（载运工具运用工程专业论文）列车舒适度与平稳性测试的sopc技术研究.pdf

西南交通大学硕士研究生论文第l 页 摘要 中国铁路已经开始进入高速客运时代，由速度提升带来的四大核心问题之一的高 速列车乘坐的舒适性成为急需解决的难题。长期以来，影响列车舒适度的因素没有 引起足够重视，铁路系统缺乏舒适度和平稳性方面的检测标准以及手段，难以保证 旅客乘车的舒适性。对于舒适度和平稳性的检测和评价，日本、德国、美国和法 国经过专门研究，特别是通过大量试验，制定了适合本国应用的具体方案；国际 标准化组织和铁路联盟也分别制定了相应的标准；国家标准局和铁道部根据国情， 出台了相应标准，论文对此做了整理和总结。 国内高校和科研院所就列车舒适度和平稳性测试仪进行了研制，并取得了突 出的成果。论文根据嵌入式系统的发展现状和趋势，结合测试仪的性能要求，提出了 一种基于s o p c 的解决方案，并做了一定的探索。方案对列车车体振动加速度进行实 时检测与分析，实时给出舒适度和平稳性指标，为保障行车安全，改善乘坐舒适度提 供了有效的手段。方案以c y c l o n eu 系列f p g a 芯片e p 2 c 7 0 为基础，采用n i o s i i 处 理器。为提高系统的实时性，将处理器配置为双核c o r e l 和c o i 也2 ，并移植了实时 操作系统i - t c o s i i 。a d 控制模块、f i r 模块、f f t 模块由f p g a 硬件实现，分别完 成a d 控制、数据滤波、快速傅里叶变换；s r a m 、s d r a m 、f l a s h 以从设备的方 式，通过a v a l o n 总线与n i o s i i 处理器连接，用来存取数据和程序；无线模块和l c d 模块分别通过r s 2 3 2 和l c d 控制模块与a v a l o n 总线连接，以完成数据的无线传输和 结果的实时显示。 论文讨论了舒适度指标的评价标准，从硬件和软件两方面对方案进行了研究，对 部分模块给出了仿真结果。 关键词：舒适度；平稳性：s o p c ；f p g a ；f i r ；f f t ；u c o s i i 西南交通大学硕士研究生论文第1 i 页 ! i i i i i 一日i i i i 1 日。i l ；= = i ：i = 皇l i 曼曼鼍曼鼍皇曼皇皇曼曼! 苎! 皇曼鼍皇 a b s t r a c t w i t hc h i n ae n t e r i n gt h eh i g h - s p e e dr a i l w a ye r a , o n eo ft h ef o u rc o r ei s s u e sb r o u g h tb yt h e h i g h s p e e d , h i g h s p e e dt r a i nr i d ec o m f o r tn e e d st ob eu r g e n t l ys o l v e d o v e rt h ey e a r s t h e f a c t o r st h a ta f f e c tt h ec o m f o r tw e r en o tp a i ds u f f i c i e n ta t t e n t i o n l a c ko fc o m f o r ta n d s t a b i l i t yt e s t i n ga n dm e a s u r e m e n ts t a n d a r d sa n dm e t h o d s ，i ti sd i f f i c u l tt oe n s u r ep a s s e n g e r s t r a v e li nc o m f o r tf o rt h ew h o l er a i l w a ys y s t e m j a p a n ，g e r m a n y , t h eu n i t e ds t a t e sa n d f r a n c eh a v ed e v e l o p e dt h e i rs p e c i f i cp r o g r a m st h r o u 曲s p e c i a l i z e dr e s e a r c h ，e s p e c i a l l ya l a r g en u m b e ro f t e s t si ns t a n d a r d so ft h ec o m f o r ta n ds t a b i l i t y , m e a n w h i l e ，i s o ( i n t e m a t i o n a l s t a n d a r d so r g a n i z a t i o n ) a n d u i c ( i n t e m a t i o n a lu n i o no fr a i l w a y s ) p r o m u l g a t e dt h e c o r r e s p o n d i n gs t a n d a r d s a c c o r d i n gt ot h ec o n d i t i o no f0 1 1 1 