铁道车辆平稳性指标

张文春 吴伋

摘  要：针对TB/T2360，ISO2631和UIC513三种常用的平稳性指标评价方法进行了对比，从加权函数对比标准之间的差异。通过实测加速度数据的频谱构成，认为横向加权函数衰减基本一致，TB/T2360垂向加权函数衰减最大，UIC513的标准评价最为严格。

关键词：平稳性指标;机车动力学;评定方法;加权函数

中图分类号：U260          文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）32-0067-04

Abstract： The author analyzes three commonly used evaluation methods for stability index， TB/T2360， ISO2631 and UIC513， and the difference between the standards is compared from the weight function. According to the spectrum composition and relative sensitivity of the measured acceleration data， the attenuation of the lateral weighting function is basically the same， the attenuation of the vertical weighting function of TB/T2360 is the largest， and the standard evaluation of UIC513 is the most stringent.

Keywords： stability index; locomotive dynamics; evaluation method; weight function

引言

铁路车辆平稳性是评价机车动力学性能的一項重要参数，广义的平稳性包括振动、噪声、座椅、空调、压力变化等参数，但是通常平稳性仅以振动加速度对乘客的影响进行评价。随着一带一路倡议鼓励国内企业走向世界，国内行业的标准也需要逐步与国际标准接轨。

现行评价铁路车辆平稳性指标的标准主要评价车辆在所有线路范围内0～100Hz频带范围内的振动分量，包括x，y和z轴的直线振动，以及绕人体中心的三个轴的旋转振动，对立姿、坐姿、卧姿人体的振动进行评价。

我国现行铁路车辆评价规范有TB/T2360和GB/T5599[1，2]，其中用于评价平稳性的部分都是基于Sperling平稳性指标发展而来。国外的现行相关标准包括国际通用标准ISO2631-1997[3]，国际铁路联盟UIC513-1997[4]和CEN组织发部的EN12299等。这些标准在频率计算范围、加权特性和平稳性评价总值的计算方法上各有不同。本文针对各种平稳性指标的特点，通过实测数据对比分析相关标准之间对平稳性定义的偏差，评价不同标准选用对不同车型的影响。

1 平稳性评价方法

常用的平稳性评价标准可分为三种完全独立的评价方法：TB/T2360指标，ISO2361标准和UIC513标准。其它标准评价平稳性指标的内容，TB/T2360和GB/T5599基于Sperling，EN12299基于UIC513，所以不单独列出。

1.1 TB/T2360

TB/T2360采用的Sperling平稳性指标用来评价车辆运行性能的方法在国际上获得广泛应用[5，6]。TB/T2360基于大量试验来评价旅客乘坐平稳性，采用时域信号评价平稳性指标时，采用加权加速度AW定义运行加速度，

其中：aW（t）为加权加速度时间信号，m/s2，T为样本周期。

TB/T2360采用最大加速度Amax和加权加速度总值AW对平稳性进行评价，运行平稳性各评定等级的界限值详见表1。

1.2 ISO2631标准

ISO2631使用频率加权总值aw评价平稳性，可用于评价立姿、坐姿和卧姿的平稳性，并引入振动暴露总值用于评估振动损伤。该标准可对正常操作过程中人体可能会遇到的任何情况进行评价。

均方根加速度aw按照下式或其频率的等价式计算：

式中：aw（t）为时间历程的加权加速度，T为测量时长。对于站姿，z轴方向的频率加权曲线为Wk，x轴和y轴方向的频率加权曲线为Wd。

当振动在一个以上方向同时发生时，正交坐标系下的振动所决定的加权均方根加速度的振动总量为：

式中：awx，awy，awz分别为x，y和z向的1/3倍频带的均方根加速度，kx，ky，kz为ISO2631规定的方向因数。

考虑到不同场合对平稳性影响的因素有所不同，ISO2631未对振动加速度的总量定义限界。如表2给出了在公共交通中综合振动总值的不同量值可能反应的近似描述。

1.3 UIC513标准

UIC513标准对规定运行条件下车辆运行舒适性进行说明。该标准是基于5min时长所获取的车辆振动加速度得到舒适性平均值。加速度采用加权均方根RMS值进行统计分析，计算含有95%百分比的分量。

