Metody oceny komfortu wibracyjnego w środkach transportu Methods of vibrational comfort evaluation in means of transport

Pełen tekst

(1)PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ z. 112. Transport. 2016. Ewa Kardas-Cinal

(2) ! ) . METODY OCENY KOMFORTU WIBRACYJNEGO ) 563 { 1 461_ G'

(3) :

(4) rok. Streszczenie: Zagadnienie

(5)

(6) ? '

(7)

(8)

(9) '

(10)

(11) ? wybranego przez nich $ wybranych metod oceny ?

(12) $ ! ? niach odczuwania

(13) ?F ' ? F

(14) ?

(15)

(16) # ! '!

(17) ' F&oraz

(18) '?$ #

(19) ! !?. 1. )1 /

(20) $ | '

(21) ?. !

(22)

(23)

(24) $ $O

(25) !

(26) ! F wibracyjny.

(27)

(28) z komf? ?

(29)

(30) .

(31)

(32)

(33)

(34) ! ? !

(35) O ! ! F !!

(36) ?! F

(37) !

(38) ? ? ? czynniki [2, 6, 7]. Niektóre prace badawcze ' nawet efekty wizu

(39)

(40) ?$ @F

(41) . ! F noznacznej

(42)

(43) '

(44)

(45)

(46) ?

(47) "

(48) '

(49)

(50) ?$ ?

(51)

(52) .

(53)

(54) ?

(55)

(56)

(57)

(58)

(59) .

(60) $

(61)

(62) ? ' " ?

(63) arametrów fizycznych charaktery

(64)

(65)

(66) ! '

(67) 6, 7]. @

(68) ? ?

(69) .

(70) ! ? ! ?

(71)

(72) !

(73)

(74)

(75) ?

(76) jazdy. (

(77) nia, jakich podczas jazdy

(78)

(79) ' $.

(80) 166. Ewa Kardas-Cinal. |? opublikowana praca [8], w której podano granice komfortu

(81)

(82) '

(83) 2 Hz. Metoda oceny komfortu wibracyjnego ', [17], który zapropo " Wz (od niem. Wertungsziffer). " czas szeroko stosowany przez koleje europejskie. Pierwsz

(84) ' re

(85)

(86)

(87) oceny komfortu ogólnych

(88) wieka - '

(89) ',

(90) #%,& opublikowana w Genewie w roku 1974: „Guide to the evaluation of human exposure to whole-body mechanical vibration and shock” [9]$ H

(91) ! za F stosowany

(92) " Wz . H%, istotnie zmodyfikowana w roku 1997 [10],

(93) '

(94)

(95) ? go przez ?

(96) '

(97) ?

(98) filtrów korekcyjnych (funkcji wagowych). ' ?

(99)

(100) %,,

(101)

(102) stosowanych w niej filtrów korekcyjnych,

(103)

(104) oceny komfortu, które zawarto w projekcie nowej normy ENV 12299:1999 [3] opracowanym przez Europejski Komitet Normalizacyjny (CEN). Projekt ten po konsultacjach z instytucjami

(105) '

(106)

(107) w 28 krajach eur

(108) ' w 2009 roku

(109) EN 12299:2009 [15] w zakresie oceny komfortu jazdy p?

(110)

(111) $ ,

(112) ?

(113) waniu funkcji wagowych

(114) '

(115) ,5 do 30 Hz, natomiast w "

(116) .

(117)

(118)

(119) '

(120) ' O´ %, 2631 [10] i karcie UIC 513R [18] oraz 100 Hz w normie EN 12299 [15]. C?

(121) funkcji wagowych w metodach oceny komfortu wibracyjnego

(122) ' ci ? ?

(123) organizmu ludzkiego na drgania ?

(124)

(125) '

(126)

(127) $ -

(128) z

(129) '

(130) poszczegól

(131)

(132) '

(133)

(134)

(135) $

(136)

(137) i ' drgania o

(138) '

(139)

(140) 3 - 18 Hz;

(141) '

(142) y 4 - 5 i 17 - 25 Hz, natomiast oczu 60 - 90 Hz.

(143) ? od ich kierunku a ?

(144) #

(145) !

(146) ! ?

