單軌車輛乘坐舒適性與運(yùn)行平穩(wěn)性仿真和試驗(yàn)研究

杜子學(xué)楊緒杰左長永

（1.重慶交通大學(xué)軌道交通研究院，400074，重慶；2.中國南車洛陽機(jī)車有限公司，471002，洛陽∥第一作者，教授）

單軌車輛乘坐舒適性與運(yùn)行平穩(wěn)性仿真和試驗(yàn)研究

杜子學(xué)1楊緒杰1左長永2

（1.重慶交通大學(xué)軌道交通研究院，400074，重慶；2.中國南車洛陽機(jī)車有限公司，471002，洛陽∥第一作者，教授）

采用了虛擬樣機(jī)仿真和試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對跨坐式單軌車輛乘坐舒適性與運(yùn)行平穩(wěn)性進(jìn)行分析和評價(jià)。運(yùn)用動力學(xué)仿真軟件ADAMS建立了跨坐式單軌列車動力學(xué)模型進(jìn)行仿真。以重慶市軌道交通3號線跨坐式單軌列車為例進(jìn)行試驗(yàn)研究，試驗(yàn)數(shù)據(jù)運(yùn)用Famos軟件進(jìn)行處理。仿真和試驗(yàn)結(jié)果均表明重慶跨坐式單軌車輛具有良好的運(yùn)行平穩(wěn)性與乘坐舒適性。

單軌車輛；舒適性；平穩(wěn)性；仿真

First-author'saddressResearch Institute of Rail Transit，Chongqing Jiaotong University，400074，Chongqing，China

1 單軌車輛乘坐舒適性與運(yùn)行平穩(wěn)性評價(jià)指標(biāo)

1.1 ISO2631乘坐舒適性評價(jià)指標(biāo)

標(biāo)準(zhǔn)ISO 2631［1］的評價(jià)方法是，以加權(quán)加速度均方根值aw來評價(jià)振動對人體舒適程度的影響，對仿真或試驗(yàn)得到的加速度時(shí)域歷程a（t）進(jìn)行頻譜分析得到功率譜密度函數(shù)Ga（f），然后按照公式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式（1）中，ω（f）為頻率加權(quán)函數(shù)，可用公式（2）表示。

考慮到多點(diǎn)多軸向輸入時(shí)，先計(jì)算出各個(gè)軸向的加權(quán)加速度均方根值avj，然后按照公式（3）計(jì)算總的加權(quán)加速度均方根值

根據(jù)表1比較aw與人體感受之間的關(guān)系。

表1 不同的aw與人體感覺之間的關(guān)系

1.2 GB5599運(yùn)行平穩(wěn)性評價(jià)指標(biāo)

客車運(yùn)行平穩(wěn)性按照平穩(wěn)性指數(shù)W評價(jià)（GB 5599—1985［2］）。W的計(jì)算公式如下：

式中：

W——平穩(wěn)性指數(shù)；

A——振動加速度，m/s2；

f——振動頻率，Hz；

F（f）——頻率修正系數(shù)（如表2所示）。

表2 頻率修正系數(shù)

在同一振動方向同時(shí)存在兩種以上的頻率成分時(shí)，需要對加速度時(shí)間歷程進(jìn)行頻譜分析，得到每種頻率所對應(yīng)的加速度值，按式（4）計(jì)算出每種頻率下的平穩(wěn)性指數(shù)Wi，最后計(jì)算出該振動方向上合成的平穩(wěn)性指數(shù)W。合成的平穩(wěn)性指數(shù)按下式計(jì)算：

根據(jù)GB 5599—1985標(biāo)準(zhǔn)，表3只給出了客車的平穩(wěn)性等級評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

表3 客車運(yùn)行平穩(wěn)性等級評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2 單軌車輛舒適性與平穩(wěn)性仿真分析

