CN109470496A - 列车车体瞬态剧烈振动致振动舒适性的评估方法及系统 - Google Patents

列车车体瞬态剧烈振动致振动舒适性的评估方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种列车车体瞬态剧烈振动致振动舒适性的评估方法及系统，该方法包括：测量大风环境下列车运行过程中的车体侧滚角与重心位置横向位移；对车体侧滚角与重心位置横向位移进行频率加权滤波；对加权滤波后的车体侧滚角和加权滤波后的重心位置横向位移按周期进行截断，按区间求解车体侧滚角和重心位置横向位移的平均值的绝对值和峰峰值；根据车体侧滚角和重心位置横向位移的平均值的绝对值和峰峰值，计算得到列车的振动舒适性的评估指标。本发明能够更准确的反应列车运行过程中的车体瞬态剧烈振动致振动舒适性情况，还能够更准确反映列车司乘人员的实际感受。

Description

列车车体瞬态剧烈振动致振动舒适性的评估方法及系统
技术领域
本发明涉及高速列车运行评估领域，尤其涉及一种大风环境下列车通过复杂地形区段时列车车体瞬态剧烈振动致振动舒适性的评估方法及系统。
背景技术
随着高铁技术的不断发展，列车乘坐舒适性愈加倍受关注。列车乘坐舒适性与很多因素有关，如车体的振动、噪声、温度、乘员，以及车辆的设计等等，同时考虑上述所有因素进而评估乘坐舒适性是相当困难的。所以在铁路领域中，乘坐舒适性一般指乘客对列车运行过程中车体系统振动的接受程度。
目前舒适性评估主要有两大类，一是长时间或长距离运行时乘员总体生理感受，也就是稳态舒适性指标。另一类是瞬态振动下的舒适性评估，如列车在过曲线时、岔道或局部的轨道不平顺以及瞬态风作用下的横向稳定性的评判。当前对稳态舒适性评估一般采用国际通用标准，如Sperling平稳性指标、舒适度指标平均舒适性指标Nmv(Mean ComfortStandard Method) 和车体加速度均方根值等。但由于不同国家铁路标准、运行车辆、开行速度、运行环境、乘客体重及身高等不同，且不同国家对乘坐舒适性的关注点不同，瞬态舒适性的评估不同国家各有不同。
对于瞬态舒适性的评估，欧标EN-12299中给出了车辆通过缓和曲线时的舒适度评价指标 PCT、以及离散事件的(通过道岔、局部轨道不平顺、阵风作用)发生时候的舒适性评价指标 PDE，其中PCT引入了车体加速度、加加速度和侧滚角速度来进行评估，均采用1s内的数值， PDE引入加速度2s之内的峰峰值和加速度平均值。但是标准中针对这两种工况并未给出评定分级，无法直接应用。日本对于列车通过过缓和曲线时的瞬态舒适性指标也进行了研究，认为列车通过缓和曲线时车体的侧滚是主要振动形式，为此引入侧滚角速度和侧滚角加速度作为主要评判指标。
近年在中国，越来越多的在复杂恶劣环境下开通的高铁线路出现了系列新的工程问题，尤其是环境风受铁路沿线地形地貌变化影响，形成的风速突变导致列车通过时车体瞬态剧烈振动的现象。从中国铁路总公司组织的大风环境对高速列车行车安全影响专项试验中发现，当车体瞬态剧烈振动时，车体受冲击感强烈，晃摆剧烈，试验人员极度不适、甚至有恐惧感，添乘司机根据《铁路技术管理规程(高速铁路部分)》规定实行紧急降速，甚至是停车处理，但同一时刻测得的平稳性指标为2.48，根据《GB5599-85铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》中的评定方法，舒适性等级为优，这与乘员的感受明显不符，现有舒适性评估标准在该工况下明显不适用。
到目前为止，还鲜有学者和研究机构针对大风环境下列车通过复杂区段时车体瞬态剧烈振动导致的振动舒适性的问题进行研究。尤其是，越来越多的高铁线路在复杂地形区域开通，中国还没有相关标准对大风环境下列车车体瞬态剧烈振动导致的舒适性问题给出评估方法。
发明内容
本发明提供了一种列车车体瞬态剧烈振动致振动舒适性的评估方法及系统，用以解决目前缺乏大风环境下列车通过复杂区段时车体瞬态剧烈振动导致的振动舒适性的问题的研究技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种列车车体瞬态剧烈振动致振动舒适性的评估方法，包括以下步骤：
