线路不平顺波长对提速列车横向舒适性影响
第
7卷 第1期2007年2月
交通运输工程学报
Journal of Traffic and T ransport ation Engineering
Vo l  7 No  1Feb.2007
收稿日期:2006-09-18
基金项目：四川省杰出青年学科带头人培养计划基金项目(06ZQ026-003)；西南交通大学基础科学研究基金项目(2006B14)作者简介：王开云(1974-)，男，江西萍乡人，西南交通大学副研究员，工学博士研究生，从事机车车辆-轨道耦合动力学研究。导师简介：翟婉明(1963-)，男，江苏靖江人，西南交通大学教授，工学博士。
文章编号:1671-1637(2007)01-0001-05
线路不平顺波长对提速列车横向舒适性影响
王开云1，翟婉明1，刘建新1，封全保2，蔡成标1
(1 西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川成都 610031;
2 大同电力机车有限责任公司，山西大同 037038)
摘 要：为提高列车在提速区段的乘坐舒适性，借助于现场试验测试数据，运用车辆-轨道耦合动力学理论，通过轨道随机不平顺功率谱变换得到不同波长的不平顺，研究了线路不平顺波长对列车运行平稳性及乘坐舒适性的影响及规律。分析结果表明：提速机车以150km  h -1速度在直线轨道上运行时，如果线路不平顺波长为1~20m ，则车体振动主频主要集中在2 20~4 00H z，避开了人体正常敏感频率，平稳性指标属优级；如果线路不平顺波长为20~30m，则车体振动主频降低至
1 50H z 左右，正好处于人体敏感频率范围，乘坐舒适性大大降低，平稳性指标值增加了20%多；更长的波长(大于30m )对机车运行平稳性影响较小，指标与1~20m 波长的相应值处于相同等级。可见，对于既有提速线路，必须严格控制不平顺的20~30m 波长，虽然该波段的不平顺幅值很小，但对列车在提速区段车体横向振动影响甚大。
关键词：铁道工程；提速列车；波长；不平顺；频域；横向振动中图分类号:U 211 3;U 260 11  文献标识码:A
Effect of rail irregularity wavelength on lateral running
comfort of speed -raised train
Wang Ka-i yun 1
,Zhai Wan -ming 1
,Liu Jian -x in 1
,Feng Quan -bao 2
,Cai Cheng -biao
1
(1 T raction Pow er State K ey L abor ator y,So uthw est Jiaotong U niversity,Chengdu 610031,Sichuan,China;
2 Dat ong Electr ic L ocomot ive Co.Lt d.,Dato ng 037038,Shanx i,China)
Abstract:In order to improve the riding comfort of speed -raised train,the effect of rail irregularity
wavelength on the running comfort of speed -raised train w as analyzed by means of experimental data and based on vehicle -track coupling dynamics,the irregularities with different w avelengthes were calculated from rail power spectral density.Analysis result show s that if the wavelength range is from 1to 20m,the main frequency of carbody vibration is in the scope from 2 20to 4 00Hz and the riding index of speed -raised train is excellent at a speed of 150km  h -1;if the w avelength scope is from 20to 30m,the main frequency w ill decrease to the level of 1 50Hz,which is accordable to the sensitive frequency of body,the riding comfort will reduce greatly,and the riding index w ill increase by more than 20%;the long w aveleng th is more than 30m,the riding comfort changes little,and the riding index is the same as that of medium wave range from 1to 20m.Obviously,in order to improve riding comfort of speed -raised train,much measure should be taken to control the wavelength scope from 20to 30m on existing lines.1tab,5figs,10refs.
Key words:railw ay eng ineer ing;speed -raised tr ain;w aveleng th;irr eg ularity;fr equency domain;
lateral v ibration
Author resumes:Wang Ka -i yun(1974-),m ale,asso ciate researcher,doctor al student,+
86-28-87600773,kyw ang@hom e.sw jtu.edu;Zhai Wan -ming(1963-),male,PhD,professor,+
86-
28-87601843,w mzhai@hom e.sw jtu.edu.