在地板水平高度上站立的平稳性指标N可用简化算法计算得到，其计算公式为：

式中：a为加速度的有效值;下标x，y，z分别表示纵向、横向、垂向， P95表示地面振动加速度95%的置信度;上标Wi（i=b，d）为加速度的权值，Wd为水平加速度权值，Wb为垂直加速度权值。

如表3为UIC513对振动平稳性的指标，推荐传统铁道车辆的平稳性指标N不超过4。

2 评价方法的权值对比

三个标准均以加权加速度评价平稳性，对比式（1），（2）和（4），TB/T2360仅考虑垂向和横向的加权，ISO2631和UIC513考虑了三个方向的加速度。数据分析过程中仅考虑横向和垂向振动加速度。

如图1和图2分别为横向和垂向权值的对比。TB/T2360的分析频带范围为0.5～80Hz。ISO2631标准给出了0.1～250频带内的所有加权函数，实际计算过程中使用仅考虑0.5～80Hz频带内的分量。UIC513的分析范围比上述两者稍宽，为0.4～80Hz范围。

整体而言，TB/T2360，ISO2631与UIC513横向振动的加权几乎相同，但在垂向分量中。对于垂向分量，TB/T2360给予≤10Hz低频分量更多的关注，ISO2631次之，UIC513最少;而在10～80Hz分量则完全相反。对于横向分量，TB/T2360对>2Hz的分量给予更多的关注。

3 实测信号对比

为了对比三种平稳性评价方法实际使用中的区别，以某型机车的横向和垂向实测数据进行分析，按照三个标准对原始数据进行加权结果。截取实测数据中的300s数据进行分析，数据采样率为5kHz，分贝通过滤波、加权、FFT分析和统计求和得到相应标准的加速度。

如图3和图4分别为横向和垂向的原始加速度及三个标准的加权加速度。相比来看，横向数据的三个标准加权结果相差不大，但采用Sperling加权的频带范围较小，仅考虑1～80Hz范围，加权数据的峰值相对较小。垂向数据ISO2631和UIC513的加权结果基本一致，而Sperling的加权结果相对较小。

如图5为加速度加权总值，ISO2631和UIC513标准的加权结果基本相同，UIC513采用95%置信度数据，加权加速度稍小;Sperling的加权加速度相对其它两者偏小。

如图6为各频带分量的加权加速度分量。三个标准加权后主要频带的分布基本相同，横向加速度分量主要集中再1～2Hz频带内，垂向加速度主要分布再2～12.5Hz频带内。

4 平稳性分析

三种平稳性评价指标的评价结果见图7～图9。TB/T2360分别按横向和垂向振动加速度进行平稳性评估，ISO2631和UIC513以各方向的加速度均方值进行评估;相比而言，TB/T2360的评估标准相对后两者更为宽松，而UIC513对平稳性的指标限值最为严格。

5 结论

常用的平稳性评价方法中，TB/T2360、ISO2631和UIC513的横向加权函数衰减基本一致，而TB/T2360垂向加权函数衰减比其它两者更大。实测信号的指标对标显示，UIC513的评价标准最为严格，ISO2631次之，TB/T2360相对最为宽松。

参考文献：

[1]GB 5599-85.铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范[S].

[2]TB/T 2360-93.铁道机车动力学性能试验鉴定方法及评定标准[S].

[3]ISO2631-4 Mechanical vibration and shock-Evaluation of human exposure to whole-body vibration-Part 4： Guidelines for the evaluation of the effect of vibration and rotational motion on passenger and crew comfort in fixed-guideway transport systems. [S].

[4]UIC513 Guidelines for evaluation passenger comfort in relation to vibration in railway vehicles. [S].

[5]張学铭，谢晓波，杨少彬.铁道车辆平稳性指标对比分析[J].佳木斯大学学报：自然科学版，2011（05）：23-28.

[6]戴焕云.平稳性指标W和加权加速度Aw不能相互换算的分析[J].铁道技术监督，2008，36（9）：1-3.