轨道车辆运行平稳性评价算法一致性分析.pdf
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1、第 51 卷第 9 期2023 年 9 月同济 大 学 学报(自然科学版)JOURNAL OF TONGJI UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE)Vol.51 No.9Sep.2023论文拓展介绍轨道车辆运行平稳性评价算法一致性分析张展飞,周劲松,孙文静,宫岛,王腾飞(同济大学 铁道与城市轨道交通研究院,上海 201804)摘要:国内外轨道车辆运行时振动相关舒适性评价基于ISO2631-1、UIC513以及GB/T 5599标准,其中我国广泛采用的GB/T 5599-2019规范中的Sperling指标算法,将采样时间由1985版本的1820 s缩短为与UIC513标准相同的
2、5 s,引起相同测试数据的平稳性指标结果增大的问题。分析上述三种运行平稳性及舒适性指标算法,通过车辆线路实测数据与仿真数据相结合,研究不同算法关于采样时间长度的指标一致性及其机理,采用频率分辨率量化了非平方加权谱由于时频能量转换不对应导致的指标结果不稳定现象,基于此提出相应的平稳性指标一致性修正算法。结果表明:ISO2631-1与UIC513标准算法基于振动数据时频域转换的能量对应性,其计算结果与采样时间长度不相关,而GB/T 5599中采用的频域立方值算法因不满足能量一致性原则,在栅栏效应和能量泄露的影响下,缩短采样时间使得加速度频谱幅值增大,进而引起运行平稳性指标增大。提出的基于统一频率分
3、辨率的平稳性指标一致性修正算法,并经动力学仿真数据验证有效,这为完善轨道车辆动力学分析与测试中振动舒适性的相关算法与评估限值制定提供理论依据。关键词:轨道车辆;运行平稳性;频率分辨率;Sperling指标;指标一致性中图分类号:U270.1文献标志码:AAnalysis of Consistency of Ride Quality Evaluation Algorithm for Railway VehiclesZHANG Zhanfei,ZHOU Jinsong,SUN Wenjing,GONGDao,WANG Tengfei(Institute of Rail Transit,Tongji
4、 University,Shanghai 201804,China)Abstract:The evaluation of ride comfort of railway vehicles related to vibration is mainly based on the standard of ISO 2631-1,UIC 513 and GB/T 5599.Among them,the Sperling index algorithm in the GB/T 55992019 specification widely used in China shortens the sampling
5、 time from 1820 s in the 1985 version to 5 s,the same as the UIC513 standard,which results in an increase in the index result from the same test data.The algorithms of the three standards for ride quality or ride comfort were analyzed with the measured data and the simulation data to study the index
6、 consistency about the sampling time and the mechanism.Then the frequency resolution was used to quantify the instability of the index results caused by the weighted spectrum with non-square value due to the mismatch of time-frequency energy conversion.Based on this,the corresponding correction algo
7、rithm of ride quality consistency is proposed.The results show that the algorithms in the standards ISO 2631-1 and UIC 513 are based on the energy correspondence of time-frequency domain conversion of vibration data,whose ride comfort results are not related to the sampling time length.However,the c
8、ube value algorithm in the frequency domain adopted in GB/T 5599 does not meet the energy consistency principle.With the influence of the fence effect and energy leakage,shortening the sampling time increases the amplitude of the acceleration spectrum,which leads to an increase in the ride quality i
