数为其中δ＝z₀-z_s，m_s为座椅质量；

所述人体9自由度模型为其中，Z为人体各部位质心的垂向位移向量，；M为质量矩阵；C为阻尼矩阵；K为刚度矩阵；B为系数矩阵；Q_S为激励矩阵；

Z＝[z₁ z₂ z₃ z₄ z₅ z₆ z₇ z₈ z₉]^T；

优选的，人体垂直振动模型参数辨识的方法为：首先，对进行傅立叶变换，得到人体各部位响应传递函数表达式；接着，选取传递函数实验数据、建立目标函数；最后，给定待标识参数的数值并赋予约束条件，进行辨识，待满足精度要求后，给定的待标识参数对应的模型参数是最终得到的模型参数。

为简化模型和计算过程，优选的，进行傅立叶变换时，设定所述左上肢质量块与右上肢质量块的质量、刚度和阻尼分别相等，所述左下肢质量块与右下肢质量块的质量、刚度和阻尼分别相等。即对进行傅立叶变换得到整理后可得：令中间代换矩阵A_z＝-w²M+jwC+K，则有：那么人体各部位响应传递函数表达式为：由上式即可得到车体-人体头部传递函数：

参考现有的无靠背支持时STH数据作为车体-人体头部传递函数实验数据，如表1所示。

表1 STH数据

并进行插值扩充得到STH实验值，根据扩充得到的STE实验值建立目标函数minF＝∑_i(|S_r(w_i)|-|S_E(w_i)|)²，其中，w_i＝2πf_i为激励角频率，f_i为频率；S_r为各个模型的传递函数计算值，S_E为传递函数实验值，并输入待标识参数到目标函数，待标识参数即人体各部分质量参数m_i的约束及初值，待辨识得到的结果与STE实验值的差距满足需要的精度要求后，便得到模型参数。人体各部分质量参数m_i的约束及初值根据国标GB/T 17245-2004成年人人体惯性参数给定，刚度和阻尼参数的约束为：

最后，仿真计算时，车轮踏面采用磨耗型踏面，利用德国低干扰功率谱生成轨道随机不平顺信号加载于四组轮对上。其中列车时速V＝350km/h，上限频率为f_max＝166Hz，下限频率为f_min＝0.5Hz，采样频率为F_s＝1000Hz，模拟时间T_s＝30s。为简化仿真过程，假设轮对不存在偏心惯性力以及脱轨现象。

以轨道不平顺信号作为输入激励，加载到整车27自由度振动模型中，根据测点A1、B、C的空间位置关系，分别得出三个位置处的振动加速度响应。并以此振动加速度信号作为人体垂向振动模型的输入激励。

为保证仿真结果的准确性，需考虑车体从t＝0时到落车稳定这一过程的时间间隔，本实施方式中，取τ＝5s，确保当加载轨道不平顺激励时，车体已处于初始平衡状态，此时弹簧压缩量即为静压缩量。获取后25s的仿真数据进行分析。在列车运行过程中，测点A1、测点B2、测点C3处的人体振动加速度响应均大于相应车体加速度响应，且测点B2、测点C3处加速度幅值较测点A1处加速度幅值高，这是由于测点B2、测点C3位于转向架构架附近，构架的振动作为车体振动激励作用于车体上，其振动加速度幅值必然较车体中心点处大；

仿真结果显示，测点A1处人体有三个共振峰，分别在1Hz、5Hz以及10Hz左右。此外，1Hz左右响应能量较大，这是由车体的沉浮运动自振频率所引起的(车体沉浮运动自振频率为0.9Hz)。在5Hz左右时，人体头部及内脏振动响应显著高于车体振动响应，这是由于这是由于人体自振频率在5Hz左右；

测点B2处车体和人体的振动主频分别为0.85Hz、13.46Hz左右，响应能量较大，这是车体点头运动引起的(车体点头运动的主振频率为13.4Hz)；

测点C3处人体头部和内脏的振动主频与测点B2处差别不大，但在3～6Hz频段内响应能量更高，这是由于车体的侧滚运动造成的(车体侧滚运动的主振频率在4Hz左右)响应能量叠加。

频率在3Hz以内，人体头部与内脏振动响应相当。频率在5～8Hz时，人体内脏振动响应比头部强烈。频率在8～15Hz时，人体头部振动响应比内脏强烈。

车辆运行平稳性主要反映车辆振动程度。客车平稳性是评定旅客乘坐舒适度的指标，列车运行中产生的振动是不舒适的重要来源，因此，评定客车运行平稳性实际上就是评定乘坐舒适度。我国机车车辆运行平稳性指标W采用Sperling指标，计算公式为：