2.1 單軌車輛動力學(xué)模型的建立

本文采用ADAMS軟件，以重慶市軌道交通3號線6輛編組的跨坐式單軌列車為例建立了“車輛-輪胎-軌道梁”耦合動力學(xué)仿真模型。軌道梁有3個(gè)行駛路面，走行輪始終與軌道梁頂面接觸，承受車輛垂直載荷并傳遞牽引力和制動力；導(dǎo)向輪緊貼著軌道梁側(cè)面上部行駛，使車輛沿著軌道行駛；兩個(gè)穩(wěn)定輪對稱固定在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架中間兩側(cè)，緊靠軌道梁側(cè)面下部行駛，起著穩(wěn)定車輛運(yùn)行狀態(tài)的作用。通過車輛結(jié)構(gòu)的分析并按照車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)和力學(xué)參數(shù)，在ADAMS中建模如圖1所示的列車模型［3］。

圖1 跨坐式單軌列車模型

2.2 乘坐舒適性仿真分析

因?yàn)檐囕v在彎道工況運(yùn)行時(shí)，車體在彎道處的縱向和橫向加速度要比直道處大很多，用來評價(jià)車輛的運(yùn)行平穩(wěn)性和乘坐舒適性就不夠準(zhǔn)確。為了試驗(yàn)作對比，主要仿真分析并評價(jià)單軌列車在直道工況上分別以45 km/h、60 km/h和75 km/h運(yùn)行時(shí)，列車的運(yùn)行平穩(wěn)性和乘坐舒適性［4］。

在后處理生成列車不同速度運(yùn)行時(shí)第3節(jié)車體質(zhì)心處的加速度時(shí)域歷程曲線和加速度頻域歷程曲線（去掉前幾秒由于瞬時(shí)加速而產(chǎn)生的峰值），如圖2所示。

在ADAMS后處理中利用函數(shù)編輯器來計(jì)算車體質(zhì)心處的加權(quán)加速度均方根值aw。具體操作步驟如下：

（1）輸出隨機(jī)路面產(chǎn)生的車體質(zhì)心縱向、橫向以及垂向加速度時(shí)域響應(yīng)曲線。

（2）利用FFT（傅里葉變換）函數(shù)將加速度時(shí)域響應(yīng)曲線轉(zhuǎn)換成功率譜密度曲線。

（3）在excel中將式（2）中的頻率加權(quán)函數(shù)離散化成兩列數(shù)據(jù)，以txt格式保存后導(dǎo)入后處理中，生成加權(quán)函數(shù)曲線。

（4）按照式（1）將功率譜密度曲線與加權(quán)函數(shù)曲線的平方相乘，得一條新的曲線，對新生成的曲線進(jìn)行積分，取曲線上最后一點(diǎn)的縱坐標(biāo)值，然后開方，即得到各軸向加權(quán)加速度均方根值aw，最后按照式（3）計(jì)算出總的加權(quán)加速度均方根值。

按上述步驟計(jì)算出不同速度工況下車體質(zhì)心的加權(quán)加速度均方根值aw，并按照ISO 2631標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)單軌車輛的乘坐舒適性能［5］。評價(jià)結(jié)果如表4所示。

表4 舒適性評價(jià)結(jié)果

2.3 運(yùn)行平穩(wěn)性仿真分析

在ADAMS后處理邊利用函數(shù)編輯器計(jì)算車輛的平穩(wěn)性指數(shù)：

（1）先生成隨機(jī)路面分析輸出的車體質(zhì)心橫向、垂向振動加速度時(shí)域響應(yīng)曲線。

（2）利用后處理中的FFT對各個(gè)振動方向的振動加速度時(shí)域歷程曲線進(jìn)行頻譜分析，得到振動加速度頻域歷程曲線。根據(jù)表2中頻率修正系數(shù)，將將振動加速度頻域歷程曲線分成三段。

圖2 加速度時(shí)域和頻域歷程曲線

（3）將表2中的不同頻率段所對應(yīng)的頻率修正系數(shù)在excel中離散化成3組數(shù)據(jù)，分別以txt格式保存后導(dǎo)入后處理中，生成3條頻率修正系數(shù)的分段曲線，并按照各自所對應(yīng)的頻率復(fù)制到三段振動加速度頻域歷程曲線中去。

（4）按照式（4）分別將3個(gè)頻率段內(nèi)對應(yīng)的振動加速度頻域歷程曲線和頻率修正系數(shù)曲線進(jìn)行求積、積分等曲線運(yùn)算，求出各頻率段內(nèi)的平穩(wěn)性數(shù)值，最后由式（5）計(jì)算出總的平穩(wěn)性數(shù)值。