(147) &. omówienie zagadnienia

(148) jest zawarte w monografii Griffina [6] oraz obszernej pracy doktorskiej Förstberga [4]. H? F! ?

(149)

(150) iwym czynnikiem fizycznym, którego badanie ?

(151) F tylko do zagadnienia komfortu ?! ?F niekorzystny ?

(152)

(153) '

(154)

(155)

(156) $: ?

(157) ! ? ! ' ?

(158) ?

(159) F$(

(160)

(161) -godzinnemu ?

(162) wieka na drgania i

(163) jest krótszy. Na?

(164) ?F!? ? stosowane oceny tzw.

(165) '

(166) w – e czasu. Norma EN 12299 [15] zawiera ? " ?

(167)

(168)

(169)

(170)

(171)

(172)

(173)

(174)

(175) $.

(176) -

(177)

(178)

(179) . 167. 2. SPEKTRALNA METODA OCENY KOMFORTU JAZDY Metoda spektralna oceny komfortu jazdy polega na wyznaczeniu

(180) skutecznych w pasmach tercjowych (dla kierunku poprzecznego i pionowego), a '

(181)

(182)

(183) #?

(184) '

(185)

(186)

(187) pasm f w zakresie od 0,8 Hz do 80 Hz)!

(188)

(189)

(190) ?

(191) podanymi w normie ISO 2631-1:1985 [10 ? PN 91/S-04100 [15]). Na rysunku

(192)

(193) '

(194) 0,8 Hz d f d 20 Hz . W ?

(195) normach ?

(196)

(197)

(198)

(199)

(200) '

(201) ? $´! ?

(202)

(203)

(204) '

(205) $

(206)

(207) w kierunkach x, y, z : a x;rms ( f ) , a y ;rms ( f ) , az;rms ( f ) w pasmach tercjowych ( f 'f / 2, f 'f / 2) !

(208) '

(209)

(210)

(211) f z zakresu od 0.8 Hz do 80 Hz

(212)

(213) 'f 0.213 f !?

(214) F

(215)

(216) '

(217) ? . § f 'f /2 aK ;rms ( f ) ¨ ³ SaK ( f ') df ¨ f 'f /2 ©. 1/2. · '¸ ¸ ¹. (K. x, y , z ). (1). G' F widmowa mocy SaK ( f )

(218) ' . aK (t )

(219) ' Welcha [19]. Taka me

(220) '

(221)

(222)

(223)

(224)

(225) 'dzy innymi w pracach autorki [11]. 0.6. 0.6. 0.5. 0.5. 0.4. 0.4. 0.3. 0.3. 0.2. 0.2. 0.1. 0.1. 0.0. 0.0 0. 5. 10. f [Hz]. 15. 20. 0. 5. 10. 15. 20. f [Hz]. Rys. $(

(226) # &

(227)

(228) ?

(229) #

(230) &

(231) aK ;rms ( f ) (K x, y ) i pionowego a z;rms ( f ) przyspieszenia skutecznego w pasmach tercjowych .

(232)

(233) ! ISO 2631-1:1985 [10]..

(234) 168. Ewa Kardas-Cinal. 3. $*16] ) <64* – ]41*1].4* )3 43 KOMFORTU

(235) ?? ?synte

(236) " . ? przez ? e przyspieszenia skuteczne [10] obliczone przy pomocy

(237)

(238)

(239) ?

(240)

(241) '

(242)

(243)

(244) $

(245)

(246) " . ? m. in. " Wz zaproponowany przez Sperlinga [17] wyznaczany oddzielnie ? ( x, y , z ) oraz " N MV [15, 18

(247) ?

(248)

(249)

(250)

(251) . Z "

(252)

(253) komfortu wibracyjnego. Porównanie wyników oceny ?

(254) ?

(255) d jest przedstawione w pracy [12].. 3.1 METODA SPERLINGA Wprowadzony przez Sperlinga [17] " komfortu Wz

(256) ' wzoru:. Wz gdzie aKw; rms. WzK. 4.42 aKw; rms.

(257). 0.3. (K. x, y , z ). (2).