9、ndex in turn.The consistency correction algorithm of ride quality index based on the unified frequency resolution proposed in this paper was validated by the dynamic simulation data,providing a theoretical basis for improving the vibration comfort related algorithms and evaluation limits in vehicle
10、dynamics analysis and testing.Key words:railway vehicle;ride quality;frequency resolution;Sperling index;index consistence 由于轨道不平顺与轮对失圆等激励的存在,轨文章编号:0253374X(2023)09-1442-08DOIDOI:10.11908/j.issn.0253-374x.22146收稿日期:2022-04-02基金项目:上海市青年科技英才扬帆计划(20YF1451100),上海市自然科学基金(21ZR1467100)第一作者:张展飞(1997),男,博士生,
11、主要研究方向为铁道车辆系统动力学与控制。E-mail:RW19T通信作者:孙文静(1989),女,助理教授,硕士生导师,工学博士,主要研究方向为轨道交通振动与噪声。E-mail:第 9 期张展飞,等:轨道车辆运行平稳性评价算法一致性分析道车辆在运行时总会伴随着振动,导致诸如结构疲劳、噪声与轮轨异常磨耗等问题1-2。对于客运列车而言,基于车体加速度是评价车辆运行平稳性或人体振动舒适性的主要方法3-6,考虑到人体对不同频率振动的敏感程度,对实测加速度进行频域加权后获得7,其中ISO 2631-1 8采用时域加速度的计权均方根评价人体振动舒适性,对采样时间未有明确要求。在此基础上,国际铁路联盟提出了
12、UIC 513标准9,采用三向计权加速度均方根进行评定,并且规定每段数据采样时间为5 s,同时提出了以50%或95%的 置 信 点 作 为 最 终 评 价 值。Helberg 与Sperling在进行了大量试验后提出了Sperling运行平稳性指标算法10-11,该算法忽略了纵向振动,分别计算与评价横向与垂向的平稳性指标,在我国广泛应用 12-13。该指标可通过时域与频域计算,在算法上又分为均方法与立方法14,Deng15通过仿真数据分析得到均方频域算法与均方时域算法是等效的,而立方频域算法在采样时间变化时,得到的评价指标结果不同。Sperling运行平稳性指标的均方时域算法或均方频域算法应用
13、较少,而我国轨道车辆动力学试验标准GB/T 559912-13目前采用的正是立方频域算法。在旧标准GB/T 55991985中,规定采样时间为1820 s,而在2020年7月生效的新标准GB/T 55992019中,为了与UIC513标准采样时间相同等原因,将采样时间缩短为5 s。近期研究表明根据运行平稳性算法,随着车辆振动采样时间越短,计算出的指标更大。姜威等16采用两个版本标准计算了相同加速度的平稳性指标,发现新标准得到的指标峰值与均值均比1985版本大。戴源廷等17使用GB/T 5599标准评价非稳态冲击,结果表明采用2 s计算的指标整体上远高于采用20 s计算的指标结果。戴 焕 云18
14、分 析 了 GB/T 5599 标 准 与 原 始Sperling算法中加速度加权曲线的差异,发现平稳性指标不能由加权加速度直接换算,但并未涉及采样时间的影响。在GB/T 55992019这一新标准颁布后,由于采样时间减小而引起平稳性指标增大的现象引起关注。依据GB/T 14849200519标准要求,地铁车辆型式试验的运行平稳性指标应低于2.5,同样列车振动数据依据1985版本标准评价为合格,然而根据 2019 标准要求,则难以达标。Jiang20将ISO2631-1、UIC513以及GB/T 5599评价方法进行分析比较,但并未分析采样时间导致平稳性指标差异性的机理。本文基于某地铁车辆振动
15、测试结果,对比国内外各种振动平稳性与舒适性评价指标算法与判定标准,基于信号频谱转换的时频能量对应性原理分析立方频域算法关于采样时间的不一致性的产生机理,并提出基于统一频率分辨率的等效运行平稳性指标修正算法,建立整车仿真模型计算车体振动加速度,验证一致性修正平稳性算法的有效性。1 车辆平稳性指标测试评价方法 1.1轨道车辆平稳性测试评价算法对比如上节所述,轨道车辆振动舒适性可采用ISO 2631-18人体振动舒适性评价指标算法来进行评价,其计算公式如式(1)所示:av=k2xa2wx+k2ya2wy+k2za2wz(1)式中:awx、awy、awz分别为纵向、横向、垂向的加权加速度均方根值;kx
16、、ky、kz分别为三个方向的加权系数,评价站立舒适度时均为1。而UIC 513标准9中的乘坐舒适性指标算法的计算公式,如式(2)所示:NMV=6()aWdXP952+()aWdYP952+()aWdZP952(2)式中:aWdXP95,aWdYP95,aWdZP95是95%置信度下的三向加权加速度均方根值。我国GB/T 5599标准12-13中规定的Sperling指标计算方法为 Wi=3.57a3ifiF()fi10W=()iW10i0.1(3)式中:fi为频率,Hz;ai为fi频率处的加速度幅值,m s2;F(fi)为频率fi的加权函数。将式(1)、式(2)与式(3)比较可知,ISO263
17、1-1与UIC513标准计算时采用的是时域振动加速度的平方项,称为均方时域算法,而GB/T 5599标准计算采用的是其频域立方项,称为立方频域算法。对比分析上述轨道车辆运行平稳性与舒适性指标的频率加权函数8-9,12-13,其中GB/T 5599加权函数定义为与其余两指标相似的对于每个 ai的加权函数,为(F(fi)/fi)1/3,结果如图1所示。由于上述车辆振动舒适性与平稳性评价判定标准也不相同,具体如表1所示,因此无法根据加权曲线在同一频率处的值对比三种算法,但仍可分析三种算法的频率敏感性。由图可见,三种评价指标的频域加权1443同 济 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第 51 卷曲线
