（道路与铁道工程专业论文）基于旅客舒适度的高速铁路线路参数研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 高速是我国铁路现代化的一个重要发展方向。大力发展高速铁路的同时， 应确保列车运行品质不随速度的提高而降低。如何通过线路设计参数的合理 匹配来达到提高旅客舒适度的目的，则是高速铁路的重要研究课题之一。 本文分析总结了舒适度在国内外的研究现状和发展概况，论述了旅客舒 适度理论，比较分析了舒适度的影响因素，确定了运行平稳性是最主要的影 响因素；分析了舒适度的评价指标体系和评价标准，论证了国际标准i s 0 2 6 3 1 是适用于我国高速铁路旅客舒适度评价的。 探讨了高速铁路主要设计参数的研究方法，如最小平曲线半径、缓和曲 线线型及长度、竖曲线半径等参数的确定原则和方法，并分析总结了困难情 况下竖圆曲线重叠设置条件，为标准半径的竖曲线与不小于各档速度的最小 半径的圆曲线重叠设置。 分析了车辆、线路轨道系统的结构特点及其相互作用关系，借鉴车一线 耦合系统动力学模型，分析计算了在不同速度条件下高速铁路平纵断面设计 参数的舒适度指标值，提出了符合i s 0 2 6 3 1 舒适度标准要求的参数建议值； 编写了线路舒适度综合评价程序对设计参数建议值的舒适度动力学影响进行 了评价，验证了本文选取的设计参数建议值的合理性。 关键词：高速铁路；旅客舒适度；线路参数 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 a b s tr a c t h i g h - s p e e di so n eo ft h em o s ti m p o r t a n td e v e l o p m e n td i r e c t i o n so f r a i l w a ym o d e r n i z a t i o n i nc h i n a w i t ht h eg r e a td e v e l o p m e n to f h i g h - s p e e dr a i l w a y ，i ti su r g e n ta n dv i t a lt oe n s u r et h eq u a l i t ya n d t h ec o m f o r t a b ili t yo ft h ec a r r i a g e ，w i t ht h es p e e d i n g u po ft h e t r a i n t h e r e f o r e ，t h es t u d yo nr a t i o n a ls e l e c t i o no fr a i l w a yl o c a t i o n d e sig np a r a m e t e rb a s e do np a s s e n g e rc o m f o r tiso n eo ft h eb a si c r e s e a r c hs u b j e c t so fh i g h s p e e dr a i l w a y t h et h e s i sf i r s t l ys u m m a r i z e st h ec u r r e n t l y d o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a lr e s e a r c h e so nt h ep a s s e n g e rc o m f o r to fr a i l w a ya n da l s o t h es i t u a t i o no fd e v e l o p m e n tp e r t i n e n tt ot h ei s s u e i ti sc o n f i r m e d t h a t s t a i o n a r i t y i st h em o s t p r i m a r y i n f l u e n c ef a c t o r o n c o m f o r t a b i l i t y ，b yd i s c u s s i n gt h et h e o r yo fp a s s e n g e rc o m f o r t w i t h i n v a r i o u se v a l u a t i o nc r i t e r i o n s ，t h es t a n d a r do fi s 0 2 6 3 1i sd e m o n s t r a t e d s u i t a b l ef o rc h i n e s eh i g h s p e e dr a il w a y t h i sp a p e ra n a l y z e st h er e s e a r c hm e t h o do nm a i n1 0 c a ti o nd e s i g n p a r a m e t e r so fh i g h s p e e dr a i l w a y li n e ，s u c ha sm i n i m u mr a d i u so f c i r c u