c o u n t r y , n a t i o n a lb u r e a uo f s t a n d a r d sa n dt h e m i n i s t r yo fr a i l w a y sa l s od e v e l o p e dn a t i o n a ls t a n d a r d s t h e a b o v e - m e n t i o n e dw o r kp r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ec o m f o r ta n ds t a b i l i t yt e s t i n ga n d m e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t i no r d e rt om e e tr e a lt i m ea n dp o w e rr e q u i r e m e n t s ，t h ep a p e rp r o p o s e sas o l u t i o nb a s e do n s o p c t h ei n s t r u m e n ti sd e s i g n e dt od e t e c ta n da n a l y s et h er e a l t i m ea c c e l e r a t i o no ft h e t r a i n ，t h e ng i v et h ec o m f o r ta n ds t a b i l i t yi n d e xc a l c u l a t e d i tp r o v i d e se f f e c t i v em e a n st o p r o t e c tt h es a f e t yo fr u n n i n gt r a i n sa n di m p r o v et h er i d ec o m f o r t n i o si ip r o c e s s o ri s i n t r o d u c e db yt h ei n s t r u m e n tb a s e do nt h ec y c l o n ei if a m i l yf p g ae p 2 c 7 0 ，i no r d e rt o m e e tt h er e a lt i m er e q u i r e m e n t s ，d u a l - c o r ei sc o n f i g u r e da n dr e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e mp c o s i ii sa d o p t e d ；f i rm o d u l ef f tm o d u l e a dc o n t r 0 1m o d u l ec u s t o m i z e di nt h ef o r mo f t h ei pc o r eo fn i o si ia r ec o n n e c t e dt ot h ep r o c e s s o rf o rd a t af i l t e r i n g ；f a s tf o u r i e r t r a n s f o r ma n da dc o n t r o lt h r o u g ht h ea v a l o nb u s ，s ra m ，s d r 。4 心订，f l a s ha r ea l s o c o n n e c t e dt ot h ep r o c e s s o rt oa c c e s sd a t a sa n dp r o c e d u r e st h r o u g ht h ea v a l o nb u s ；r s 2 3 2 b u sa n dl c dc o n t r o lm o d u l ec o n n e c tt h ew i r e l e s sm o d u l ea n dt h el c dm o d u l et ot h e a v a l o nb u st oc o m p l e t et h ew i r e l e s st r a n s m i s s i o na n dr e a l t i m ed i s p l a yo fd a t a s s t a n d a r d so fc o m f o r ti n d e xa r ed i s c u s s e da n dt h ei n s t r u m e n ti ss t u d i e df r o mb o t hh a r d w a r e a n ds o f h v a r e ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t so fp a r to ft h ei n s t r u m e n ta r ea l s op r e s e n t e d a f t e r i m p r o v