风致高速列车瞬态乘坐舒适度评价指标研究*

王林栋，吴 宁，文 彬

（中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京100081）

风致高速列车瞬态乘坐舒适度评价指标研究*

王林栋，吴 宁，文 彬

（中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京100081）

大风作用下高速列车乘员能够感受到明显的车体振动，严重时导致司机降速行驶。针对这一现象国内外并没有合适的评价方法，缺乏相应的舒适度评价指标。本文在高速列车大风试验基础上总结了车体晃动特点，参照EN 12299中关于车辆通过曲线和离散事件发生时乘员乘坐舒适度的测试、计算和评价方法，给出了大风作用下更能全面反映乘员感受的高速列车瞬态乘坐舒适度评价指标。

高速列车；大风；乘坐舒适性

根据兰新（兰州—新疆）二线等多条线路的试验结果，在大风（侧风）作用下高速列车在部分防风设施过渡段车体振动会瞬间加剧，乘坐舒适度差，严重时会导致司机降速运行。此时常用的车体加速度和运行平稳性等指标数值增大并不明显，不能有效地反映出车体的振动程度和乘员的感受。因此需要对大风作用下高速列车乘员乘坐舒适度指标进行深入的研究。

乘坐舒适度指标一般分为两类：一类是描述乘客在一定时间段内的总体感受，称为稳态舒适度；另一类是描述乘客对个别事件的感受，称为瞬态舒适度。个别事件是指车辆通过缓和曲线、道岔、局部轨道不平顺以及瞬时风作用等短时间内发生的事件。

乘坐舒适度指标N和平稳性指标W是评价稳态舒适度的常用指标。指标N是车体纵向、横向和垂向振动加速度的加权结果，一般分为5个等级：非常舒适、舒适、中等、不舒适、非常不舒适。舒适度N的测量持续时间段一般为5 min。UIC 513、EN 12299和我国《高速动车组整车试验规范》均对车辆的乘坐舒适度指标N进行了规定。指标W分为横向平稳性指标Wy和垂向平稳性Wz，分别是车体横向和垂向加速度的加权结果。按照平稳性指标W一般将铁道车辆平稳性分为4个等级：优、良好、合格、不合格，测量持续时间段一般为18～20 s。我国《高速动车组整车试验规范》、GB 5599均对车辆的运行平稳性W进行了规定。

根据兰新二线等多条线路的试验结果，大风作用下车体在线路个别位置出现明显的瞬态振动，体感乘坐舒适度较差。根据运用结果，已有的舒适度指标N、平稳性指标W、车体加速度a的试验结果与人体感觉均存在明显偏差，不能适时地反映车体瞬态振动引起的乘员乘坐舒适度水平。目前国内相关标准中，未见能够准确评价大风作用下车体瞬态振动乘员乘坐舒适度的指标。本文根据已有的舒适度指标N、PCT和PDE的测量和评价方法，提出了大风作用下车体振动乘员乘坐舒适度评价指标PW。

1 强横风作用下车体振动特点试验研究

采用实车试验研究大风作用下晃车特点。试验线路为兰新二线的百里风区，线路迎风侧存在多种类型防风设施。试验动车组为CRH2和CRH5型动车组，最高速度级为250 km／h。测试参数为动车组车体振动加速度、侧滚角速度和侧滚角，其中车体侧滚角由左右侧悬挂部件的相对位移换算得到。试验中最大环境风速约30 m／s，风向基本垂直列车运行方向且比较稳定。

动车组运行过程中，在通过部分防风设施过渡段时出现明显振动，人体感觉到很明显的车体横向振动和侧滚振动，感受到明显的不舒适。图1～图3分别为大风作用下动车组通过过渡段时车体横向加速度、车体侧滚角速度和侧滚角的典型时域波形。可以看到振动具有以下特点：车体产生明显的横向振动和侧滚振动，振动周期在1～2 s之间，持续时间较短，乘员在这种瞬态振动发生时感受到明显的不适。

根据车体振动特点，针对上述瞬态振动的舒适度评价指标应满足以下条件：（1）既要计入横向振动参数，又要计入侧滚振动参数；（2）能够量化瞬态振动的特征，不评价累计效应；（3）对横向振动参数和侧滚振动参数的加权系数比例适当，结果取值合理；（4）振动参数容易在工程上测量实现。

图1 列车通过过渡段时车体横向振动加速度典型时域波形

图2 列车通过过渡段时车体侧滚角速度典型时域波形

图3 列车通过过渡段时车体侧滚角典型时域波形

2 EN 12299关于瞬态舒适度的评价指标

标准EN 12299在舒适度指标N基础上增加了通过缓和曲线时的舒适度评价指标PCT和离散事件（通过道岔、局部轨道不平顺、阵风作用）发生时的舒适度评价指标PDE。PCT和PDE均是针对个别事件的评价，不评价累计效应。