式中，A为车体振动加速度(g)；f为振动频率(Hz)；F(f)为频率修正系数(表3)。

F(Hz)	F(f)
		0.5～5.9	0.325f²
5.9～20	400/f²
		>20	1

采用沪昆线某型动车组实测车厢后端中部振动数据作为人体激励研究人体振动响应情况。可知，实测车体振动激励下，人体头部、内脏垂向振动加速度峰值在0.4m/s²左右，且人体垂向振动响应幅值高于车体。人体振动响应频率在1Hz、5Hz以及10Hz左右时幅值较大，且3Hz左右内脏振动比头部强烈，频率高于8Hz时，人体头部振动比内脏强烈。

对实测车体振动激励下，人体头部和内脏振动响应进行垂向平稳性指数计算，结果分别为1.5932和1.6336，说明人体头部和内脏感觉均舒适。

Claims

1.一种确定高速列车旅客舒适度的方法，其特征在于：首先，建立高速列车振动模型和人体垂向振动模型，并进行人体垂向振动参数辨识得到人体垂向振动模型参数；然后，以轨道不平顺信号作为输入激励加载到列车振动模型，得到测点处的振动加速度响应；再将振动加速度响应信号作为输入激励输入人体垂向振动模型，进行仿真模拟，得到测点处人体的振动加速度响应和振动程度响应；最后，分析仿真结果，评定旅客舒适度。

2.如权利要求1所述的一种确定高速列车旅客舒适度的方法，其特征在于：所述高速列车振动模型为27自由度模型，为其中，M_c为列车质量矩阵；C_c为列车阻尼矩阵；K_c为列车刚度矩阵；G为轨道输入分布矩阵；q为轨道不平顺输入矩阵；X为列车振动位移矩阵；27自由度包括车体沉浮、点头、侧滚、横移和摇头；两个转向构架沉浮、点头、侧滚、横移和摇头以及四组车轮对的横移、沉浮和摇头。

3.如权利要求1所述的一种确定高速列车旅客舒适度的方法，其特征在于：在设定人体双手及下臂平平放于座椅扶手上，双脚置于地面，并且不考虑座椅靠背对人体垂向振动的影响下，所述人体垂直模型为9自由度模型，包括9大质量块，分别为人体头颈部质量块、上躯干质量块、内脏质量块、下躯干质量块、臀部含大腿质量块、左下肢质量块、右下肢质量块、左上肢质量块和右上肢质量块；各质量块的质量为m_i(i＝1,2,…,9)，单位Kg；各质量块均取垂向自由度，且与相邻质量块间利用弹簧阻尼连接，各质量块间弹簧连接的刚度系数为k_i(i＝1,2,…,14),单位为N/m；阻尼系数为c_i(i＝1,2,…,14)，单位为Ns/m；座椅与车地面之间弹簧刚度系数为k_s，阻尼系数为c_s；

4.如权利要求3所述的一种确定高速列车旅客舒适度的方法，其特征在于：

其中δ为座椅振动位移，m_s为座椅质量。

5.如权利要求3或4所述的一种确定高速列车旅客舒适度的方法，其特征在于：人体垂直振动模型参数辨识的方法为：首先，对进行傅立叶变换，得到人体各部位响应传递函数表达式；接着，选取传递函数实验数据、建立目标函数；最后，给定待标识参数的数值并赋予约束条件，进行辨识，待满足精度要求后，给定的待标识参数对应的模型参数是最终得到的模型参数。

6.如权利要求5所述的一种确定高速列车旅客舒适度的方法，其特征在于：进行傅立叶变换时，设定所述左上肢质量块与右上肢质量块的质量、刚度和阻尼分别相等，所述左下肢质量块与右下肢质量块的质量、刚度和阻尼分别相等。

7.如权利要求5所述的一种确定高速列车旅客舒适度的方法，其特征在于：所述目标函数为min F＝∑_i(|S_r(w_i)|-|S_E(w_i)|)²，其中，w_i＝2πf_i为激励角频率，f_i为频率；S_r为各个模型的传递函数计算值，S_E为传递函数实验值。

8.如权利要求5所述的一种确定高速列车旅客舒适度的方法，其特征在于：所述给定待标识参数包括人体各部分质量参数m_i的约束及初值；人体各部分质量参数m_i的约束及初值根据国标GB/T 17245-2004成年人人体惯性参数给定，刚度和阻尼参数的约束为：