测量大风环境下列车运行过程中的车体侧滚角与重心位置横向位移；
对车体侧滚角与重心位置横向位移进行频率加权滤波；
对加权滤波后的车体侧滚角和加权滤波后的重心位置横向位移按周期进行截断，按区间求解车体侧滚角和重心位置横向位移的平均值的绝对值和峰峰值；
根据车体侧滚角和重心位置横向位移的平均值的绝对值和峰峰值，计算得到列车的振动舒适性的评估指标。
优选地，车体侧滚角和重心位置横向位移的平均值的绝对值和峰峰值的计算公式如下：
其中，|θ2s(t)|是2s内车体侧滚角平均值的绝对值；|y2s(t)|是2s内车体重心位置横向位移的平均值的绝对值；加权滤波后的车体侧滚角，单位°；加权滤波后的车体重心位置横向位移，单位mm；wp是加权滤波曲线；T是计算周期，τ是积分变量。
优选地，车体侧滚角和重心位置横向位移的峰峰值的计算公式如下：
其中，θpp(t)是2s内车体侧滚角峰峰值，ypp(t)是2s内车体重心位置横向位移峰峰值；是一个计算周期内的侧滚最大值，是一个计算周期内的侧滚最小值；是一个计算周期内的车体重心横移最大值，是一个计算周期内的车体重心横移最小值。
优选地，列车的振动舒适性的评估指标的计算公式为：
Pw＝Pθ+D·Py (7)
其中，Pw是振动舒适性的评估指标；且：
Pθ＝max[θpp(t)+A1·|θ2s(t)|-B,0] (5)
Py＝max[ypp(t)+A2·|y2s(t)|-C,0] (6)
其中，A、B、C、D是常系数；Pθ是车体侧滚舒适性的评估指标，Py是车体横向舒适性评估指标。
优选地，常系数A、B、C、D的取值如下：
A<sub>1</sub>＝A<sub>2</sub> B C D
0.5～0.9 1.5～2.5 50～70 0.03～0.04
优选地，方法还包括以下步骤：根据振动舒适性的评估指标的数值，将振动舒适性划分为以下三个等级：当0＜Pw＜1时，为第一等级；当1≤Pw＜2时，为第二等级；当2≤Pw时，为第三等级。
优选地，第一等级对应的乘员的振动舒适性为感觉不舒适；第二等级对应的乘员的振动舒适性为感觉很不舒适；第三等级对应的乘员的振动舒适性为感觉极度不舒适。
本发明还提供一种计算机系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述任一方法的步骤。
本发明具有以下有益效果：
本发明的列车车体瞬态剧烈振动致振动舒适性的评估方法及系统，针对大风环境下列车通过复杂地形环境时车体振动低频、低加速度、大位移的振动特征，提出的大风环境下列车振动舒适性评估指标，相比现有的振动舒适性评估方法，不但能够更准确的反应列车运行过程中的振动舒适性情况，还能够更准确反映列车司乘人员的实际感受。实现该运行工况下的列车振动舒适性的有效评估。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的列车车体瞬态剧烈振动致振动舒适性的评估方法的流程示意图；
图2是本发明优选实施例的大风环境下车体瞬态剧烈振动的主要形式示意图；
图3是本发明优选实施例的大风环境下列车振动舒适性评估方法实施步骤图；
图4是本发明优选实施例的大风环境下列车振动舒适性评估结果。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
参见图1，本发明的列车车体瞬态剧烈振动致振动舒适性的评估方法，包括以下步骤：
测量大风环境下列车运行过程中的车体侧滚角与重心位置横向位移；
对车体侧滚角与重心位置横向位移进行频率加权滤波；
对加权滤波后的车体侧滚角和加权滤波后的重心位置横向位移按周期进行截断，按区间求解车体侧滚角和重心位置横向位移的平均值的绝对值和峰峰值；
根据车体侧滚角和重心位置横向位移的平均值的绝对值和峰峰值，计算得到列车的振动舒适性的评估指标。
通过上述步骤，通过车体侧滚角和重心位置横向位移的平均值、峰峰值、最大值的组合来评估该工况下的振动舒适性。
实际实施时，以上的方法还能进行以下的扩充或应用，以下实施例中的技术特征都能相互组合，实施例仅作为示例，不作为对技术特征的正常组合限制。
实施例1：