l a rc u r v e ，t y p ea n dl e n g t ho ft r a n s i t i o nc u r v ea n dr a d i u so f v e r t i c a lc u r v e i ti sa s c e r t a i n e dt h a tt h eo v e r l a pc o n d i t i o n o f v e r t i c a la n dc i r c u l a rc u r v e sist h eo v e r l a pa m o n gv e r t i c a lc u r v e so f s t a n d a r dr a d i u sa n dc i r c u l a rc u r v e so fg r e a t e rt h a nm i n i m u mr a d i u s u n d e rd i f f i c u l ts i t u a t i o n s t h e n ，b ya n a l y z i n gc o n s t r u c t i o nf e a t u r e sa n di n t e r a c t i o nb e t w e e n v e h i c l ea n dt r a c k ，t h ea u t h o ru s ead y n a m i cm o d e lo fv e h i c l e 呵r a c k c o u p li n gs y s t e mf o rr e f e r e n c e b a s e do nt h em o d e l ，c o m f o r ti n d e xv a l u e o fd e s i g np a r a m e t e r si nt h e p l a n e a n dl o n g i t u d i n a ls e c t i o no f h i g h s p e e dr a i l w a y i sc a l c u l a t e du n d e rf o u r c o n d i t i o n s ， a n d r e c o m m e n d e dv a l u ei na c c o r dw i t hi s 0 2 6 3 1i sp u tf o r w a r d i nt h ee n d ， t h e r a i l w a yc o m f o r t a b i l i t yc o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o np r o g r a mi s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 c o m p i l e dt oe v a l u a t et h ec o m f o r td y n a m i ci n f l u e n c eo ft h er e c o m m e n d e d p a r a m e t e rv a l u e ，p r o v i n gt h er e c o m m e n d e dv a l u er a t i o n a l k e yw o r d s ：h i g h s p e e dr a i l w a y ；p a s s e n g e rc o m f o r t a b i l i t y ； l o c a t i o nd e s i g np a r a m e t e r 西南交通大学曲南交通大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书： 2 不保密亩，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 一) 学位论文作者签名：z 札础硼 日期： 俨g 舛c 噜吣 耄要老师签名：移路 日期： 力叼扩，主，年 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中作 了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 、比较分析了舒适度的影响因素，确定了运行平稳性是最主要的影响因素。 2 、分析了舒适度的评价指标体系和评价标准，论证了国际标准i s 0 2 6 3 1 是 适用于我国高速铁路旅客舒适度评价的。 3 、分析计算了在不同速度条件下高速铁路平纵断面设计参数的舒适度指标 值，提出了符合i s 0 2 6 3 1 舒适度标准要求的参数建议值。 4 、编写了线路舒适度综合评价程序对设计参数建议值的舒适度动力学影响 进行了评价，验证了本文选取的设计参数建议值的合理性。 学位论文作者签名： 日期：1 p8 纫莎厨j ；p 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 铁路运输是我国主要的运输方式，在我国国民经济中起着举足轻重的作 用。在2 1 世纪，中国铁路将逐渐跨入以“高速客运、重载货运 为特征的新 时期。