e d ，t h et e s t i n ga n dm e a s u r e m e n ti n s t r u m e n tc a l lb eu s e dt o t e s tt h ec o m f o r ta n d s t a b i l i t yi n d e xo f t r a i n sf o rt h er a i l w a ys y s t e m k e y w o r d s ：r i d er o m f o r t ；s t a b i l i t y , s o p c ；f p g a ；f i r ；f f t ；u c o s i i 西南交通大学 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 不保密回，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：本 日期：斗气9 指导老师签名：奈对茏孓 日期：山局刁 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： ( 1 ) 相关资料的收集； ( 2 ) 总体方案设计； ( 3 ) f p g a 硬件电路的设计； ( 4 ) 相关软件的编写和调试。 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，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：杏i 习 日期：x f 5 蝴 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 选题背景及意义 第1 章绪论 1 1 1 舒适度与平稳性检测的必要性 中国铁路已经开始进入高速客运时代，2 0 0 8 年8 月1 日，京津城际高速铁路通 车；2 0 0 9 年4 月1 日，石太客运专线通车；2 0 0 9 年9 月2 8 日，温福、甬台温铁 路通车；2 0 0 9 年1 2 月9 日，武广高铁正式运营；2 0 1 0 年2 月6 日，郑西高铁正 式运营，2 0 1 0 年4 月2 6 日，福厦高铁正式运营；2 0 1 0 年5 月1 2 日，成灌高铁正 式运营；目前，在建的时速3 5 0 公里高铁有：广深港客运专线广深段、哈大客运 专线、京沪高速铁路、京石客运专线、石武客运专线、津秦客运专线、宁杭客运 专线、杭甬客运专线、合蚌客运专线、沪杭客运专线；时速3 0 0 公里铁路有：沪 宁城际铁路；时速2 5 0 公里铁路有：长吉城际铁路、昌九城际铁路、海南东环铁 路、厦深铁路、汉宜铁路、贵广铁路、 南广铁路、湘桂铁路扩能改造工程柳州至 南宁段( 柳南客运专线) 、宁安城际铁路( 宁宜城际铁路) 、成绵乐客运专线。 根据中国铁路中长期发展规划，到2 0 2 0 年，为满足快速增长的旅客运输 需求，建立省会城市及大中城市间的快速客运通道，规划“四纵四横”铁路快速客运 通道以及四个城际快速客运系统。建设客运专线1 2 万公里以上，客车速度目标值 达到每小时2 0 0 公里及以上。根据国家中长期铁路网规划( 2 0 0 8 年调整) ，到2 0 2 0 年，全国铁路里程将达到1 2 万公里以上，其中高速铁路里程将达1 8 万公里，这一数 字，是目前德国、日本、法国三个国家高速铁路里程总和( 6 0 0 0 公里) 的三倍。到2 0 1 2 年，我国高速铁路总里程将达1 3 万公里，其中3 5 0 公里速度级铁路8 0 0 0 公里，2 5 0 公里速度级铁路5 0 0 0 公里，高速铁路总里程将稳居世界第一。 由速度提升带来的四大核心问题即高速列车系统的稳定性、运行的安全性、结构 的可靠性及乘坐的舒适性成为急需解决的难题。 舒适性通常被定义为个人处于特定环境中的满意状态。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) ，其结果可能是，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被接受。 乘坐品质是一个与乘客在旅行过程( 整个过程包括运行环境及相关因素) 中对 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 舒适性的评价有关的概念，按照i s o5 8 0 5 标准，乘坐品质也可仅仅涉及运行环境。 在实际中，“舒适度一词来表示乘客在特定环境下的乘坐满意程度。人们对 于乘坐舒适度的期望值不同，对舒适度的评价也不同，这通常取决于运载方式【l 】。 平稳性是与舒适度相关的一个概念，从平稳性指标和舒适度指标的定义和计算 方法看，特别是近年来的多次动力学试验研究表明，两者均能反映出车辆的振动性能 和旅客乘坐的舒适性【2 】。 一直以来，我国在列车运行系统中很少对舒适度、平稳性进行测试，其主要是因 为以前的列车运行速度比较慢，对舒适度、平稳性的测试没有严格要求，对于高速列 车，就要求对其舒适度和平稳性进行实时监控。 另一方面，列车运行质量等影响列车舒适度的因素没有引起足够重视，铁路系 统缺乏舒适度和平稳性方面的检测标准以及手段，难以保证旅客乘车的舒适性，也 不适应铁路旅客运输安全、高速舒适发展的要求。 