(258)

(259) aKw (t ) ? m/s 2. i ? w kolejnych chwilach czasu t przy pomocy odpowiedniego filtru korekcyjne

(260) '

(261) f . " ten

(262) ' ? dowej przyspieszenia aK , przy czym funkcja wagowa B( f ) BK ( f ) ? ? od kierunku przyspieszenia K . Dla przyspieszenia pionowego (K. '

(263)

(264) O. z )

(265) ? . ª º 1.911 f 2 (0.25 f 2 )2 Bz ( f ) 0.588 « 2 2 3 2» ¬ (1 0.2777 f ) (1.563 f 0.0368 f ) ¼. Natomiast dla ?

(266) (K Bx ( f ). 1/2. (3). x, y ) wynosi ona:. B y ( f ) 1.25 Bz ( f ). (4). , ' '

(267) '

(268) $´´$ ? '

(269)

(270) BK ( f ) do amplitudy zmierzonego przyspieszenia aK (tj. do jego transformaty Fouriera) -

(271) .

(272) -

(273)

(274)

(275) . 169.

(276) iarowych. Tak otrzymane ? aKw ? T. wia wyznacze

(277)

(278) aKw;rms [ T1 ³ [aKw (t )]2 dt ]1/2 na odcinku czasu T 0. '

(279) " Wz. WzK zgodnie ze wzorem (2).. /

(280)

(281) aKw; rms ? a w. aKw ?F .

(282) ?

(283)

(284) '

(285) funkcji widm '

(286)

(287) # stronnej) S aK ( f ) przyspieszenia a aK i kwadratu funkcji wagowej. W rezultacie otrzy ' ? ? [14] " Sperlinga:. WzK. [2 aKw; rms ] 0.3. 30. [2 ³ S aK ( f ) BK2 ( f )df ] 0.15. (K. x, y , z ). (5). 0.5. gdzie przyspieszenie aK ?

(288) 2. Ten sposób obliczania Wz. WzK jest dogodny w przypadku przebiegów przyspieszenia otrzymanych w symulacjach ruchu pojazdów szynowych. W

(289)

(290) " Wz WzK ? poziomu komfortu w skali podanej w tablicy 1. H?

(291) F!?

(292) !?? F ? ' w funkcji wagowej BK ( f ) . Tablica 1 )! Wz - skala oceny komfortu [17] Wz. Poziom komfortu 7 # (. 1 2 2.5 3 3.25 3.5. ? e " ? e " odczuwane, lecz nie nieprzyjemne silne, nieregularne, ale nadal tolerowane bardzo nieregularne ekstremalnie nieregularne, nieprzyjemne, dokuczliwe,. ?

(293) ekstremalnie nieprzyjemne, ?

(294) . 4. ;; $*16 ) <64 6 W pierwotnej normie ISO 2631 [9] i jej " postaci [10] z 1985 roku podsta

(295)

(296) jest spektralna analiza poszczególnych

(297)

(298)

(299)

(300)

(301)

(302)

(303)

(304)

(305) ?

(306) '

(307) $ H

(308) t?

(309) e.

(310) 170. Ewa Kardas-Cinal. ?

(311)

(312)

(313)

(314)

(315) i porównanie jej z granicami komfortu – jako

(316) '

(317) ?

(318) spektralnej. Jak jednak zaznacza Griffin [5], dwie wymienione metody oceny komfortu ?yte w ?

(319)

(320) !?

(321)

(322)

(323)

(324)

(325) granicy komfor ?

(326) $

(327) ? %, -1:1985 [10] ?

(328)

(329) gra

(330)

(331)

(332)

(333) w poszczególnych pasmach tercjowych. 1.2. wy , wz. 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0. 5. 10. 15. 20. f [Hz] Rys. 2. Funkcje wagowe w y ( f ) #

(334) &! wz ( f ) # &?

(335) ?

(336) poprzecznych i pionowych skutecznych, ISO 2631-1:1985 [10].. Zmieniona norma ISO 2631-1:1997 [10]

(337) niami jedynie ? $ Metoda polega na obliczeniu syntetyczne " arms wa |

(338) tecznych aK ;rms ( fi ) w pasmach tercjowych oraz funkcji wagowych Wd ( f ) i Wk ( f ) za?

(339)

(340) '

(341) ..