随着铁路现代化的发展，传统的运输系统将不断面临许多新难题：行 车速度越高，安全问题越显突出，车辆在行驶过程中产生振动，影响了车辆 运行的平稳性，对乘客乘坐的舒适性和安全性以及货物的完整性造成影响。 由于我国的特殊国情，旅客大部分是选择铁路交通来实现中远距离出行到达 目的地，因此铁路旅客乘坐的舒适性是非常重要的。对铁路旅客舒适度进行 分析研究有利于我们掌握铁路线路和车辆的运行状况，提高旅客乘坐舒适性。 自2 0 世纪6 0 年代以来，世界范围内高速铁路的蓬勃发展，对车辆一线 路系统动力学的研究内容在深度和广度上都提出了新的要求。1 9 6 4 年日本的 高速铁路新干线投入运行以后，许多国家竞相修建高速铁路，目前开行时速 2 0 0 k i n 以上的国家主要仍为欧洲国家，也有不少国家正在筹建高速铁路。发 达国家中，西欧的高速列车的成就尤其令人瞩目。德国的城际特别快车i c e 的最高试验速度于1 9 8 8 年达到4 0 7 k m h ，目前其运行速度达2 5 0 k m h 以上。 法国的高速列车t g v 大西洋线的最高营业速度达3 0 0 k m h 以上，并且它于 1 9 9 0 年创下了当时的5 1 5 3 k m p a 的世界记录i l 】；2 0 0 7 年4 月，法国高速电气 机车在行驶试验中时速达到5 7 4 8 公里，打破了1 7 年前该国创下的有轨铁路 行驶速度世晃纪录。在我国，2 0 0 8 年6 月2 4 日，自主研发的c r h - 3 型动车 组在京津城际铁路上创造了3 9 4 5 k m h 的“亚洲第一高速 1 2 l 。毋庸质疑， i c e 、t g v 和c r h 是当今铁路高科技的典范，而它们的成功，同样也是经过了 科学工作者们的辛勤的工作而产生的。 高速铁路的迅速发展，对旅客舒适度提出了更高的要求。 1 2 国内外旅客舒适度研究现状及发展概况 对于车辆运行平稳性和乘坐舒适度的检测和评价，国际化标准组织i s o 和国际铁路联盟u i c 分别制定了相应的标准，日本、美国、西欧国家和前苏 联经过专门研究，特别是通过大量实验，在国际标准的基础上进行了修订， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 制定了适合本国应用的具体方案。我国国家标准局和铁道部也制定了相应标 准，即g b 5 5 9 9 8 5 和1 b 肥3 6 0 9 3 ，这两个标准的制定为铁道车辆动力学性 能的评定提供了依据，在我国铁道事业中起着极大的推动作用。但是由于制 定时间己久，加之当时的水平有限，所以该标准具有一定的缺陷和局限性， 已不能完全适应现在飞速发展中的铁路事业。当今世界各国的铁路客车运输 己经走进了高速化、人性化的新时代，一些旧的标准己不再适合对当今铁道 车辆运行平稳性和舒适性的评估，因此，世界主要国家都在通过大量的实验 和实际铁路运输中得出的经验结果来对旧的标准进行修订和改正。随着行车 速度的不断提高，货车荷载的逐渐增大，车辆与轮轨道路设施之间的动力相 互作用也变得更加复杂化，这些都使舒适度评定面临着更严峻的考验。而伴 随着国家经济的发展，科技的进步，人们生活的日益改善，大家出行的时候， 在交通工具的舒适度、平稳性以及安全性上，要求也越来越高。目前，国外 一些交通发达国家十分重视在载荷作用下车辆轨道结构性能的研究工作，他 们主要采取理论分析和数值计算、模型实验和现场测试等方法进行研究，取 得的研究成果大大促进了本国交通土建结构工程的发展。我国目前在这些方 面也加大了投入，一些铁路高等院校与研究机构合作，在许多方面都已取得 了很大突破和进展。 人们在乘坐车辆时，振动往往会让人感到不舒适，研究表明，车辆处于 振动时，不仅会让人感觉到疲倦，而且还会引发人体内部器官及全身组织与 外界共振或谐振的可能。而随后的研究又表明，只要能确保振动品质满足人 的舒适度要求，那么，工程应用的其他要求便不足为虑了。所以说，事实上 舒适性和平稳性是一致的，这也就是在交通运输工具中，一直沿用舒适度指 标作为运行平稳性指标的原因。回顾历史，在所有运输机械中，最早进行舒 适性研究的是汽车工业。德国的h r e i t e r 和f t m e i s t e r 对一般情况下的 人体对振动的敏感性进行过研究，而在6 0 年代之后，美国的f p r a d k o 和 r a l e e 以及英国的v a nd e u s e n 则把舒适度研究推广到了振动的客观效应 和人的主观反应之间的联系方面，他们的研究直接针对所有的运输车辆，试 图给出评定振动品质的标准限度【3 1 。最早对铁路进行舒适度研究的则是德国 的e s p e r l i n g 和法国的m m a u j i n ，再后来，英国的j c l o a c h 在前人 的研究基础上，将舒适度的研究发展到了一个新的台阶。 经过世界各国研究人员的努力，国际标准化组织i s o 综合了过去大家的 研究成果，颁布了振动的评定标准。此草案在1 9 7 4 年提出之后，经成员国审 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 批，于1 9 7 8 年定稿，大多数国家，包括许多铁路事业发达的国家，都采用了 该标准。评定人对振动的响应，可分为两个分阶段目标。一是为了提供评价 车辆振动的标准，即是车辆振动对于路面谱的响应必须是平稳的、可控的。 