为改变这种状况，确保铁路“安全、经济、快捷、舒适 发展，进行列车舒 适度、平稳性的评价与检测是必要的：列车舒适度、平稳性指标测试仪就是一种 专门的仪器，它针对列车行驶时的横、纵、垂向加速度参数进行采集分析，然后 计算出舒适度和平稳性指标，以检测列车行驶的状态，确保列车安全行驶，更好 地为旅客服务。 1 1 2s o p c 技术简介 ( 1 ) s o p c 技术简介 近年来，m c u 、d s p 和f p g a 在现代嵌入式系统中都扮演着非常重要的角色，它 们都具有各自的特点而又不能兼顾。在简单的控制和人机接口方面，以5 1 系列单片机 和a r m 微处理器为代表的m c u 因为具有全面的软件支持而处于领先地位；在海量 数据处理方面，d s p 优势明显；在高速复杂逻辑处理方面，f p g a 凭借其超大规模的 单芯片容量和硬件电路的高速并行运算能力显示出突出的优势。因而，m c u 、d s p 、 f p g a 的结合将具有极大的优势。而s o p c ( s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p ，片上可编 程系统) 技术正是m c u 、d s p 、f p g a 三者的有机结合，s o p c 一般采用大容量f p g a 作为载体，除了在一片f p g a 中定制m c u 处理器和d s p 功能模块外，可编程器件内 还具有小容量高速r a m 资源和部分可编程模拟电路，还可以设计其他逻辑功能模块。 s o p c 技术由a l t e r a 公司于2 0 0 0 年提出，即用大规模可编程器f p g a 来实现s o c ( s y s t e mo nc h i p ，片上系统) 功能，s o p c 是s o c 发展的新阶段，代表了当今电子设计 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 的发展方向。 s o p c 基于f p g a 芯片，将处理器、存储器、i o 口等系统设计需要的模块集成在 一起，完成整个系统的主要逻辑功能，具有设计灵活、可裁剪、可扩充、可升级、软 硬件可编程的功能。随着百万门级的f p g a 芯片、功能复杂的i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ， 知识产权) 核、可重构的嵌入式处理器核以及各种功能强大的开发工具的出现，s o p c 已成为一种一般单位甚至个人都可以承担和实现的设计方法。 ( 2 ) s o p c 技术实现方式 i p 核是可用于a s i c ，a s s p ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i cs t a n d a r dp r o d u c t ，专用标准产品) 和p l d ( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，可编程逻辑器件) 的预先设计好的电路模块，在 s o p c 系统设计中占有极其重要的地位。在s o p c 设计中，每一个组建都是一个口核。 口核模块有行为、结构和物理三级不同程度的设计，对应描述功能行为的不同分为三 类，即完成行为描述的软核( s o f ti pc o r e ) ，完成结构描述的固核( f i r mi pc o r e ) 和基于 物理描述并经过工艺验证的硬核( h a r di pc o r e ) 。 i p 软核也称为虚拟组件( v i m m lc o m p e n t ，v c ) ，通常以h d l 文本形式提交给用户， 它已经过r t l 级设计优化和功能验证，但其中不含有任何具体的物理信息。据此，用 户可以综合出正确的门电路级设计网表，并可以进行后续的结构设计，具有很大的灵 活性。借助于e d a 综合工具可以很容易地与其他外部逻辑电路合为一体，根据各种 不同的半导体工艺，设计成具有不同性能的器件。 口硬核是基于半导体工艺的物理设计，已有固定的拓扑布局和具体工艺，并己通 过工艺验证，具有可保证的性能，其提供给用户的形式是电路物理结构掩膜版图和全 套工艺文件。 i p 固核的设计程度则是介于软核和硬核之间，除了完成软核所有的设计外，还完 成了门级电路综合和时序仿真等设计环节，一般以门级电路网表的形式提供给用户。 因而，根据口核的实现方式，s o p c 技术实现方式也可分为三种： ( 1 ) 基于硬核的s o p c 系统，a l t e r a 公司部分系列f p g a 就植入了a r m 9 2 2 t 嵌入 式处理器，x i l i n x 公司则植入了i b mp o w e r p c 4 0 5 处理器。这样就能使得f p g a 灵活 的硬件设计和硬件实现与处理器强大的软件功能结合，高效的实现s o p c 系统。 ( 2 ) 基于软核的s o p c 系统，在第一种方案中，由于硬核是预先植入的，其结构不 能改变，功能也相对固定，无法裁剪硬件资源，而且此类硬核多来自第三方公司，其 知识产权费用导致成本的增加。如果利用软核嵌入式系统处理器就能有效克服这些不 利因素。