0 引 言
中国铁路实施第5次大提速后，客运列车行车速度最高达160km  h -1。随着速度的不断提高，列车车体的低频横向振动现象更加明显，导致运行平稳性及乘坐舒适性有所降低，从而制约列车速度
进一步提高。对于提速机车车辆横向振动问题，铁路部门许多科技人员及现场工作人员主要针对列车悬挂参数及结构优化设计作了大量的理论与试验研究[1-5]，取得了一定科研成果，并在实践中取得良好的效果及社会与经济效益。
然而，事实上仍有少数提速列车在线路上正常运行几个月后又出现横向非线性振动、乘坐舒适性急剧下降的现象。由此表明，列车横向非线性振动属铁路大系统耦合动力学范畴，这是一个在特定运营条件下(与行车速度、机车车辆悬挂参数、线路不平顺激扰等因素相关)出现的一种异常耦合相互作用，仅仅从机车车辆本身的角度进行设计与优化研究，难以深入挖掘振动根源和彻底解决此问题。本文利用对提速机车车体横向振动加速度的现场测试结果，从频域角度对其振动频率进行分析，到提速机车横向非线性振动的线路随机不平顺敏感波长，然后利用现代先进的仿真技术平台，对机车横向振动的波长范围效应进行频谱分析，进一步从理论上探明提速列车在提速区段的敏感波长，从而为铁路工务部门对线路进行养护维修提供科学依据，为机车车辆参数优化设计提供一种新的研究思路，也对中国引进200km  h -1机车车辆提供技术支持。
1 车体横向振动的试验测试结果及分析
在原西安铁路分局机务段的配合下,2004年12月西南交通大学采用先进的测试系统对Z19次列车(西安-北京西)提速机车司机室横向振动加速度进行了现场实车运行测试试验[6]。就铁道机车车辆而言，对低频成分反映突出的乘务员或乘客的位置一般是站立在地板面上或司机室的座椅下，因此，测试时加速度测点布置在司机室座椅下的地板面上，见图1。实际运行经验表明，提速列车在提速区段(
120~160km  h
-
1
)车体横向振动较剧烈，且乘坐
舒适度较其他速度下大大降低，因而，测试时速度主要集中在120~160km  h -1
范围内。图2给出了各速度等级司机室座椅下地板面横向振动加速度主要频率，图3描述了当机车运行速度为150km  h
-1
时横向振动加速度的时间历程及其频域响应。
图1 测点布置Fig.1 Disposal of meas ured point
图2 振动加速度主频Fig.2 M ain frequen cy of
vibrancy acceleration
图3 车体横向加速度测试结果
Fig.3 M eas ured result of carbody lateral acceleration
从图2可以看出，在测试速度范围内，车体振动主频集中在1 20~1 60H z 。就水平横向而言，人体
2交 通 运 输 工 程 学 报          2007年
对横向振动最为敏感的频率范围是2 00H z 以下[7]。由此表明，机车在实际线路上运行时，司机室横向振动加速度的主频与人体正常感觉是一致的，这是提速机车在提速区段横向异常振动的主要原因。
为了达到有效提高机车乘坐舒适度的目的，可采取2个对策。其一，从机车车辆角度来看，必须对其悬挂参数、结构几何尺寸、结构部件属性(包括质量和惯量)进行综合优化设计和研究，如何选择合理匹配的参数，使机车车辆的车体横向振动主频提高到2 00H z 以上，这是性能优化设计的一个关键问题和研究思路。目前，国内许多文献[1-5,8]
报道了提高机车车辆运行平稳性及舒适性的研究成果，大多数是基于时域分析方法而进行的机车车辆参数优化设计研究，忽略了车体横向振动主频的影响。第二个对策针对线路本身而言，由于线路存在各种波长成分的随机不平顺激扰，在列车行车速度确定的情况下，车体横向振动包含了多种频率，如能通过控制线路不平顺波长来控制车体横向振动主频，使其大于2 00H z，则列车的运行平稳性将得到改善。
频率、速度与波长三者之间的关系如下
f =V
式中:f 为频率/H z ;V 为行车速度/(m  s -1); 为波长/m 。
根据上式，车体横向振动主频对应的波长称为敏感波长，在120~160km  h -1行车速度下，该提速机车的敏感波长大致为20~30m 。
2 波长影响的理论分析
实际上，线路随机不平顺波长范围非常广，主要有：钢轨波浪形磨耗及接头、道岔区的不平顺短波波长(一般认为，波长小于1m)，短波波长的激振频率高，主要对轮轨相互动力作用、轮重减载及轮轨噪声产生较明显的影响，而对提速列车车体振动加速度及乘坐舒适性的影响甚微；波长介于1~20m 的中波不平顺，中波不平顺通常可以通过目前的静、动态测试技术进行测量，这种不平顺波长对提速列车的平稳
性及舒适性产生主要影响，而对行车的安全性及轮轨动力作用的影响要小些；波长介于20~100m 的长波不平顺，这种不平顺不能完全通过测试手段及技术检测出来，但长波不平顺主要对提速或高速列车运行舒适性产生影响。因此，在进行波长对提速列车运行平稳性影响分析时，忽略短波不平顺，主要考虑中长波的波长范围效应。
根据国内外关于轨道随机不平顺的研究[9-10]，结合中国提速干线的实际运用情况，采用美国AAR 标准六级轨道随机不平顺作为激扰，六级谱分析的波长可达304 8m 。提速列车的行车速度设定为150km  h