在此基础上，最终目标是根据车辆运行的客观测量结果建立起走行品质的数 值标准。 当今世界铁路运输业蓬勃发展，中国铁路交通发展迅猛。在2 1 世纪，中 国铁路逐渐跨入以“高速客运、重载货运 为特征的新时期。随着铁路现代 化发展，传统的运输系统将不断面临许多新难题：行车速度越高，安全问题 愈显突出；既要保证高速列车不倾覆、不脱轨，又要保证机车车辆运行平稳、 舒适；车辆在运行过程中产生各种振动，影响旅客乘坐的舒适性和装运货物 的完整性。列车通过桥跨结构时，将使结构产生横向及竖向挠度，从而引起 梁端的转角，使相邻跨或桥跨与桥台相接部位的线路不能平顺，车辆通过该 部位时，就受到激振，造成旅客不舒适甚至行车不安全。有些桥梁，列车通 过时侧向晃动剧烈，影响列车平稳运行，列车限速过桥，使铁路运输能力不 能充分发挥。另外，轨道的不平顺、车辆的蛇行运动都会引起车辆的振动。 然而在对平稳性和舒适性的评价方法上，国际上却没有统一的标准，欧洲推 行使用舒适度指标，日本使用的则是以j a n e w a y 舒适度系数j 标准，法国国 铁采用疲劳时间作为评价指标。为了与国际接轨，我国铁路行业也借鉴采用 国际标准组织的i s 0 2 6 3 1 和欧洲的u i c 5 1 3 作为舒适度的评定准则。 下面介绍历史上对平稳性和舒适性的相关研究。 1 2 1 国外研究方法概述 国外早期的研究采用感觉的直观判断。其方法是，用在车辆上的测试人 员对两辆车进行比较，或者用六角形笔状物计算在平面上直立不倒的时间， 或者监视一满杯水的动态，或者以机械式加速度记录作为辅助，依靠表面现 象进行观测。事实上，这些方法都不完善，在早期，使用比较完善的方法作 研究的是法国的m m a u j i n 和德国的e s p e r l i n g 。m m a u j i n 采用的研究方 法是利用加速度仪在路况条件相差不大的线路上记录加速度值，在加速度 频率图上每一次测试得到的一个点，在该点处标明人的直观判断。经过无数 次的试验之后，我们便得到了许多点，然后用概率统计方法画出一组等舒适 感觉的曲线。而e6 p e r l i n g 采用的方法是用坐在台架上的人进行单独的试验。 人在台架上受到正弦运动的激扰，并且评价他们感受到的不舒适程度。根据 台架运动的振幅和频率绘制加速度频率曲线图，并标注出入的感觉判断，经 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 过一系列的试验之后，便可得到等舒适度曲线。下面，对历史上早期对平稳 性和舒适性进行相关研究的人及其方法和研究成果进行简要的叙述1 4 j 。 1 l o a c h 的研究。 l o a c h 认为，造成人体不舒适的主要原因不是加速度的绝对值，而是在 激扰频率下的加速度变化。他的研究在1 9 5 7 年由o r e 批准。另外，在铁路联 盟( u i c ) o r e 成立之后，m a u j i n 和s p e r l i n g 共同比较了他们各自的研究结果， 发现有较好的一致性。而l o a c h 则把他们两人的试验结果整理成图1 - 1 的平 均曲线，当频率相同时，同一等舒适曲线的垂向加速度是横向加速度的2 倍，人对横向振动具有更敏感的反应。 囊趋鼍曩 一阿簟t 翠 图卜1l o a c h 的等舒适度曲线 由上图可知，当频率为5 h z 时，人的不舒适感觉将会加强，此时，其容 许的加速度最小。因此，为了让乘客感到舒适，我们不希望出现5 h z 以上的 振动，除非特别需要考虑底架或车体中部的弯曲振动。同时，为了对不同的 试验数据进行比较，l o a c h 试图把车辆运行试验所得到的数据，转换成一般 旅客在车辆上产生疲劳之前的时间量。即是说，假如某车辆的疲劳时间量我 们估计为5 h ，那么意思就是说，车上旅客经过5 h 的旅行后，将会有厌倦感 觉出现，将会感到不舒适。l o a c h 还将上两图归纳成为下面的代数式： 七一y ， ! 厂一5 2 ) 2 + 2 4 8 一，l ! ，一5 2 ) 2 2 4 8 ( 1 - 1 ) 上式中：，一垂向加速度振幅； y ，一横向加速度振幅； 厂一频率( h z ) 。 l o a c h 在试验后的计算中，采用分段平均频率的方法，把两图的等舒适 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 度点表示为等疲劳曲线，这样做，便可改善换算时间量的疲劳估计。同时， 他把每一分段的示波图看作是有近似相同的频率。这样，每一分段对应的线 路长度z ：为： l i 一协f 2 f , ( 1 2 ) 上式中：y 一运行速度( m s ) ； 万；一速度的峰值数； 五一平均频率( h z ) 。 这些长度，；的总和即为试验区段的线路总长z 。 假设每一分段示波图上的峰值加速度为，。、，：、y 3 ，根据所确定的 平均值作为零线，以零线分割的半周期作为时间间隔，并把每半周期的振幅 视为近似的正弦。这时，若加速度振幅的增量为 ，则加速度的峰值数分布 为： 落在0 和r 中的有1 ，个； 落在，和2 ，中的有1 ，个； 、 落在2 a f 和3 y 中的有如个。 如把加速度振幅表示在振幅间距的中心处，则可以列出如表1 - 1 的分段 组成。 