当车辆通过单个缓和曲线时对乘坐舒适度有显著影响时，采用指标PCT进行评价。PCT的计算公式为：

式中A、B、C、D、E是常数。具体取值见表1。各变量的定义如下：

ÿ*wp（t）和φ·*wp（t）分别为经加权函数WP（s）滤波后的车体横向振动加速度，m·s－2和车体侧滚角速度，rad·s－1。

对通过单个缓和曲线的舒适度进行评价时，|ÿ1s|max所计时间范围为从车辆进去缓和曲线到离开缓和曲线后的1.6 s，单位为m·s－2；|y···1s|max所计时间范围为从车辆进入缓和曲线前1 s到离开缓和曲线，单位为m·s－3；|φ·1s|max所计时间范围为从车辆进入缓和曲线到离开缓和曲线，单位为rad·s－1。

表1 PCT计算公式中的常系数

EN 12299－2009未规定使用舒适度指标PCT时的评定分级。

当离散事件对乘坐舒适度有显著影响时，采用指标PDE进行评价，PDE适用于乘客在舒适度方面感觉发生突变的场合，如车辆通过道岔、车辆受阵风影响产生瞬态振动等。PDE的计算公式见式（5）

式中a、b、c是常数。具体取值见表2。各变量的定义如下：

式中T＝2 s。

表2 PDE计算公式中的常系数

EN 12299－2009未规定使用舒适度指标PDE时的评定分级。

3 大风作用下的乘员瞬态乘坐舒适度评判指标

如前所述，大风作用下瞬态乘坐舒适度指标PW应包含车体横向振动表征参数和车体侧滚振动表征参数。EN 12299中定义的离散事件舒适度指标PDE并未包含车体侧滚振动表征参数，缓和曲线通过舒适度指标PCT虽然计入了横向加速度和侧滚角速度，但PCT是为评价曲线上的舒适度提出的，并不适用于对大风下的车体振动进行舒适度评价。其中对车体加速度和侧滚角速度均采用了1 s内的数值，显然主要是考虑了周期大于2 s的振动影响，这对于缓和曲线通过是合适的，但对于大风作用下车体振动周期为1～2 s的振动是不适用的。参考EN 12299中PCT和PDE的计算公式和数据处理方法并考虑到侧滚振动参数的工程测量实现，PW（Passenger comfort in wind）计算公式中在PDE的基础上增加侧滚角速度项，具体计算公式如下：

式中ÿpp（t）和|ÿ2s（t）|的定义同PDE，计算公式分别见式（6）和式（7）。

式中T＝2 s。

式（8）中，A、B、C、D、E是常系数，取值见表3。为了与加速度处理方法对应，侧滚角速度φ·由PCT计算时的1 s内最大绝对值改为2 s内峰峰值φ·pp，系数D也做了相应的调整。其他系数采用原来的数值。

表3 PW指标计算公式中常系数

测试用传感器和测量方法依照EN 12299。

车体横向加速度（单位：m·s－2）信号采样频率大于10 Hz。车体侧滚角速度（单位：rad·s－1）信号采样频率大于10 Hz。以2 s为时间窗、0.1 s为步长滑动计算乘坐舒适度指标PW。

4 应用与分级

根据实测高速列车车体横向加速度和侧滚角速度数据，按式（8）计算乘坐舒适度PW，考察指标PW是否能正确反映大风作用下的人体感觉。

图4为站姿PW测试结果散点随线路里程的分布。与无风区段相比，大风区段指标PW明显增大。说明PW对大风作用比较敏感。指标PW数值较大的位置（比如K3018＋700、K3038＋500）人体感觉车体晃动明显，乘坐舒适度较差甚至引起司机降速，说明PW测试结果较为符合人体感觉。

图4 CRH2型动车组站姿PW测试结果散点

图5 CRH2型动车组坐姿PW测试结果散点

图6 CRH5型动车组站姿PW测试结果散点

图中大风区段内PW数值并非均匀分布，通过图中PW指标的数值，可以发现防风设施的薄弱环节。

在应用舒适度指标PW时需要规定相应的舒适度分级规则。舒适度指标PCT和PDE在EN 12299中未给出评定分级的数值，因此无法进行参考。总结大风作用下已有的试验数据，将指标PW分为3个等级：感觉不明显、感觉明显、感觉非常明显。对应的PW限值如下：

PW＜5 感觉不明显；

5≤PW＜10 感觉明显；

PW≥10 感觉非常明显；

U260.11＋1

A

10.3969／j.issn.1008－7842.2016.06.06

1008－7842（2016）06－0022－03

*中国铁路总公司科研计划课题（2015T002－C）

6—）男，副研究员（

2016－06－15）