-
1
，该速度小于AAR 六级谱规定的客运
最高速度176km  h -1
，符合分析要求。
分析时，特设定波长范围为1~20、1~30、21~30、31~40和31~200m 5个级别。说明如下:1~20m 是中波长，激振频率范围为2 08~41 67H z;1~30m 的波长激振频率为1 39~41 67H z;21~30m 波长用于分析考察前面2种波长范围的具体差异;31~40m 波长范围是用于进一步研究分析该波长段对提速列车平稳性在提速区段的影响;31~200m 波长用于分析长波不平顺对列车平稳性的影响。
图4给出了不同波长范围的轨道横向随机不平顺幅值随里程变化的样本。从图4中可以看出:21~30m 波长的不平顺幅值最小，不超过3mm (图4(c));31~200m 波长的不平顺幅值最大，最大幅值接近11mm (图4(d))；波长为1~20m 及1~30m 的不平顺幅值介于前二者之间，但1~20m 波长的不平顺幅值要较1~30m 的小。另外，从图4(c)、(d)中还可发现，长波不平顺的基波比较明显，激振频率低且较为单一。
在图4中各种波长不平顺的激扰下，提速机车
以150km  h -1速度通过弹性直线轨道时车体横向振动平稳性指标、振动主频范围、振动峰值频率及加速度最大峰值的仿真计算结果见表1，图5给出了车体横向振动加速度的频域响应结果，对比图表中的数据，分析结果如下。
表1 车体横向加速度响应指标
Tab.1 Response indices of carbody lateral acceleration
3
第1期        王开云，等：线路不平顺波长对提速列车横向舒适性影响
图4 不同波长范围的横向随机不平顺
Fig.4 Lateral irregularities w ith different wavelength
es
图5 车体横向加速度频域响应
Fig.5 Frequency domain res ponse of carb ody lateral acceleration
(1)在1~30m 波长范围不平顺的激振下，提速机车的运行平稳性指标达到2 91，远大于1~
20m 波长下的相应值(2 41)，由此表明，在中波长不平顺的基础上考虑20~30m 的波长不平顺影响
4交 通 运 输 工 程 学 报          2007年
后，机车运行平稳性及乘坐舒适性急剧下降，指标增加了20 7%。如果单独考虑20~30m 波长不平顺影响，则机车平稳性指标仍然高达2 84，较中波长不平顺下的指标值要大。如果仅考虑31~40m 波长不平顺，则机车运行平稳性指标仅为2 40，与中波长不平顺处于相同水平。在31~200m 长波长不平顺的作用下，机车平稳性指标为2 50，较中波长下相应值的增幅不明显。因此,1~30m 波长不平顺激扰下提速机车运行平稳性指标最大，其主要原因是20~30m 范围波长不平顺对机车的横向平稳性产生了重要的影响。
(2)从振动频率范围来看,1~20m 中波长不平顺下车体振动主要集中在2 20~4 00H z 范围内，高于人体最敏感的上限频率2 00H z，横向振动峰值频率是2 25H z；在其余波长不平顺的激扰下，车体振动频率主要出现在1 50H z 附近，正好处于人体最为敏感的频率区域内。由此说明，若提速线路不平顺波长小于20m，则提速列车的乘坐舒适性较好。
(3)从车体振动峰值的角度来看,1~30m 不平顺下车体的振动加速度频谱幅值最大，峰值为0 14m  (s 2 H z)-1;21~30m 不平顺的次之，最大值为0 13m  (s 2 H z)-1;1~20m 中波长不平顺下的振动最小，峰值仅为0 05m  (s 2 H z)-1，是前两者的1/3左右;31~40m 波长和31~200m 波长不平顺下的车体振动很接近，最大峰值分别为0 08、0 09m  (s 2 H z)-1。由此表明，不平顺波长越长，车体振动并非越大，车体振动与列车的运行条件相关，对于本文计算，车体横向振动最大峰值出现在1~30m 波长范围的条件下，在1~20m 条件下的振动是最小的。
3 结 语
本文通过现场试验及数据分析后发现，提速机车在提速区段车体横向振动对线路的某个范围波长非常敏感，其振动主要频率正好在人体敏感频率范
围内。因此，从理论上进一步研究和讨论不平顺波长对提速列车平稳性的影响，结果表明，对于既有提速线路，必须严格控制不平顺的20~30m 波长，虽然该波段的不平顺幅值很小，但对列车在提速区段车体横向振动影响甚大，因此，尽可能通过维修手段或技术措施使之完全消失。对于高速列车，必须结合具体运行工况进行耦合动力学仿真计算分析，
到类似提速列车的敏感波长。
总而言之，本文打破传统的机车车辆参数优化设计的研究方法，从耦合动力学角度，探明了线路不平顺波长对提速列车在提速区段的运行平稳性及乘坐舒适性的影响，为今后进一步开展提速机车车辆参数、高速列车运行品质及适应性、线路养护维修等研究，提供新的思路。参考文献:References :
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