表1 - 1加速度振幅的分段组成 加速度振幅的域值区号平均加速度振幅分布数频率所包括的线路长度 1 y 1 = ，2 n 11 l 一1 , 1 l 2 f , 2 ) ，2 = 3 a y 2刀2厂21 2 一明2 2 f e 3 ，3 = 5 ，2以3，31 3 。v 1 3 2 厶 上表构成了一个连续样本记录的数值分析，它具有不同的频率和不同的 加速度振幅值。l o a c h 的研究是1 9 3 0 - 1 9 5 8 年期间研究成果的继承和发展， 也可以说是对前期多人研究的一个小总结，故而具有一定的可行性。 2 h r e i h e r 和f g m e i s t e r 研究。 在1 9 3 1 年，这二人在人对振动的敏感性文中，介绍了一种方法j 在 3 7 h z 的垂直正弦振动条件下，使1 0 位测试者站立，然后在试验线路上行 车一段时间，测试这1 0 人对振动的敏感度，从而得出舒适度范围。而在1 9 3 5 年，f g m e i s t e r 用相似的方法，也进行了测试。他用了1 5 个站立的人， 在行车路线上持续8 分钟以内，并且以1 7 0 h z 的频率范围，进行了试验。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 这二人经过试验，得出以下舒适度范围，如下表1 2 所示。 表1 - 2 r e i h e r 和_ e i s t ：e r 的走行品质指标 走行品质 o1 o2 o3 04 05 0 r e i h e r 和 显著，但仍轻微不舒适， m e i s t e r 的 难以察觉可察觉 较舒服 让人烦躁 不舒适很不舒服 评定标准 3 h m j a c k l i n 和g j l i d d e l l 的研究。 1 9 3 3 年，这二人在他们共同的著作走行舒适度分析中，采用的试验 方法是用年龄在1 7 - - - 2 7 岁之间的1 0 0 个硬坐席上的人作试验，并且用1 7 h z 正弦振动对这1 0 0 个人进行激扰，然后用能感觉到、有一定影响、感觉不舒 适三个级别来表示。他们也根据自己的研究绘制出了等舒适度曲线图1 2 如 下： ：一j ，r 、 藿 o t 一 ；。4 ，一_赢 图1 - 2j a c k i n 和l i d d e i i 的舒适度标准曲线 同时，h m j a c k l i n 对横向振动还规定了以下限度： 在0 - - - 0 8 h z 这一段频率中，振动的加速度和走行品质指标是成比例的， 极限值为o 1 9 ； 在0 8 4 h z 的频带中，单位时间内的加速度变化和走行品质指标成比 例，极限值为o 5 9 s ； 在4 - - 2 0 h z 频带中，加速度和走行品质同样成比例，但极限值为0 0 2 9 。 4 d d i e c k m a n n 的研究。 1 9 4 7 年，d d i e c k m a n n 发表了垂向机械振动对人的影响一文，在 他的研究中，其品质常数k 用数学式子表示为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 k - a f 2 ( 等加速度水平)o h z f 墨5 h z k - 5 巧( 等速度水平)5 h z f 墨舭 k 一2 0 4 ( 等位移水平) 4 删2 f 墨2 0 0 h z 式中a 为位移，厂为频率，根据以上的表达式子，他还规定了走行品质 的评定标准，如下表1 3 ： 表1 - 3 0ie c k m n n 的走行品质指标 走行品质指标相对评定 k = o 1 1 不可察觉一轻微不适 k = l - - 一1 0 在一小时中，其疲劳时间从轻微不舒适一不舒适 k = 1 0 - 1 0 0 在一分钟内，疲劳时间从不舒适一非常不舒适 d d i e c k m a n n 在研究过程中，分析了人对振动响应时包括的垂向和横 向两个不同的参数，这是一大进展。在他试验时，首先他把人体响应理解为 横向效应和走行感觉的量值随频率而变化。d d i e c k m a n n 的垂向特性指的 是对于一个已知的频率，走行感觉的量值改变要和振幅水平相一致，他认为 感觉的数量变化是因为振动强度而引起的。 5 r n j a n e w a y 的研究。 在对前人的研究进行分析总结之后，他于1 9 4 8 年发表了关于载客车辆 的振动限度一文。事实上，他本身并没有做出很大的研究工作，可是他的 这篇论文在当时却具有巨大的意义原因在于他对前人的研究成果进行了线 性近似分析，从而使原来较为复杂的研究试验变得简单，变得容易理解，并 且不必依赖图解便可计算，对客车振动限度提出了很好的建议。他的分析结 果和d d i e c k m a n n 的结果大相径庭，其走行品质的计算方法如下： j i l l l o 6 f 2 u 如 fs6 h z j - a f 26 h z 厂量2 0 h z j l i b2 0 a f 2 0 h z fs6 0 胁 式中口为位移振幅，厂为频率，由此计算出走行品质。