其中，a l t e r a 公司的n i o si i 软核处理器就是其中的个代表，论文即以此为 基础。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 ( 3 ) 基于h a r d c o p y 技术的s o p c 系统，h a r d c o p y 就是利用原有的f p g a 开发工具， 将成功实现于f p g a 器件上的s o p c 系统通过特定的技术直接向a s i c 转化，从而克 服传统a s i c 设计中普遍存在的问题。 1 2 国内外研究现状 对于舒适度和平稳性的检测和评价，日本、德国、美国和法国经过专门研究， 特别是通过大量试验，制定了适合本国应用的具体方案，如日本的舒适度曲线、 德国s p e r l i n g 平稳性指标、法国疲劳时间法等。i s o ( i n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o nf o r s t a n d a r d i z a t i o n ，国际标准化组织) 和u i c ( i n t e r n a t i o n a lu n i o no fr a i l w a y s ，国际 铁路联盟) 分别制定了相应的标准。1 9 8 5 年i s o 提出i s o2 6 3 1 振动和冲击对人 的影响的评价准则 3 1 标准，对人体受整体振动的评估做出了广义的规定。基于 铁路客车的特殊性，u i c 经多年努力在原有e r r lb 1 5 3 t 4 】标准的基础上，参考i s o 2 6 3 1 的要求，于1 9 9 4 年正式颁布了u i c5 1 3 铁路车辆内旅客振动舒适性评价准 则【5 】推荐标准。我国国家标准局和铁道部也制定了相应标准，即g b5 5 9 9 8 5 铁 道车辆动力学性能评定和鉴定规范【6 】和t b t2 3 6 0 - 9 3 铁道车辆机车动力学性 能试验鉴定方法及评定标准【_ 丌。这两个标准自制定以来，为铁道机车车辆的生 产和改造提供了依据，也为舒适度与平稳性的检测提供了依据。 国内高校和科研院所，在舒适度与平稳性测试仪的研制方面，取得了突出的成绩。 西南交通大学 s q 2 从虚拟仪器、单片机和d s p 处理器的角度，对测试仪进行了研究； 北京交通大掣1 3 - 1 6 以a r m 处理器为平台，通过嵌入式l i n u x 操作系统，对测试仪进 行了探讨；武汉理工大学 1 7 - 2 0 的舒适度测试仪器，不仅对振动加速度进行了检测，还 对温度、湿度、噪声、c 0 2 浓度等影响旅客舒适度的因素进行了测试；铁道部科学研 究院【2 1 】的三维加速度及平稳性指标仪，采用d s p 技术实时计算平稳性指标，通过内置 计数器及g p s ( g l o b a l p o s i f i o n i n g s y s t e m ，全球卫星定位系统) 提供准确速度信息；另外， 浙江理工大学【2 2 1 、北京化工大学 2 3 】、河北工业大学 2 3 】、天津工业大学等高校也对此 进行了深入的研究。 通过国内研究可以发现，早期的舒适度与平稳性测试仪多以虚拟仪器技术为核心， 以个人计算机为载体，可以满足数据分析与处理的要求，但灵活性不足，体积稍显庞 大。随着半导体工业的发展，以d s p 处理器和a r m 处理器为核心的解决方案开始出 现，d s p 处理器以其强大数据处理能力和高运行速度，可以做到数据的实时处理，但 在人机接口和控制方面略显不足，而a r m 处理器则与此相反，人机接口丰富而数据 处理能力不足。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 舅- 一- - - 一一 m l m m 。m m 孽舅曼曼寰 近年来，基于软核的s o p c 技术开始崭露头角。依靠f p g a 硬件电路的高速并行 运算能力，用户可以通过定制自定义外设，满足系统的实时性要求；另外，用户可以 选择最快的内核( n i o si i f ) 来获得高性能，同时，还可以通过添加多个处理器、移植实 时操作系统等来满足系统的性能要求。 s o p c 设计技术涵盖了嵌入式系统设计技术的全部内容，包括以处理器和实时多任务 操作系统为中心的软件设计技术、以信号完整性分析为基础的高速电路设计技术以及目前 引起普遍关注的软硬件协同设计技术。可以说，s o p c 设计技术是未来嵌入式系统发展的 一种趋势盼2 9 。 论文对舒适度与平稳性测试从s o p c 技术角度进行了初步探讨，希望能为舒适度 与平稳性测试仪的研制提供一种新的思路。论文对舒适度与平稳性测试的硬件电路做 了探讨，利用f p g a 硬件实现了a d 控制模块、f i r 模块、f f t 模块，对存储器及外 围电路进行了设计；同时，对软件进行了编写，包括平稳性与舒适度指标计算程序设 计、硬件模块驱动程序编写、u c o s i i 实时操作系统的移植与多任务处理的应用等； 另外，论文还对多核处理器在舒适度与平稳性测试中的应用进行了尝试。 