(342)

(343)

(344)

(345)

(346) ' ?

(347) .

(348)

(349)

(350)

(351) a x (t ) , a y (t ) , az (t ) .

(352) te F

(353)

(354)

(355) '

(356)

(357) # . & przyspieszenia SaK ( f )

(358) ( fi 'fi / 2, fi 'fi / 2)

(359) '

(360) wej f i : 1/2. aK ;rms ( fi ). ª fi 'fi /2 º « ³ SaK ( f ) df » «¬ fi 'fi /2 »¼. (7). W '

(361)

(362) ?F

(363) ?

(364) periodogramu Welcha [18] na podstawie czasowego przebiegu przyspieszenia. ! x, y , lecz inne dla kierunku z (n

(365)

(366)

(367) &O.

(368) . 0HWRG\RFHQ\NRPIRUWXZLEUDF\MQHJRZĞURGNDFKWUDQVSRUWX. n. aK rms wa. ¦>Wd fi

(369) aK rms fi

(370) @. K. . x y

(371)

(372) . i . n. az rms wa. ¦>Wk fi

(373) azrms fi

(374) @

(375) i . . JG]LHQRUPD,62UHNRPHQGXMHXZ]JOĊGQLHQLHSDVPWHUFMRZ\FKRF]ĊVWRWOLZR ĞFLDFKĞURGNRZ\FK f i ]]DNUHVXRGGR+]:DUWRĞFL aK rms wa PRĪQDUyZQLHĪZ\ ]QDF]DüZVSRVyEUyZQRZDĪQ\RSLVDQ\ZUR]G]LDOHMDNRZDUWRĞFLVNXWHF]QH aKwrms SU]\VSLHV]HQLDZDĪRQHJR aKw t

(376) SU]\SRPRF\ILOWUyZNRUHNF\MQ\FK Wd f

(377) L Wk f

(378) )XQNFMH ZDJRZH XĪ\WH Z QRUPLH ,62 Vą SU]HGVWDZLRQH QD U\VXQNX : W\P PLHMVFX ZDUWR ]DXZDĪ\ü ĪH IXQNFMD ZDJRZD Wd f

(379) ]DVWRVRZDQD GR Z]GáXĪQHM K x

(380) L SRSU]HF]QHM K y

(381) VNáDGRZHM SU]\VSLHV]HQLD MHVW WDND VDPD MDN Z QRUPLH %6 >@ QDWRPLDVW IXQNFMD ZDJRZD Wk f

(382) GOD SLRQRZHM VNáDGRZHM SU]\VSLHV]HQLD MHVWEDUG]R]EOLĪRQDGRIXQNFML Wb f

(383) XĪ\WHMZQRUPLHEU\W\MVNLHMFR]RVWDáRSRGNUHĞORQH ZSUDF\>@:U]HF]\ZLVWRĞFLQRUPD,62]DOHFDZUĊF]XĪ\FLHIXQNFMLZDJRZHM Wb f

(384) ]DPLDVW Wk f

(385)

(386) ZSU]\SDGNXRFHQ\NRPIRUWXMD]G\ZSRMD]GDFKV]\QRZ\FK . :G. :G:N. . :N. . . . . . f>+]@ . . 5\V)XQNFMHZDJRZH Wd f

(387) Wk f

(388) VWRVRZDQHZQRUPLH,62>@ . &DáNRZLWHZDĪRQHSU]\VSLHV]HQLHVNXWHF]QHZ\]QDF]DVLĊMDNR arms wa. a x,rms wa a y ,rms wa az,rms wa .

(389) . :]DOHĪQRĞFLRGZDUWRĞFLSU]\VSLHV]HQLD a rms wa QRUPD,62>@RNUHĞOD SR]LRP\NRPIRUWXZV]HĞFLRVWRSQLRZHMVNDOLSU]HGVWDZLRQHMZWDEOLF\7DNDVDPDVNDOD NRPIRUWX]RVWDáDXĪ\WDMHVWZQRUPLHEU\W\MVNLHM%6>@ . .

