高速列车车体振动特性分析

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[摘 要]高速列车的振动特性直接影响旅客的乘坐舒适性，因而研究和评估高速列车运行中的振动特性具有现实意义。本文采用simpack软件建立车体模型，模拟高速列车线路正常运行情况，分析车体的振动特性。高速列车在线路实际运行情况下，测试车体的振动信号，分析车体实际振动特性。对比仿真分析结果和试验测试结果，评价高速列车的振动特性，为旅客舒适度改善提供依据。

[关键词]高速列车；振动特性；平稳性指标；舒适度

中图分类号：TH***；TH*** 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）31-0244-02

近年来随着高速铁路的发展，人们出行需求已经得到了满足基本满足。与此同时，旅客对乘坐舒适度要求越来越高。在与舒适度相关的各种因素中，振动舒适度显得非常重要。在乘客对影响舒适度因素统计中，振动被认为是最主要的因素[1]。虽然其他因素也会影响乘坐舒适度，但同时考虑所有因素比较困难，需要付出的成本相当高[2]。因而，从振动角度分析列车乘坐舒适度是一种比较有效、更加实际的方法。为提高列车的乘坐舒适度，迫切需要对车体的振动加速度进行测试，分析研究其振动特性。

鉴于以上原因，本文以simpack软件建立高速列车仿真模型，分析运行工况下车体的振动特性，研究线路上实际运行的某高速列车，测试其地板的振动加速度。通过信号后处理分析，计算高速列车的平稳性指标和舒适度。通过仿真和测试对比，并结合现行的铁道车辆舒适性评价标准，分析评价被测车体的振动特性。为提高高速列车的乘坐舒适度和优化设计提供依据和指导。

1 振动特性评价方法

列车在高速运行过程中，由于线路不平顺、车载设备正常工作、曲线通过、空流等因素，车体将产生不可避免的振动。车体振动通常是复杂的，而且包含多种频率成分、多个方向并随着时间变化。振动的会对各车体和旅客产生各方面的影响，尤其是共振的发生，会导致旅客各方面的身体不适，甚至会对身体健康造成危害[3]。因而极有必要对列车振动加速度进行评定，从而进行高速列车的减振设计。现在通用的评定指标主要有[4]：平稳性指标、舒适度指标和运行品质。

1.1 运行平稳性指标

对列车运行平稳性评价指标，国际上主要采用UIC sperling评价法和IS02631标准（包括三分之一倍频带法和总的加权评价法），而我国采用GB5599-1985标准评价运行平稳性[5]。平稳性测量的每个速度级至少采集10～20段18s的时间。单一频率下，车体振动的平稳性指标计算公式为[6]：

（1）

其中，―平稳性指标，―振动加速度（g），―振动频率（Hz），―频率修正系数。平稳性指标计算的频率范围为0.5～40Hz，不同频率加速度的平稳性指标合成计算式如下：

（2）

1.2 舒适度指标

舒适度评价指标用的较多的UIC513定义的的舒适度指标，UIC513指标将时域加速度信号分成多段，对每段加权得到一个值，通过统计处理得到舒适度指标。计算公式为[7]：

（3）

式中―舒适度指标，加速度的均方根值，，此上标与加权曲线d，b的频率加权值相关，iP95―i=X，Y，Z分别表示加速度传感器纵向、横向、垂向的敏度方向；P表示地板面；95表示分布概率分位点95%。

1.3 运行品质

车辆的运行品质用车体振动横向加速度和垂向振动加速度进行评价，车体振动加速度是车辆振动的客观度量参数。对我国200km/h以上速度级的高速列车，对最大振动加速度专门作出了规定：

， （4）

2 仿真分析

2.1 模型建立

利用铁路车辆仿真软件simpack，依据某高速列车的结构参数建立仿真模型。高速列车模型如图1.

2.2 仿真分析

该高速列车正常运行速度为300km/h，故选取仿真速度为300km/h。在车体空簧上方地板布置监测点，仿真计算采样频率为1024Hz，轨道外形采用UIC60，车轮外形选用SI1002。通过离线时间积分，获取地板振动加速度时间历程。地板测点加速度20秒时间历程如图2，图3和图4所示。

利用仿真的数据，结合式子（1）（2），计算高速列车的平稳性指标。列车平稳性指标仿真结果如下表1.

根据计算式（3），计算高速列车舒适度，列车在300km/h下，舒适度指标仿真结果如下表2。

对地板纵向、横向、垂向加速度仿真结果进行统计分析，得到车体地板横向和垂向振动加速度的最大值。车体地板振动加速度最大值如下表3.