按上述步驟計(jì)算出不同速度工況下車輛垂向和橫向振動的平穩(wěn)性指數(shù)，并按照GB 5599標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)單軌車輛的運(yùn)行平穩(wěn)性［6］。評價(jià)結(jié)果如表5所示。

從表5中可以看出：無論是單軌車輛的橫向平穩(wěn)性數(shù)值還是垂向平穩(wěn)性數(shù)值，都隨著車速的增加

而增大；垂向的平穩(wěn)性數(shù)值要比橫向稍大一些，說明單軌車輛橫向平穩(wěn)性要比垂向平穩(wěn)性好，體現(xiàn)了導(dǎo)向輪與穩(wěn)定輪對緩解車輛橫向振動的優(yōu)越性。

表5 平穩(wěn)性評價(jià)結(jié)果

3 單軌車輛試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)概況

（1）試驗(yàn)內(nèi)容：重慶市軌道交通3號線跨坐式單軌列車運(yùn)行平穩(wěn)性和乘坐舒適性［7-8］。

（2）試驗(yàn)路段：童家院子站至金渝站。

（3）試驗(yàn)車輛：試驗(yàn)的車輛為重慶市軌道交通3號線6輛編組的跨坐式單軌列車，列車車廂內(nèi)裝載80 t的沙袋，用來模擬車輛滿載運(yùn)行時(shí)的工況。

（4）測試點(diǎn)：沿列車行駛方向上第3節(jié)中車的中間地板上和一側(cè)座椅上分別安裝一個(gè)三向加速度傳感器。

（5）試驗(yàn)工況：分別測試列車在45 km/h、60 km/h和75 km/h 3個(gè)工況下直線運(yùn)行時(shí)的運(yùn)行平穩(wěn)性和乘坐舒適性。

（6）試驗(yàn)設(shè)備：①德國IMC devices數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；②三向加速度傳感器（2個(gè)）及接線盒若干；③筆記本電腦1臺，蓄電池2個(gè)，逆向器1個(gè)，導(dǎo)線若干，丙酮以及膠水。

3.2 試驗(yàn)過程

本試驗(yàn)主要是在第3節(jié)中車內(nèi)進(jìn)行，在車體中間地板上固定一個(gè)三向傳感器s958，在一側(cè)座椅上固定另外一個(gè)三向傳感器s957。

（1）將選擇的地板中間和座椅中間兩個(gè)位置作為測試點(diǎn)，然后用丙酮擦拭干凈。

（2）用膠水將傳感器粘貼在測試點(diǎn)上，按著傳感器不動，直到固定牢固為止。

（3）用接線盒將三向傳感器和IMC devices數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接。將2個(gè)三向傳感器的6個(gè)接頭s957_x、s957_y、s957_z、s958_x、s958_y、s958_z分別接入IMC devices數(shù)據(jù)采集儀器上的6個(gè)通道。

（4）將IMC devices數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與電腦連接。連接好儀器，開始設(shè)置各通道變量包括采樣時(shí)間、采樣頻率、Y因子等。

（5）調(diào)試IMC devices數(shù)據(jù)采集軟件。

（6）數(shù)據(jù)存儲設(shè)置：數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)邊采邊存，存儲在筆記本電腦上。

（7）調(diào)試完成后進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)采集，預(yù)采集之后，分別采集上述3種速度工況下，2個(gè)三向加速度傳感器各軸向的加速度試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3.3 ISO2631有關(guān)數(shù)據(jù)處理及標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)

由于試驗(yàn)測得的加速度為mg-s曲線，首先在Famos里邊轉(zhuǎn)換為加速度s曲線，如圖3所示。

圖3 加速度曲線縱坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

將轉(zhuǎn)換以后各變量的加速度s曲線，導(dǎo)入Famos的一個(gè)小程序“平順性［9］隨機(jī)輸入計(jì)算”中，如圖4所示。

圖4 平順性隨機(jī)輸入計(jì)算

由上述小程序計(jì)算三種工況下，2個(gè)三向傳感器各軸向的加速度均方根值aw，如表6所示。

三向傳感器各軸向按ISO 2631標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價(jià)，結(jié)果如表7所示。

由式（3）計(jì)算各工況下總的加權(quán)加速度均方根aw，然后按ISO 2631標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價(jià)，結(jié)果如表8所示。