恧南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 2 1 舒适度分类 第2 章舒适度指标 乘坐舒适度的分类考虑了铁道的实际运行状况，在探讨与乘坐舒适度有关的车辆 加速度和加速度变化率时，可以区分为下面三种类型【3 0 1 。 ( 1 ) 振动乘坐舒适度 最通常的乘坐舒适度，是指处理通过列车发车至停车全过程中所发生的振动加速 度，大体上是以o 5 h z 以上的振动为对象。 ( 2 ) 通过曲线时的乘坐舒适度 通过曲线时，作用于横向的加速度，对乘坐舒适度影响很大。这个加速度是曲线 通过速度的决定因素，这个加速度的变化率又是缓和曲线长度的决定因素。竖曲线通 过时的垂直加速度也是研讨对象。 ( 3 ) 加减速时乘坐舒适度 列车在加速或减速时，其纵向加速度的大小及其变化率是研讨对象。 2 2 振动乘坐舒适度 2 2 1 早期研究 对于振动与舒适度的关系，早期就有人在研究，具有代表性的有p e i h c rm e i s t c r ， j a e l d i nl i d d l e 等的研究。实验都是人坐在振动台，通过激振评价其振动情况。 2 2 2h eib e r g - s p e rl in g 实验( 19 4 1 年) 德国联邦铁路的h d b e r g 和s p e l l i n g 两人，为了计算铁道车辆的乘坐舒适度基准( 图 2 1 ) ，对2 5 名研究所人员进行了2 l o m i n 的振动台实验，以评价乘坐舒适度，最后 给出了按下列公式计算的乘坐舒适度指数w ：。 = 2 7 1 征尹= 0 8 9 6 1 ：印r ( 2 1 ) s p e r l i n g 根据后来的研究，引进了有关频率的修正项f ( f ) ，将乘坐舒适度指数w r z 用 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 w r z = 2 7 1 v a 3 p f ( f ) 表示，以提高精度并将垂直振动与横向振动分离。 其中，w ：= 1 ：极好；w r z = 1 5 ：大致极好；w ：= 2 ：好；w ：= 2 5 ：大致好；w r z = 3 ： 客车上限；w ：= 3 5 ：勉强满意；w ：= 4 ：可能运转( 货车上限) ；w r z = 4 ：运转危险； w r z = 4 5 ：不适于运转。 2 3 3dic e km a n 限度( 19 4 7 年) ( a f 20 等加速水平) f = o , , , 5 h z k = 5 町( 筝粼力厂= 5 - - - 4 0 h z ( 2 - 2 ) t , 2 0 0 口( 等位移水呐f = 4 0 2 0 0 h z ，、 蓬 、- ， 鼍 基 ll j|ll| ， ，f ，j， ，f ，f， lj lj| 1i11 l 。 f j 、 l f f f | j_ j f | | l l lj lj 加速度( 佣v ，) 图2 1h e i b e r f - s p e r ii n g 基准 2 2 3j a n e w a y 限度( 19 4 8 年) j a n e w a y 于1 9 9 8 年发表了关于载客车辆的振动限度，这一论文在当时具有超 越意义。他借助对所积累资料的线性近似拟合，对客车振动限度提出了建议，其优点 是简单和易于理解，不必依赖于图解曲线即可计算限度，表示如下： a 】jk 0 等加速水趵f = q 一1 h z 卜1 口厂2 ( 猁习厂= 6 。2 0 h z ( 2 - 3 ) l 2 0 町( 等蝴趵厂= 2 0 - - 6 0 h z 鼹 您8 6 4 2 l 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 _ _ i elii i i i _ _ i i i i 2 2 4 疲劳时间( 19 5 7 年) 英国的l o a c h 在对m a 嘶i n 和s p e r l i n g 等人的试验结果进行了分析比较后，绘制出 等舒适度曲线。提出了以疲劳时间作为客车平稳性( 舒适度) 的评定方法，试图把车辆 运行试验所获得的数据转换成旅客从乘车到开始感到疲劳所经历的时间，并以此时间 作为评定依据。这段时间越长，表明客车运行平稳性越好。此一方法曾被法国和英国 铁路采用。法国铁路的等效疲劳时间公式表示如下【3 2 】： 横向耳= 1 西2 瓦8 0 0 7 1 ( 2 - 4 ) ( - - 5 ) 2 + 2 4 8 一。 纵向吃= 赢丽2 8 0 厂一一0 7 1 ( 2 5 ) 2 2 5 日本国铁乘坐舒适度基准( 1 9 6 3 年) 日本国铁铁道技术研究所参考j a n e w a y 的乘坐舒适度基准提案，对照自己的实验 结果，制订了铁道车辆用的乘坐舒适度基准。对于振动加速度，以5 容许限度的倍 数作为乘坐舒适度系数，按图2 2 中所示给予评价。 其中，乘坐舒适度系数1 以下：乘坐舒适度极好；乘坐舒适度系数1 ，1 5 ：乘坐舒适 度好；乘坐舒适度系数1 5 - 2 ：乘坐舒适度一般；乘坐舒适度系数2 3 ：乘坐舒适度差； 乘坐舒适度系数3 以上：乘坐舒适度极差。 