要有效评估列车在大风环境下通过复杂地形区段运行时的车体振动舒适性要从以下几个方面考虑：(1)评估指标中要考虑车体的主要振动特性；(2)能够明确量化车体振动特征，并且能够反映车体的瞬态振动特性；(3)车体的不同形式振动的加权比例取值要合理；(4) 其中的参数在工程应用中是可以直接测量的。
振动舒适性不但与振动量级有关，还会受振动的频率以及振动的方向的变化等影响，低频振动时的变化对振动不舒适性的影响要大于高频振动时，且在大幅度的低频振动时，振动位移可以有效表示振动量级。根据人体的振动特性，受外界惯性力影响使得人体重心失稳会导致人体的不舒适。假设在列车稳定运行过程中人体姿态保持不变，当车体出现大幅度振动时，人体重心同样会发生变化，进而导致乘客产生不适感，所以车体的振动位移能够反映乘客的振动舒适性。
大量实车试验研究表明，大风环境下列车通过复杂地形区段时，车体2Hz以下的低频瞬态侧滚和横摆振动是造成不舒适的主要原因。车体的瞬态剧烈振动主要表现为两种形式，一是车体由背风侧(迎风测)向迎风测(背风侧)的瞬态阶跃，另一种是车体在不同位置较稳定振动时的瞬态脉冲，参见图2，图2所示为列车在大风环境下通过复杂地形环境时车体瞬态剧烈振动的两种主要表现形式，一种是车体由背风侧(迎风测)向迎风测(背风侧)的瞬态阶跃，另一种是车体在不同初始位置较稳定振动时的瞬态脉冲。因此，本发明提出通过车体侧滚角和重心位置横向位移的平均值、峰峰值、最大值的组合来评估该工况下的振动舒适性。
参见图1，本实施例的列车车体瞬态剧烈振动致振动舒适性的评估方法，包括以下步骤：
首先测量大风环境下列车运行过程中车体侧滚角θp与重心位置横向位移yp，同时开展列车乘坐振动舒适性调查；其次，根据人体振动特性和对不同频率振动的敏感度对车体侧滚角与重心位置横向位移进行频率加权滤波得到wp是加权滤波曲线，参见 EN-12299附录3；考虑大风环境下车体振动周期在2s左右以及该运行环境下的车体振动特征，对和按周期进行截断按区间求解平均值|θ2s(t)|、|y2s(t)|和峰峰值θpp(t)、ypp(t)，进一步通过深度数据匹配建立车体振动位移-乘员振动接受度-时/空映射关系，在此基础上进一步提出大风环境下列车振动舒适性评估指标Pw，最后通过开展大风环境下实车试验和振动舒适性调查进行验证，并不断修正以提高其可靠性，参见图3。图3中θp和yp是分别是通过列车运行姿态监测系统实时测量车体侧滚角和重心位置横向位移；和是根据人体振动特性和对不同频率振动的敏感度对车体侧滚角与重心位置横向位移进行频率加权滤波得到的值，wp是加权滤波曲线；|θ2s(t)|、|y2s(t)|、θpp(t)、ypp(t)分别是对和按周期进行截断按区间求解得到的2s内车体侧滚角、重心位置横向位移平均值的绝对值，以及2s内车体侧滚角、重心位置横向位移的峰峰值；Pθ和Py分别是车体侧滚舒适性和横向舒适性评估指标；Pw是大风环境下列车振动舒适性评估指标。计算公式如下：
Pθ＝max[θpp(t)+A1·|θ2s(t)|-B,0] (5)
Py＝max[ypp(t)+A2·|y2s(t)|-C,0] (6)
Pw＝Pθ+D·Py (7)
式中，A、B、C、D是常系数。加权滤波后的车体侧滚角，单位°；加权滤波后的车体重心位置横向位移，单位mm；wp是加权滤波曲线，参见EN-12299附录3；|θ2s(t)|是 2s内车体侧滚角平均值的绝对值；|y2s(t)|是2s内车体重心位置横向位移的平均值的绝对值；θpp(t)是2s内车体侧滚角峰峰值，ypp(t)是2s内车体重心位置横向位移峰峰值。
当Pw值结果大于“0”时，表示振动不舒适性明显，其值越大，不舒适程度越严重。
Pw中各常系数取值
A1＝A2 B C D
0.5～0.9 1.5～2.5 50～70 0.03～0.04
将指标Pw分为三个等级：感觉不舒适；感觉很不舒适；感觉极度不舒适。对应限值如下：
0＜Pw＜1 感觉不舒适；
1≤Pw＜2 感觉很不舒适；
2≤Pw 感觉极度不舒适。
在现有的舒适性评估方法中，主要是通过车体的振动加速度进行计算评估，但是在大风环境下其结果不具备参考价值，不适用于列车在该运行工况下的振动舒适性评估。本实施例中的方法是基于大风环境下列车运行过程中车体振动特性，通过车体振动位移进行组合评估。