18、各不相同,针对横向振动,ISO2631-1和UIC 513主要考虑1 Hz附近的低频振动,GB/T 5599的加权函数峰值则在较高频的5.4 Hz;针对垂向振动,三种的加权峰值相近,均为6 Hz左右,但ISO2631-1和UIC 513在峰值频率之后的加权系数要大于GB/T 5599,而后者对于0.56 Hz间频段的加权系数明显大于前者。1.2基于实测数据的各算法指标分析对某地铁车辆进行运行平稳性测试,测试时据GB/T 5599标准要求,将加速度传感器安置于车辆前、后转向架上方偏移车体横向中心线1 m处地板上。传感器量程为5 g,采样频率设置为2 560 Hz,以车辆运行在4个站台间不同方向的
19、车体振动测试为例,在运行时车体的垂向与横向振动加速度较大,纵向振动加速度较小,因而运行平稳性指标针对横向与垂向进行评价。基于上述三个典型区间的实测加速度数据,依据标准分别计算各项平稳性与舒适性指标,如图2所示,计算分析区间内各指标平均值和最大值统计分别如表2所示。其中GB/T 5599依据标准分别采用采样时间5 s和20 s进行分析,ISO 2631-1和UIC 513标准亦采用同样的两种采样时间作为对比。由图2可知,以ISO 2631-1标准进行平稳性评估时,所有指标均为最优级别,以UIC 513指标进行评估时,结果为好的舒适性,但是依据GB/T5599标准的1985版本与2019版本进行评
20、估时,则出现了不同的结果。GB/T 55992019标准的全程指标计算结果平均高于其1985标准,在1985标准体系下,车辆运行平稳性全程为优,但在新标准体系下,车辆运行至区间中部时横图1各平稳性算法的频域加权函数Fig.1Weighting function of ride quality algorithms表1各平稳性与舒适性算法的评价判定标准Tab.1Evaluation criteria of ride quality algorithmsav/(ms-2)2ISO 2631-1没有不舒适稍有不舒适相当不舒适不舒适非常不舒适极端不舒适NMV/(ms-2)5UIC 513很好的舒适性好
21、的舒适性一般的舒适性差的舒适性很差的舒适性Sperling指标W3.00GB/T 5599优良合格不合格图2车辆平稳性指标分析结果比较Fig.2Comparison of ride quality indexes1444第 9 期张展飞,等:轨道车辆运行平稳性评价算法一致性分析向平稳性仅为良,甚至出现超过2.75的评价结果,此时已超过GB148492006标准对地铁车辆的2.5限值要求。由表2可知,采样时间为5 s时,ISO 2631-1和UIC 513虽指标离散程度更大,但仍是围绕采样时间为20 s的指标曲线波动,指标平均值保持稳定。考虑到轨道条件的随机性,较短采样时间算得的指标具有更强的离
22、散性是正常的。而GB/T 5599分析中,更短的采样时间除指标离散程度不同外,还导致了指标整体偏大不合理现象,平稳性指标用于评价车体振动强度,应与采样时间无关。针对该新旧指标关于采样时间的结果不一致现象,下章将对不一致性的产生机理进行探究,并在第3章进一步提出相应的修正算法以解决该问题。2 平稳性指标算法关于采样时间差异性分析2.1采样时间对运行平稳性指标影响首先,建立轨道车辆动力学模型,通过仿真得到平稳的时域加速度数据用于平稳性指标分析,分别选取2.525 s作为不同的采样时间分析段,图3a、图3b与图3c所示分别为车体振动加速度时域结果、不同采样时间下的车体横向振动加速度频谱与功率谱密度。
23、由图3可见,不同采样时间下相应的采样间隔频率也不同,其频谱图幅值随着采样时间与采样间隔频率的变化而变化,而功率谱密度函数代表车辆的振动能量,保持不变。基于图3中所示的数据,分别计算不同平稳性指标与采样时间的关系,其中各Sperling运行平稳性指标取横向结果,如图4所示。由图4可知,ISO指标、UIC指标对不同采样时间获得的评价指标均具有较好的一致性,计算结果不随着采样时间变化而变化,但GB/T 559912-13中采用的立方频域算法则随着采样时间增大而减小,相同振动能量下该算法对于不同采样时间获得的评价指标是不一致的。表2车辆平稳性指标分析结果平均值比较Tab.2Comparison of
24、mean value of ride quality indexesT=5 sT=20 s相对差值/%ISO指标0.1410.1410.28UIC指标0.6440.6460.31GB/T 5599横向1.801.715.39GB/T 5599垂向1.601.515.60图3车体振动加速度频域分析结果Fig.3Spectrum analysis of carbody acceleration图4不同采样时间下的各评价指标比较Fig.4Comparison of ride quality indexes of different sampling times1445同 济 大 学 学 报(自 然
25、科 学 版)第 51 卷2.2平稳性算法评价结果差异性机理分析平稳性试验中,加速度信号由数据采集卡转换为数字信号后由计算机存储,而后通过傅里叶变换转换至频域,进行平稳性指标分析。由于测试获得的为有限离散点数据,进行离散傅里叶变换进行信号处理时,频率分辨率f可表示为f=FsN=1T(4)其中:Fs为采样频率;N为采样总点数;T为采样时间,N=TFs。由式(4),离散傅里叶变换中,谱线将仅出现在频率分辨率f的整数倍上,即栅栏效应,未在f整数倍上的谱线则会按照能量不变的原则被分配到相近的f整数倍位置上,产生能量泄露21。图5是栅栏效应和能量泄露对于周期信号的一个清晰示例,时域信号采样频率为 100
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