通过simpack软件对车体的仿真分析，计算出了车体平稳性指标、舒适度以及运行品质。为验证仿真分析结果，对该高速列车进行线路测试。

3 试验分析

3.1 振动测试

列车在某高速铁路线上运行，选取空簧上方地板同一位置布置测点，测试其振动加速度时间历程。试验数据分析带宽和谱线数分别设置为512Hz，2048。根据采样定理，采样频率至少为信号分析带宽的2倍[3]，采样频率设置为1024Hz。由分辨率、采样率、谱线数之间的关系，频率分辨率应为0.25Hz。

3.2 振动特性分析

高速列车运行速度为在300km/h，分析地板测点振动加速度信号时间历程。地板测点纵向、横向、垂向振动加速度时间历程分别如图5，图6，图7所示。

利用实测数据，结合平稳性指标计算式子，可以计算出空簧上方地板平稳性指标。列车平稳性指标如表4.

高速列车在300km/h速度下运行，结合舒适度指标计算式（3），计算地板振动舒适度。地板舒适度指标如表5.

对空簧上方地板的实测加速度值进行统计分析，得到地板纵向、横向、垂向振动加速度最大值。地板三向加速度最大值如表6.

4 振动特性

4.1 仿真与测试结果对比

为验证仿真结果的准确性，应用实测地板的振动加速度数据进行比较。高速列车在300km/h速度下运行，实测地板纵向加速度最大值为0.083g（0.8134m/s2），横向振动加速度最大值为0.078g（0.7644m/s2），垂向振动加速度最大值为0.16g（1.568m/s2）。而地板仿真的纵向最大加速度为0.81m/s2，横向振动加速度最大值为0.81m/s2，垂向振动加速度最大值为0.38m/s2。

实测地板横向平稳性指标为1.583，垂向平稳性指标为1.413；地板仿真分析横向平稳性指标为1.63，垂向平稳性指标为1.57。

实测地板舒适度指标为0.28，地板仿真分析舒适度指标为0.23。

4.2 振动特性评价

我国车辆运行平稳性指标分为3个等级，其中平稳性指标小于2.5时，评定等级为优。根据试验和仿真结果可知，高速列车在300km/h速度下运行，车内空簧上方地板平稳性等级为优。

根据车辆振动舒适度等级可知，舒适度等级分为5个等级，其中舒适度指标小于1时，评定为非常舒适。对比该高速列车在300km/h下舒适度指标，车内空簧上方地板舒适度等级为非常舒适。

运用式子（4），我国200km/h以上速度级的高速动车组运行品质评价标准，对比车体地板横向和垂向加速度振动最大幅值均小于2.5m/s2，该高速列车满足运行品质的要求。

5 结论

（1）针对高速列车振动特性，应用simpack软件建立了车体模型，进行列车线路运行仿真，分析的得出了车体的平稳性、舒适度指标和运行品质。

（2）结合高速列车的线路试验，测试了车体地板的实际振动，得出了车体在某高速铁路上运行的平稳性和舒适性指标。比较车体实测和仿真结果，其振动加速度时间历程、平稳性指标、舒适度指标以及运行品质基本吻合，具有良好的一致性，验证了仿真模型的正确性。

（3）依据我国铁道车辆振动特性评价标准，高速列车在300km/h速度下运行，平稳性指标等级为优，振动舒适度指标等级为非常舒适，运行品质均满足200km/h以上高速列车评价标准。证明了该高速列车在正常速度下运行，减振性能良好，乘坐舒适度高。

（4）利用实测结果验证的仿真模型，改变车体参数和悬挂系统的刚度和阻尼，可以进一步研究不同悬挂参数、不同车型对平稳性指标的影响，为旅客舒适度设计提供优化方案。同时，结合实测轨道谱，可以模拟分析不同线路条件下的平稳性指标。

参考文献

[1]陈立功， 倪纯珍等. 按UIC标准评估旅客旅客列车振动舒适度[J].中国铁路，2001年第4期.

[2]薛玉.铁路旅客列车振动舒适度评价分析研究[D].北京：北京交通大学.2001.6.

[3]Mechinacal vibration and shock-Evaluation of human exposure to whole-body vibration-Part 1：General requirements.ISO 2631-1：1997.

[4]光.高速列车设计方法研究[M].北京：中国铁道出版社.2009.

[5]万里翔，许明恒.铁道车辆运行平稳性方法的研究[J].铁道机车车辆.2001（1）.

[6]铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范.GB/T 5599-1985. CN-GB .2004.1.1.

[7]Guideline for evaluating passenger comfort in relation to vibration in railway vehicles. Interna-

tional Union Of Railway.

[8]朱剑月，朱良光，周劲松，任利慧.地铁车辆运行舒适度与平稳性指标评价[J].城市轨道交通研究.2007.

[9]倪纯双，王悦明.浅析平稳性指标和舒适性指标[J].铁道机车车辆.2003.12.