根据走行品质指 标得出的评定如下表1 4 所示： 表1 - 4r n j a n e w a y 走行品质指标 走行品质指标评定 ， 1非常好 1 j 1 5比较好 1 5 j 2 0 一般 2 0 j 3 0不好 3 0 j危及安全 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 根据他的近似的线性化，在以上三个范围内，限界值数值如下表1 5 ： 表1 - 5r n j a n e w a y 的限界值 频率范围( h z )物理量的变化限界值 1 - - 6单位时间的加速度不变1 2 2 m s 6 2 0 加速度不变0 0 3 3 9 2 0 6 0速度不变 2 6 6 m s 对上述各种研究方法进行总的概括和总结分析。不可否认，上述的每一 组研究都有一些相似之处，但同时也有各自的特点，但值得肯定的一点就是， 他们的研究思路是一致的。在其各自的研究时期，对本国铁路事业的发展作 出了一定的贡献，尤其在列车的振动上，为后人对列车平稳性和舒适性的研 究提供了可参考的样本，积累了经验。他们的研究也有一定局限性。 第一，他们的研究都主要考虑了车辆运行时的垂向和横向振动，但是， 我们知道，实际振动时列车的受力情况远远比这个复杂； 第二，在试验过程中，上述研究采用的输入形式都是正弦激扰，没有考 虑到列车的随机振动，实际上，列车在运行途中的随机振动是很强烈的； 第三，上述研究在测试过程中，被测试者采用的是站姿和坐姿，忽视了 实际环境中的外界条件对测试的影响； 第四，入主观意识的差异性。每个人的审美标准不同，感觉不同，承受 能力不同，对列车舒适性的评价标准也是不同的，而且人的心理因素也是不 可忽视的问题： 第五，试验装置的机械误差。由于他们采用的是输入正弦波，所以会有 可能产生波形的畸变，由此导致试验结果的不准确。 但是，值得我们注意的是l o a c h 在经过对s p e r l i n g 的研究结果进行分析 后，得出了等舒适度的垂向加速度是横向加速度的2 倍，这是非常大的一 个进步和发展，至少它是一个具体的数值，为我们以后对舒适度、加速度的 进一步研究提供了重要数学依据。但是非常可惜，他所采用的仍然是单自由 度限制。而d i e c k m a n n 则发现一个规律，那就是人和振动之间的关系。在经 过无数次的研究后，他发现，人对任何外界事物感觉的强烈程度是和外界事 物对人的输入大小有关的。而经过再进一步的研究，他更是发现，人对外界 的某一种感觉的强烈程度是和外界舒服的程度相联系的，而人对外界的这种 感觉的变化则是与输入频率的变化有关系的。他也由此得出一个结论，那就 是人对振动舒服的响应，应该用横向和竖向两方向的感觉两个参数来描述。 而人对振动强弱的感觉则是由竖向决定的。正是因为他的这种认识上的飞跃 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 变化，为后人的研究工作指明了方向，他摆脱了前人的完全靠人的主观感觉 进行判断的方法，对其进行了量化，而有了量化的判断和分析，人们便可以 发掘出主观感觉和物理系统的机械响应之间的联系。从而使人们的研究更具 有科学性和易理解性。 1 2 2 国内研究概况 在我国，对铁路旅客舒适度进行研究已有3 0 余年。在1 9 7 8 - 1 9 8 1 年间 我国组织了三次规模较大的曲线轨道舒适度试验研究【5 】，该试验方法是在专 用试验列车或运营列车上，聘请部分乘客作为被调查对象，当列车以不同速 度通过既定的观测曲线时，请乘客记录下列车通过各测点的自身感觉和评定， 同时由测试仪器测定出列车通过各测点的未被平衡横向加速度。试验数据经 概率统计后，建立感觉度概率曲线和平均舒适度指数与未被平衡横向加速度 关系曲线，并藉此提出适合我国线路条件的舒适度标准，即未被平衡横向加 速度允许值为0 0 3 - - - , 0 i g 6 ，加速度时变率允许值为0 2 5 - - 。0 4 2 米秒3 。 2 1 世纪初，舒适度理论还被应用于上海高速磁悬浮铁路的研究中。该研 究从行车动力学入手对高速磁悬浮列车的运动方程进行研究，推导了平曲线 半径r n 与舒适度参数关系公式： r 日一 缈3 6 ) 2x c o s t z c o s 2 芦 铀+ 卜叭鬯纠岫口 ( 1 - 3 ) 上式中：v 一通过曲线的最高速度( k m f a ) ；a 一轨道梁横坡角( 。) ； b 一纵向坡度；4 厂未被平衡侧向离心加速度( m s 2 ) ； r 广竖曲线半径( m ) 。 该项研究提出了适用于t r 高速磁悬浮系统的满足舒适度条件的未被平 衡离心加速度标准建议值，如表1 6 ( 7 1 。 表i - 6未被平衡离心加速度标准建议值 m s 2 舒适度条件良好一般 较差 未被平衡离短距离 1 o1 2 51 5 心加速度 中等距离 o 81 o1 2 5 长大干线 o 6o 81 o 虽然我国对铁路旅客乘坐舒适性的研究起步较晚，但进展迅速。1 9 8 5 年 我国颁布了铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范( g b 5 5 9 9 - 8 5 ) ，作为 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 评价我国铁道车辆动力学性能，特别是车辆运行平稳性的评价标准。为了与 国际先进水平接轨，我国将逐步地向国际标准靠拢，参考和采用i s 0 2 6 3 1 及 u i c 5 1 3 作为评价舒适度的指标。 