(390) 172. Ewa Kardas-Cinal. Tablica 2 Poziomy komfortu wg normy ISO 2631-1:1997 [10] arms wa. Poziom komfortu. ? ! m/s2. komfortowo. od 0,315 m/s2 do 0,63 m/s2. nieznacznie niekomfortowo. od 0,5 m/s2 do 1 m/s2. F . 0,8 m/s2 do 1,6 m/s2. niekomfortowo. od 1,25 m/s2 do 2,5 m/s2. bardzo niekomfortowo. ? m/s2. ekstremalnie niekomfortowo. 3.3. EUROPEJSKA NORMA OCENY KOMFORTU JAZDY Opublikowana w 2009 roku norma europejska EN 12299:2009 [15] okre metody oceny komfortu jazdy w pojazdach szynowych przy pomocy

(391)

(392)

(393) ? przyspieszenia. ' ?

(394) tej normy przest jej autorzy w pracy [13]. rzyspieszenie jest mierzone w kierunkach: ? ! poprzecznym i pionowym, oznaczanych jako X , Y , Z

(395) '

(396) symetrii

(397)

(398) $ Pomiar przyspieszenia jest wykonywany

(399) punktach pojazdu: P - #

(400) X , Y , Z ), A - na siedzisku fotela pasa?#w kierunkach Y , Z ) oraz D - na oparciu fotela (w kierunku X ). W metodzie oceny komfortu jazdy ? ' " O NVA. Wd Wb Wc 2 2 2 4 aWZPd95 2 ( aYA 95 ) ( a ZA 95 ) 4( a XD 95 ). (11). ?

(401) " NVD. Wd Wb Wd 2 2 2 3 16( aWXPd 50 )2 ( aYP 50 ) ( a ZP 50 ) 5( aYP 95 ). (12). d ?

(402) . W uproszczonej metodzie ocena komfortu jest dokonywana przy ?

(403) " N MV. Wd Wb 2 2 . 6 ( aWXPd 95 )2 ( aYP 95 ) ( a ZP 95 ).

(404) ?

(405)

(406) aKWM ( K. (13) X ,Y , Z , M. P, A, D ). ? ' w normie funkcje wagowe W ( f ) , które za? od jego kierunku: Wb ( f ) dla kierunku Z , Wb ( f ) dla kierunków X , Y oraz Wc ( f ) dla przyspieszenia.

(407) -

(408)

(409)

(410) . 173. w kierunku X mierzonego na oparciu fotela. P ? aKWMp

(411) ' w kolejnych 60 pr

(412)

(413)

(414) ekund dla czterech bloków o

(415) 5 minut.

(416) ana '

(417)

(418) w opisany sposób

(419) aKWM wyznacza ich 50 centyl # ') aKWM 50 i 95 centyl aKWM 95 , które ' ?

(420) #&!#&!#&

(421) " N MV , NVA i NVD . F " N MV '

(422) poziomów komfortu podanych w tablicy 3. Ta sama opisowa skala ' " NVA i NVD . Tablica 3 Ocena komfortu 7

(423) 72#

(424) !ów N. N MV , N VA i N VD [15]. N. Poziom komfortu. N 1m/s 2. bardzo komfortowy. 1 m/s 2 d N 2 m/s 2. komfortowy. 2 m/s 2 d N 4 m/s 2. . 4 m/s d N 5m/s. niekomfortowy. 2. N t 5m/s. 2. 2. bardzo niekomfortowy. 4. PODSUMOWANIE .

(425)

(426) go ? u ! ?

(427) ?

(428) . $

(429) ? nie tylko od amplitudy doznawanych przyspie

(430) ?

(431)

(432) '

(433) !

(434) ?$ ?

(435)

(436) '

(437)

(438)

(439)

(440) '

(441)

(442)

(443) ' w metodzie spektralnej. ?

(444) !

(445)

(446) w , jest wyznaczenie syntetycznych " ! F komfort wibracyjny $ H? F! ? ocena komfortu jazdy tu, a

(447)

(448) F

(449) ? od poziomu komfortu. W dzisiejszych czasach, kiedy mamy ? '? , ! tami oraz czasem przewozu, decyduje o naszym wyborze. Komfort wibracyjny jako jeden

(450) jazdy!'

(451) $. Bibliografia 1. BS 6841: Guide to measurement and evaluation of human exposure to whole-body mechanical vibration and repeated shock, British Standard Institution, London, 1985..