表2 1 作用于旅客加速度的5 容许限度 加速度方向纵向横向 垂直 旅客的姿势 站坐站坐 站坐 正常的g 变化 o 0 8 o 0 9( 0 1 3 ) o 1 0o 0 8 ( g s ) 0 0 70 0 7 注 0 0 8 ：f 2 0 ) o 0 0 16 f ( f 1 2 ) 注：电梯设计时的基准 2 2 6ls 0 基准( 19 7 2 年) i s o 于1 9 7 2 年提出了“关于全身振动暴露的评价方针( i s o 2 6 3 1 ) 方案。这种评 价方法是从全身承受振动而导致疲劳的角度来评价振动的，因此适用于1 、8 0h z 频率 虿墓銮鎏奎兰至圭堡耋兰兰堡篁塞兰：墨 范围的垂直、横向、级向的正弦振动和不规则振动( 图2 - 3 ) 。 30 2 魏 0 0 2 ： 名 辩 摧0 0 2 毛 越 储 暑 定 矗 00 】 u燃j 蓍 朔 一 p 亡亡、_ 篝鲞 l _ i。_ ，：j 虫n ! 、弋* 、亭 j 。，多。 ： l x , k n j 函j 】 l隧甘 l 。 l f 一垒 ；萋 i 一墨 h i一蕾 lm 十 l o4o6 】2 4 - 68 】o1 5们 顿章( h z ) 图2 - 2 日本国铁的乘坐舒适度基准 22 7 乘坐舒适度水平( 1 9 8 1 年) i 锺 1 ； 髅 1 9 7 8 年日本国铁设置的乘华舒适度管理基准研究委员会，提出了乘坐舒适度水平 方案。这种评价方法，基本上是以i s o 一2 6 3 1 为基础，考虑了铁道车辆的振动特性，频 率范围扩大到1 h z 以下，提出了图2 _ 4 所示等感觉曲线方案，同时设定了算出的乘坐 舒适度水平的区分( 表2 2 ) 。 墼里塞鎏奎茎堡圭至耋圭耋堡耋耋量! ! 至 表2 2 振动区分 区分 乘坐舒适度水平 1 8 3 d b 2 9 3 d b 以= 矸足8 8 d b 3 8 8 d b 以上不足9 3 d b 4 9 3 d b 以上小i i 二9 s d b 5 9 8 d b 咀上 0 e ：璺 晕 每 p 窖 趟 捌 暑 帚 塑 】3 倍颉带中p 鞭串r m ) 图2 - 3 疲劳一效率减退境界1 l $ 0 - 2 6 3 228u 1 0 5 1 3 舒适度标准 二 崔 删 = 、， 毪 础 量 i s 0 2 6 3 1 标准( 1 9 7 8 ) 颁布以后，对铁路舒适度评定产生了重要影响。在铁路上能 否使用i s 0 2 6 3 1 标准( 1 9 7 8 1 成为各国铁路讨论研究的课题。在1 9 7 9 年欧洲铁路研究 所设立了b 1 5 3 专题，专门研究“i s 0 2 6 3 1 标准在铁道车辆上的应用”问题。经过长 达1 0 年的研究，1 9 8 8 年e r r b 1 5 3 提出了u i c 标准草案“铁道车辆振动舒适度评定 指南”，经过审议，1 9 9 4 年u i c 正式以u i c 5 1 3 编号颁布实行。按照i s o2 6 3 1 标准( 1 9 9 7 ) 一之；vgg亡鲁g邕氍星香罨 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 曼曼鼍蔓i i ： _ 。i i e _ 1 1 | 一m m m m i i 皇曼曼皇曼鼍! 曼曼鼍 评定铁道车辆的振动，试验中记录的振动加速度信号必须按计权的均方根值处理，而 考虑到铁路上振动的波动性，b 1 5 3 使用统计分析方法将计权均方根值和舒适度等级建 立起对应关系式。舒适度公式分为只在地板面测量的简化方法公式、在坐椅和地板面 同时测量的坐姿舒适度完整方法公式、只在地板面测量的站姿舒适度完整方法公式3 种。公式表示如下： 简化舒适度公式： n = 6 j ( a x w v a 5 ) 2 + ( 口y w p d 9 5 ) 2 + ( n z w p b 9 5 ) 2 ( 2 6 ) 坐姿完整舒适度公式： 厂： = 4 ( n 嬲5 ) + z 、f ( q 跺5 ) z + ( 口臻s ) z + 4 ( 口颛s ) ( 2 7 ) 站姿完整舒适度公式： n = 3 、71 6 ( 9 耀o ) 2 + ( n ”w d 5 0 ) 2 + 、a 。w ，b 5 0 ) 2 + s ( 口粥5 ) ( 2 8 ) 其中，每个加速度的上标表示频率加权，下标表示加速度有效值的置信点，如a w x p d 9 s 表示纵向加速度使用w d 频率加权且取9 5 置信点的有效值。 2 3 通过曲线时的乘坐舒适度 2 3 1 英国铁路实验( 19 4 9 年) 英国铁路的l o a c h 和m a y c o c k 进行了通过曲线时的乘坐舒适度试验，把横向加速 度和观测者的反应联系起来了。实验是在轨道线向、水准经过很好地整备的1 4 条曲线 上和没有特别维修但状态良好的3 8 条曲线上进行的。 2 3 2m r 实验( 19 5 0 、19 5 1 年) 丸娘( a s s o c i a t i o no f a m e r i c a nr a i k o a d s ，北美铁路协会) 调查了所属各铁路公 司代表性车辆在曲线通过时的乘坐舒适度，得出如下结论： ( 1 ) 横向正常加速度的容许限度为0 1 9 ； ( 2 ) 考虑车体倾斜时，容许未平衡外轨超高为7 6 m m ，但车体倾斜小的车种可以容 许1 0 2 m m ： ( 3 ) 未平衡超高变化率的容许限度为0 0 3 9 s 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 蔓皇曼曼曼皇毫曼皇曼曼皇曼皇寰皇皇曼皇曼鼍皇皇鼍曼皇曼曼鼍蔓曼曼曼曼曼皇皇皇曼毫i _i i i i 鼍曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼! 