1 3 本文研究问题的提出 列车时速在2 0 0k m 以上的高速铁路，以其安全、快速、准时、运输能力 大、环境污染少、节省能源和土地资源等优势受到各国政府和社会各界的重 视。高速是我国铁路现代化的重要发展方向之一，我国自改革开放以来就对 高速铁路进行了研究和实践。1 9 9 7 年1 月在北京环形试验线上实现了 2 1 2 6 k m h 的最高速度，至“十五力期末已建成广深准高速铁路1 4 7 k i n 和秦 沈客运专线4 0 4 6 k m ；2 0 0 8 年8 月1 日，全长1 2 0 k m 的我国首条高速铁路一 京津城际铁路通车运营【8 l 。十一五一期间武广、郑西、石太、京津、合宁、 武合、温福、福厦、甬温9 条高速客运铁路的逐步开工建设，总规模达 3 2 2 0 k m 9 1 ，拉开了我国大规模建设高速铁路的序幕。 高速铁路的线路参数研究不同于普速铁路，主要表现在列车运行速度高、 旅客舒适度要求高等特点，对线路平面、纵断面、横断面的设计参数和标准 都提出了更高要求。普速铁路设计中，线路参数的选择对铁路投资的多少与 运营的安全有着重要的影响。对高速铁路而言，运行的安全性与旅客旅行的 舒适性则更应成为首先应该满足的基本要求。 ， 已有的高速铁路线路参数研究中，基于运营安全性的研究比解决舒适性 问题的要多，安全运行成为其主要研究内容。因此，高速铁路线路设计理论 还有待结合舒适度理论进行深入的动力学分析和研究。结合在建的高速铁路 工程，做好基于旅客舒适度的高速铁路线路参数研究，对于制定适合我国国 情的高速铁路线路设计标准具有重要的意义。 1 4 本文的主要研究工作 本文试图从旅客舒适度理论入手，借鉴国内外舒适度和高速铁路设计参 数研究的方法和成果，通过借鉴车辆一线路系统动力学模型，并编写线路舒 适度综合评价程序对线路参数匹配给旅客舒适度带来的影响进行分析评价， 进而对基于舒适度条件的高速铁路线路技术参数的合理配置进行探讨，旨在 为飞速发展的高速铁路建设提供有益的参考。 本文的主要研究内容分述如下： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 1 、综述旅客舒适度理论及其评价方法，并加以分析总结； 2 、高速铁路线路平、纵断面设计参数的研究分析： 3 、借鉴车辆一线路系统动力学模型，分析计算不同速度工况下高速铁路 平纵断面设计参数的舒适度指标值，提出舒适度标准的参数建议值； 4 、利用v c + + 6 0 程序语言编写的“线路舒适度综合评价程序一对高速 线路参数匹配给舒适度带来的影响进行评析。 西南交通大学硕士研究生学位论文 ； 第12 页 第2 章旅客舒适度理论与评价方法 随着我国铁路的大幅度提速和高速铁路的兴建，铁路将成为人们工作和 出游旅行的首选交通工具。为确保铁路“安全、经济、快捷、舒适一的特点 和优势，对提高客车旅客舒适度的研究势在必行。 2 1 旅客舒适度理论 2 1 1 旅客舒适度的定义 舒适度通常被定义为个人处于特定环境中的满意的状态。多种因素会影 响这种状态，这些因素包括心理方面的( 如期望值、个人对振动环境的敏感度) 和物理方面的( 如运动、温度、噪声、座椅结构等) 。其结果是，就振动情况 而言，同样的振动情况在一种环境下会感觉不适，而在另一种环境下则可以 接受。 “铁路旅客舒适度指的是旅客在列车上感觉到的舒适程度。 广义上讲，旅客舒适度是乘坐铁道车辆旅行的人对乘车旅行品质的综合 反应评价l 捌。舒适度受车内的振动、噪声、温度、湿度、空气清新度、座席 的质感、空间的设计、色彩、照明等许多因素的影响，甚至还受到人们健康 和心理因素的影响。 狭义来说，旅客舒适度是列车运行产生的振动( 加速度) 对乘坐铁道车辆 的人的影响问题，即“振动舒适度一或“平稳性一。而这又取决于机车车辆自 身的结构和线路的平纵横断面及其维修质量。因此舒适度的好坏，不单纯反 映乘客的舒适程度，同时也反映了机车车辆与线路间相互作用的情况，所以 “旅客舒适度 也是一项衡量运输质量的综合指标。 就目前国内外对舒适度的研究情况来看，主要是围绕着由铁路不平顺和 机车车辆运行结构等造成的列车振动对乘坐舒适性带来的影响展开研究；而 本文则从探究线路的几何设计及匹配对舒适度的影响程度出发，研究改善高 速铁路旅客舒适度的方法。 2 1 2 影响旅客舒适度的因素 1 列车旅行环境 列车旅行环境包括旅行微气候、照明、色彩、噪声、空气等【1 1 j ，铁路旅 客列车应严格执行国家规定的旅行环境气候标准和客运技术条件。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 ( 1 ) 温度 温度过高将使旅客身体感觉闷热、烦躁，太低将使人生病。i s 0 7 7 3 卜1 9 9 4 标准定义热舒适度为：人体对热环境表示满意的状况。作为稳态热舒适环境 应综合考虑人体热感觉的6 个因素：空气温度、气流速度、湿度、平均辐射 温度、人体着装情况和活动情况。热舒适度环境温度分为夏季温度、冬季温 度、日间温度、夜间温度。因为夏季人们穿得较少，外温较高，车内温度不 宜调得过低；冬季则穿得较多，温度不宜调得太高。白天因为有旅客活动和 太阳辐射，温度控制应比夜晚略低，夜晚温度稍高。 国际标准和国家标准都规定室内温度冬季为1 8 1 3 2o ，夏季为2 2 - - 2 4 。