(452) 174. Ewa Kardas-Cinal. 2. Da Silva G.: Measurements of comfort in vehicles, Measurement Science and Technology, vol. 13, pp. R41–R60, 2002. 3. ENV 12299: Railway applications - Ride comfort for passengers - Measurements and evaluation, European Committee for Standardization, Brussels, 1999. 4. Förstberg, J.: Ride comfort and motion sickness in tilting trains - Human responses to motion environments in train and simulator experiments, Doctoral thesis, KTH/FKT/D-00/28-SE, Department of Vehicle Engineering, Royal Institute of Technology, Stockholm 2000. 5. Griffin M.J.: A comparison of standardized methods for predicting the hazards of whole-body vibration and repeated shocks, Journal of Sound and Vibration, vol. 215 (issue 4), pp. 883-914, 1998. 6. Griffin M.J.: Handbook of Human Vibration, Academic Press, 1990. 7. Griffin M.J.: The ergonomics of vehicle comfort. Proc. 3rd Int. Conf. of Vehicle Comfort and Ergonomic (Bologne) ed Associazone Tecnica dell’ Automobile (ATA), Paper 95A1026,1995. 8. Helberg, W. and Sperling, E.: Verfaren zur Beurteilung der Laufeigenschaften von Fahrzeugen, Organ für die Fortschritte des Eisenbahnwesens, vol. 12, pp. 176-187, 1941. 9. ISO 2631: Guide to the evaluation of human exposure to whole-body mechanical vibration and shock Geneva: International Organization for Standardization,1974. 10. ISO 2631–1: Mechanical vibration and shock. Evaluation of human exposure to whole-body vibration. Part 1: General Requirements. International Organization for Standardization, 1985 i 1997. 11. Kardas-@ 6$O:

(453) '

(454)

(455)

(456)

(457) $

(458) H

(459) $) $$ szawa 2013. 12. Kim Y.G., Kwon H.B., Kim S.W., Park C.K. and Park T.W.: Correlation of ride comfort evaluation methods for railway vehicles, Proc. Instn Mech. Engrs Part F: J. Rail and Rapid Transit, vol. 217, pp. 73–88, 2003. 13. Kufver B., Persson R. and Wingren J., Certain aspects of the CEN standard for the evaluation of ride comfort for rail passengers, WIT Transactions on The Built Environment, vol. 114, p. 605, 2010. 14. Narayanamoorthy R., Saran VH., Goel VK., Harsha SP., Khan S., M Berg M.: Determination of activity comfort in Swedish passenger trains. Proc. of 8th World Congress on Railway Research, p.18, 2008. 15. PN–EN 12299:2009: Kolejnictwo - / ? - Pomiary i ocena (ang. Railway applications. Ride comfort for passengers. Measurement and evaluation). PKN, Warszawa, 2009. 16. PN–91/S–O $-

(460)

(461)

(462)

(463)

(464)

(465)

(466) $ / H

(467) !- |

(468) !Warszawa, 1991. 17. Sperling E., Betzhold C.: Contribution to evaluation of comfortable running of railway vehicles. Bulletin of the International Railway Congress Association, 1957. 18. UIC 513R: Guidelines for evaluating passenger comfort in relation to vibration in railway vehicles, International Union of Railways, 1994. 19. Welch Peter D.: The use of fast fourier transform for the estimation of power spectra: a method based on time averaging over short, modified periodograms, IEEE Transactions on Audio Electroacoustics, vol. AU–15, pp. 70–73. June 1967.. METHODS OF VIBRATIONAL COMFORT EVALUATION IN MEANS OF TRANSPORT Summary: The problem of the vibrational comfort experienced by a passenger is becoming increasingly essential in recent years due to both health reasons and growing expectations of passengers travelling by their chosen means of transport. This paper presents a survey of chosen methods for evaluation of the ride comfort related to vibrations. The review shows that the investigations of vibrations experienced in the means of transport should take into account the human sensitivity to various parameters characterizing the vibrations (direction, amplitude, frequency) as well as the passenger’s position. Keywords: vibrational comfort, means of transport, passenger.

(469)