皇曼鼍曼 ， 宣 、一 j 毯 制 最 i 一 7 i 痧 积 燃 乏 霞 一 o ：吒l j 。 、 ， ， 、l _ ) o i 譬- c - 、 h 一l _ 1 采阮、! b 舳l 色，玉 习【浏d i ，1 欲两丁f 出，双爷同 退曲线( 暴露时闻8 h ) 相对寝 糍率f ( 池) 图2 - 4 等感觉曲线 2 3 3 日本国铁的实验( 19 6 1 、19 6 2 年) 日本国铁铁道技术研究所实施了两次列车通过曲线和道岔时的乘坐舒适度试验。 第一次试验是在现车上乘坐6 0 名观测者，将通过3 0 条曲线和1 1 个道岔时的观测者的 感觉按进行了调查。 第二次试验是在现车上乘坐约5 0 名观测者，以各种速度通过特定曲线和道岔。根 据第一次试验取得的经验，将关于乘坐舒适度的评定，分为了感觉、气氛、判定三种。 2 3 4 英国国营铁路实验( 19 8 3 、19 8 4 年) 英国国营铁路为了提高曲线通过速度，实施了一系列的乘坐舒适度试验，这些实 验是有系统和定量的，且可靠性高，值得注意的是，提案是用横向正常加速度和振动 加速度的组合来评价乘坐舒适度的。 2 4 加、减速时的乘坐舒适度 加、减速时乘坐舒适度实验的主要代表有1 9 4 0 年的g e n e r a lm o t o r s 实验，1 9 6 0 年、1 9 6 2 年的日本国铁实验。 o i 6 l 2 ，8 6 4 l ， 乱t t 飘 饥 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 2 5 论文参照标准及评价 2 5 1 论文参照标准 本次论文采用的舒适度和平稳性指标参照标准为： i s 0 2 6 3 1国际标准组织标准振动和冲击对人的影响评价准则； u i c 513欧洲铁路标准铁路车辆内旅客振动舒适性评价准则； g b 5 5 9 5 - 8 5 中国国家标准铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范。 2 5 2 列车舒适性评价 根据u i c 5 1 3 标准，由于铁路车辆振动是波动性的，故列车综合乘坐舒适度应是在 一段时间内3 个方向加速度a 的加权均方根值a 帮，a 擀a t m 。的综合值。加权均方根 值由水平方向和垂直方向的振动加速度通过加权曲线w d 和w b 进行加权滤波得到， 其水平方向( 包括横向x 和纵向y ) 加权曲线w d 的加权滤波器w b 的传输函数h d ( s ) 为： ( s ) = 习s 否+ 2 r r f 葡3 百2 r r k 挈 ( 2 9 ) 垂直方向z 加权曲线w b 的加权滤波器w b 的传输函数h b ( s ) 为： 啦，= 蒜器一霄2 l - f 2 ，2 3 个方向的加权滤波器传输函数中的各项系数值见表2 - 5 。 表2 5 滤波器传输函数式中的各项系数值 计权频率范围计权曲线各项系数值 曲线 f l f 2 q 1f 3 f 4 f s f 6 q 2q 3q 4 k w b 0 41 0 00 7 11 61 62 54o 6 30 8 0 80 4 嘭 0 41 0 0o 7 188o 6 31 o w d o 41 0 00 7 1220 6 3 1 o 振动加速度信号通过式2 - 9 和式2 1 0 加权滤波后得到加权均方根值，列车简化舒 适度指标n 为 = 6 ir l 鬲一w p d h ，2 瓦丽 ( 2 - 1 1 ) 列车综合舒适度等级划分见表2 - 6 。将计算值与表2 中的数值对比，就可确定列车 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 ! ee 一 _ e l- - 量曼曼曼曼皇皇曼曼毫曼舅曼曼曼皇曼皇曼鼍 的舒适度等级。 表2 - 6 综合舒适度等级划分表( u i c 5 1 3 标准) 舒适度等级舒适度值 评定 k l 级一一。? 。n i 一一一。非常舒适一，一一。 2 级 1 n 2 舒适 蒸”3 级。一”2 7 2 n 2 6 o h z f ( o = 1 式2 一1 2 是根据单一频率的等幅振动得到的，由于车辆振动实际上是随机振动，从 车体上测得的加速度包含了车辆的整个自然频率，因此需要将测得的加速度按频率分 组，统计每个频率中不同加速度的w 值，然后对各频率段的w 值进行加权处理，得到总 的平稳性指标w ，即 w = 1 枷f 而f f 了研= 。x n ：1 附o ( 2 1 3 ) 其中，岬。= 7 0 8 1 o 百a ? f ( f i ) 。 式中，a i 为振动波形进行频谱分组后在频率为6 时的振动加速度幅值。 列车平稳性等级划分见表2 8 。将计算值与表2 8 中的值对比，就可确定列车的平 稳性等级。 表2 - 8 平稳性指标等级划分表 西南交通大学硕士研究生学位论文 第15 页 皇! 曼曼曼曼曼曼皇鼍-