实际上，铁路列车车厢内两端的温度与中部的温度会存在差异，双层 旅客列车的差异更为明显。而冬天空调车车内温度偏高，c 0 2 的浓度也偏高， 尤其在车厢的中部最明显。人为控制确实很难，因为这两项指标随着旅客人 数的变动、天气的变化、地区温差的变化而变化；最好的解决办法就是设计 安装自动循环风控制系统，采用单片机技术、变频调速技术和传感器技术将 温度、c o ：的浓度控制在舒适的范围之内。 ( 2 ) 湿度 湿度是影响舒适度的重要指标，主要影响人体的热代谢和水盐代谢。当 温度适中时，对人体的影响并不显著；当温度较高或较低时，湿度波动对人 体的影响就变得较大。湿度过低使人皮肤干燥，日鼻干裂，造成呼吸道刺激， 人体极易产生静电，湿度过大使人有闷热的感觉，产生烦躁，还易滋生细菌 霉菌，影响人的身体健康。 车厢内的湿度与外部环境通风设施有关，并随季节的变化而变化；通风 量越大，与外部环境相关性越大。目前，国内的旅客列车冬季普遍比较干燥。 国家室内空气质量标准要求：冬季室内空气湿度标准为3 0 - 6 0 。而从已有 的自当年1 1 月至次年4 月车内湿度测试【1 2 】的结果看，y z 2 2 g 老型客车湿度为 3 0 - - 一4 0 ，与外界相比相差1 3 。空调客车的湿度为4 0 - 7 0 ，与外界相 比相差3 8 ，大部分人感觉比较舒适。空调客车的湿度要好于普通客车。 ( 3 ) 空气质量 影响车厢内空气质量的主要因素来源于旅客呼吸排出的c 0 2 。车厢内c 0 2 的浓度与车型、旅客人数和通风设施的好坏相关。当旅客人数增加时，车厢 内c 0 2 的浓度就有明显的增加；同时随着列车运行时间的延长，车厢内c 0 2 的浓度也加大。从生理角度考虑，车厢内c 0 2 的浓度增高，使人的脉率明显 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 加快，血氧饱和度显著下降，乘客普遍出现胸闷、头痛、脑胀的晕车症状， 部分人还会出现面色苍白、出冷汗、恶心的症状，严重时可使人导致突发性 短暂性精神异常，也称旅途精神病。如2 0 0 3 年南方某次列车的2 8 名旅客相 继出现精神失常现象，经专家确认是因车厢内缺氧、高c 0 2 所造成的生理反 应。 造成c 0 2 升高的原因主要有：车厢内空间小、人员密集；在高速列车中， 采用各种方式提高车厢的气密性；为了减小空调能耗，就降低车厢换气的新 风量，减少单位时间内的换气次数；列车运行距离和时间较长，某些地区长 大隧道多，影响新风换气质量：还有乘客呼吸、排汗产生的气味造成的污染。 我国卫生标准规定公共交通工具的c o s 浓度不允许超过1 5 0 0p p m 1 3 】，而冬季 一个满员车厢内的c 0 2 浓度一般都在1 0 0 0 - - 3 0 0 0p p m 。因此，降低车厢内的 c 0 2 浓度，去除空气中c 0 2 的不良刺激是保证舒适度的重要前提。 ( 4 ) 噪声 噪声污染与人体健康关系十分密切：强噪声可以引起耳部不适。而车厢 内噪声等级则与列车运行的速度相关，速度提高1 0k m h ，噪声等级增加l 2 d b 1 4 1 。据测定，超过1 1 5 d b 的噪声会造成耳聋。我国现行的l ：客车通用技 术条件推荐，当运行速度为8 0k m h 时，车内噪声不大于6 5 6 8 d b 。世 界各国对客车内噪声均作了规定，国际铁路联盟( u i c ) 规定，客车内噪声应小 于6 5 d b 。法国t g v - _ a 的速度达3 0 0k m 【h ，车内噪声值为6 6 d b 。 ( 5 ) 照明 人8 0 的感知是通过眼晴得到的，人体所有消耗的能量有2 5 是用于视觉 过程1 1 5 】。旅客在乘车的过程中，要从事诸如吃、读、写、观等系列活动。过 暗的光线引起人体疲劳的程度远远超过眼晴本身，不适感较差的照明条件是 造成疲劳的主要原因。 2 旅行时间 当旅行时间超过一定的限度时，旅客就会产生身心疲惫和厌烦之感，而 且随着时间的延长，难受程度逐渐加重。旅客旅行受旅行环境、车辆振动、 噪声等因素影响，同时旅行时间也是旅客心理时间，即旅客一旦进入旅行角 色，旅行时间长，旅客将在心理上产生诸如厌烦、心理疲倦等不良反应，造 成旅客旅行机体疲劳和心理疲劳。根据人机工程学有关研究成果，旅客旅行 也是一种较轻的劳动，即旅客旅行劳动强度r m r 4 2 。因此一般来说，当旅客 旅行时间超过6 h 后便会引起旅行疲劳。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 旅客随着旅行时间延长，旅行疲劳度不断增加，对旅行舒适度要求会越 来越高。因此，缩短旅客旅行时间，是提高旅客旅行舒适度，改善铁路客运 服务质量，积极参与运输市场竞争的重要手段。从旅行舒适度出发，铁路的 快速列车提速后，把长途旅客列车旅行时间控制在8 h 以下到达目的地是较为 合适的，可以在旅客开始产生疲劳感时就结束旅行。 3 旅客列车人均坐卧面积 交通工具的人均占有面积越大，旅客旅行舒适度也越高。长途列车车内， 旅客可能在从事读书、吃饭、饮水、睡觉或在通道行走等各种活动：卧铺车 提供平躺睡觉的铺位。短途列车和通勤列车内旅客在乘车高峰可能有站立乘 车的情况。在铁路客车内旅客的姿势各种各样，所以铁道舒适度的研究必须 评价立姿、