因大风环境下，头车的气动性能最差，车体瞬态的振动最为剧烈，因此选择在头车安装车体运行姿态监测系统，实时获取列车运行过程中车体振动位移(要求其采集频率≥200Hz)，再通过内部嵌入本发明方法法的评估软件进行实车实时全程振动舒适性评估，列车运行全程舒适性评定结果参见图4。图4中当Pw值结果大于“0”时，表示列车乘员此刻感觉不舒适，值越大，不舒适程度越严重。
实施例2：
本实施例提供一种计算机系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述任一实施例的步骤。
综上可知，本发明针对大风环境下列车通过复杂地形环境时车体振动低频、低加速度、大位移的振动特征，提出的大风环境下列车振动舒适性评估指标，相比现有的振动舒适性评估方法，不但能够更准确的反应列车运行过程中的振动舒适性情况，还能够更准确反映列车司乘人员的实际感受。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种列车车体瞬态剧烈振动致振动舒适性的评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
测量大风环境下列车运行过程中的车体侧滚角与重心位置横向位移；
对车体侧滚角与重心位置横向位移进行频率加权滤波；
对加权滤波后的车体侧滚角和加权滤波后的重心位置横向位移按周期进行截断，按区间求解车体侧滚角和重心位置横向位移的平均值的绝对值和峰峰值；
根据车体侧滚角和重心位置横向位移的平均值的绝对值和峰峰值，计算得到列车的所述振动舒适性的评估指标。
2.根据权利要求1所述的列车车体瞬态剧烈振动致振动舒适性的评估方法，其特征在于，所述车体侧滚角和重心位置横向位移的平均值的绝对值和峰峰值的计算公式如下：
其中，所述|θ2s(t)|是2s内车体侧滚角平均值的绝对值；|y2s(t)|是2s内车体重心位置横向位移的平均值的绝对值；加权滤波后的车体侧滚角，单位°；加权滤波后的车体重心位置横向位移，单位mm；wp是加权滤波曲线；T是计算周期，τ是积分变量。
3.根据权利要求2所述的列车车体瞬态剧烈振动致振动舒适性的评估方法，其特征在于，所述车体侧滚角和重心位置横向位移的峰峰值的计算公式如下：
其中，θpp(t)是2s内车体侧滚角峰峰值，ypp(t)是2s内车体重心位置横向位移峰峰值；是一个计算周期内的侧滚最大值，是一个计算周期内的侧滚最小值；是一个计算周期内的车体重心横移最大值，是一个计算周期内的车体重心横移最小值。
4.根据权利要求3所述的列车车体瞬态剧烈振动致振动舒适性的评估方法，其特征在于，列车的所述振动舒适性的评估指标的计算公式为：
Pw＝Pθ+D·Py (7)
其中，Pw是振动舒适性的评估指标，且：
Pθ＝max[θpp(t)+A1·|θ2s(t)|-B,0] (5)
Py＝max[ypp(t)+A2·|y2s(t)|-C,0] (6)
其中，A、B、C、D是常系数；Pθ是车体侧滚舒适性的评估指标，Py是车体横向舒适性评估指标。
5.根据权利要求4所述的列车车体瞬态剧烈振动致振动舒适性的评估方法，其特征在于，所述常系数A、B、C、D的取值如下：
A<sub>1</sub>＝A<sub>2</sub> B C D 0.5～0.9 1.5～2.5 50～70 0.03～0.04
6.根据权利要求1至5中任一项所述的列车车体瞬态剧烈振动致振动舒适性的评估方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：根据所述振动舒适性的评估指标的数值，将所述振动舒适性划分为以下三个等级：当所述0＜Pw＜1时，为第一等级；当所述1≤Pw＜2时，为第二等级；当所述2≤Pw时，为第三等级。
7.根据权利要求6所述的列车车体瞬态剧烈振动致振动舒适性的评估方法，其特征在于，所述第一等级对应的乘员的振动舒适性为感觉不舒适；所述第二等级对应的乘员的振动舒适性为感觉很不舒适；所述第三等级对应的乘员的振动舒适性为感觉极度不舒适。
8.一种计算机系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述权利要求1至7中任一所述方法的步骤。
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