表6 加速度均方根值awm/s2

表7 ISO2631標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)結(jié)果

表8 ISO2631標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)結(jié)果

3.4 GB5599有關(guān)數(shù)據(jù)處理及標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)

按照GB5599評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中的計(jì)算方法，通常把實(shí)測的車輛振動加速度按頻率分解，進(jìn)行頻譜分析。這里要使用Famos軟件中的FFT函數(shù)將振動加速度由時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域，轉(zhuǎn)換后的加速度頻譜圖如圖5所示。

圖5 頻譜轉(zhuǎn)換

因?yàn)槠椒€(wěn)性指數(shù)計(jì)算公式中的頻率加權(quán)系數(shù)F（f）是分段函數(shù)，所以需要用Famos軟件中cut函數(shù)將頻譜圖按頻率進(jìn)行分段操作。接下來就是在Famos軟件里進(jìn)行編程計(jì)算。

按以上方法計(jì)算出不同工況下，三向加速度傳感器中橫向和垂向平穩(wěn)性指數(shù)，如表9所示。

表9 平穩(wěn)性指數(shù)

按照GB5599評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可得如下評價(jià)結(jié)果，如表10所示。

表10 GB5599標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)結(jié)果

4 結(jié)語

（1）本文利用ADAMS對跨坐式單軌車輛乘坐舒適性與運(yùn)行平穩(wěn)性進(jìn)行仿真模擬得到的結(jié)果是直道工況下3種速度運(yùn)行時(shí)人體感覺沒有不舒適、車輛運(yùn)行平穩(wěn)性優(yōu)；而利用Famos對試驗(yàn)研究結(jié)果的分析表明在速度為75km/h時(shí)人體感覺稍有不適，垂向平穩(wěn)性變?yōu)榱肌７抡婧驮囼?yàn)研究所獲得的評價(jià)結(jié)果大體一致。

（2）在數(shù)據(jù)值對比上，仿真數(shù)據(jù)比相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)小些。這是由試驗(yàn)所受到影響因素多，試驗(yàn)路段并非理想的直線路段，用軟件仿真軌道路面不平度也存在差異，試驗(yàn)測試點(diǎn)的布置等原因造成的。

（3）采用仿真和試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，得出重慶3號線跨坐單軌列車有著良好的運(yùn)行平穩(wěn)性和乘坐舒適性的結(jié)論更具有說服力。

［1］ ISO2631振動和沖擊對人的影響評價(jià)準(zhǔn)則［S］.

［2］ GB5599—1985鐵道車輛動力學(xué)性能評價(jià)和實(shí)驗(yàn)鑒定規(guī)范［S］.

［3］ 王福天.車輛系統(tǒng)動力學(xué)［M］.北京：中國鐵道出版社，1994.

［4］ 杜子學(xué)，王行聰.跨座式單軌車輛平穩(wěn)性仿真研究［J］.鐵道機(jī)車車輛，2009，29（5）：56.

［5］ HideyukiTakai.Asummaryofrailwayvehicleridecomfort evalutionmethod［J］.ForeignRollingStock，1996（6）：6.［6］ 劉轉(zhuǎn)華.鐵道車輛運(yùn)行平穩(wěn)性評價(jià)方法研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2007.

［7］ 馬繼兵，蒲黔輝，夏招廣.跨座式單軌交通系統(tǒng)車輛的乘坐舒適性性能測試與評定［J］.都市快軌交通，2006，19（6）：46.

［8］ 湯愛華，歐健，鄧國紅，等.汽車平順性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，22（3）：92.

Analog Simulation and Experiment of Passenger Comfort and Stability on Monorail Vehicles

Du Zixue，Yang Xujie，Zuo Changyong

The method that combines the virtual prototype simulation and test is adopted to analyze and evaluate the ride comfort and the running stability of straddle-type monorail vehicles.Dynamics simulation software—ADAMS is used to establish a simulation model of straddle-type monorail vehicle.Chongqing rail transit Line3---a straddle-type monorail is experimented as an example and Famos software is used to process the experimental data.The results of simulation and experiment all indicate that Chongqing monorail vehicles have a good performance of running stability and riding comfort.

monorail vehicle；ride comfort；stability；simulation

U 270.1+1：U 232

2013-06-26）