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Part III Maintenance & management Section 5 Track Loading and Damage Track Loading and Damage

Part III Maintenance & management Section 5 Track Loading and Damage Track Loading and Damage MINI-MARPAS Section 7 Railway Noise and Vibration Section 26 Track Monitoring Equipment Track irregularity 1.2 Passenger Comfort Criteria 1.3 Measures for Track Roughness

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Presentation Transcript

  1. Part III Maintenance & management • Section 5 Track Loading and Damage • Track Loading and Damage • MINI-MARPAS • Section 7 Railway Noise and Vibration • Section 26 Track Monitoring Equipment • Track irregularity • 1.2 Passenger Comfort Criteria • 1.3 Measures for Track Roughness • 1.4 Required Track Standards • 1.7 Curving And Passenger Comfort

  2. Passenger Comfort Criteria • 舒適度是車軌耦合系統整體行為之表現 • 軌道設計與維護、車輛設計與維護、行駛速度、超高不足量，都影響乘客感受到的加速度影響 • 舒適度標準遠比安全性嚴格 • 能夠滿足人體對舒適度感知的情況，通常不會有安全上之顧慮。 • 舒適度之認定因人而異 • 舒適度之感受因不同狀況下有不同標準 • 長途高速列車與短程通勤列車之舒適度要求相當不同 • 站立、走動、用餐、喝飲料、閱讀、書寫所需穩定度不同 • 駕駛艙設備不如客艙，工作枯燥漫長，舒適度標準不同

  3. Passenger Comfort Criteria • 下圖模擬40公里路線每一分段內之最大加速度與加速度均方根 Source : 軌道工程技術講義, 高速鐵路工程籌備處, 1993

  4. Passenger Comfort Criteria • Ride Comfort • 行駛中車廂晃動加速度取決於軌道品質、行駛速度 • 英國從三大方向評估振動嚴重程度 • 對健康危害程度 • 影響行為能力程度 • 舒適程度 • 一般軌道車輛造成的振動不以前兩類標準評估，僅需以第三類舒適度標準評量

  5. Passenger Comfort Criteria • Comfort Weighting Filters • 舒適度：主觀、因人而異 (但人體均對特定頻率較敏感) • 側向振動，0.2到2 Hz最有影響； • 上下振動，0.2到10 Hz之間 • 量測各方向振動數據  權重曲線(僅擷取人體感受較強烈的頻率範圍訊號  綜合評量指標 (ex. Vibration dosage levels) • 綜合評量數值 vibration dosage value (VDV) • 對於特定振動大小，能忍受的時間 • 將振動訊號經濾波器過濾出影響顯著的頻段訊號 • 對振動持續延時積分

  6. Passenger Comfort Criteria • BR Experimental Work • 傳統多以「平均值」 (Journey average ride)評估舒適度 • 以有座乘客全程經歷的加速度，對不同振動敏感度經加權計算平均綜合評價 • 方便、但較籠統，無法反應振動特性與完整感受 • 將站立旅客、有座旅客、受到偶發跳動等研究人體對不同振動加速度的反應 (以0.25英哩為分段單位) • 平均值評量之外，相鄰振動加速度峰值之差異也是影響舒適度感知的關鍵指標。 • 實驗結果歸納成為不同狀況下之「乘客不滿意度」與車廂振動加速度關係式

  7. Passenger Comfort Criteria • 特殊狀況指標(Discrete events) • 先將高於2 Hz之部分濾除不計 • 其餘小於2 Hz部分之平均為ÿm、相鄰2秒之加速度峰值差最大值為ÿp。乘客不滿意度如下式。 P = aÿp + bÿm– c P: passenger dissatisfaction (% of g) g : 重力加速度 9.81 m/sec2 a = 0.83, b = 1.28, c = 21.7 for seated passengers a = 1.63, b = 2.65, c = 37.0 for standing passengers

  8. Passenger Comfort Criteria • 乘客活動 (Passenger activities) • 振動使得不同活動之難度不同，如下圖顯示 • Sitting 最簡單，writing最困難 • 不同活動對於不同方向的振動與不同頻率的振動感受程度不一

  9. Passenger Comfort Criteria • ”舒適度標準很難訂定 • 旅客的期望(心理因素) • 路線設計服務水準(路線條件) • 提昇舒適度 • 先確定旅客最重視的車上活動 • 進行針對性之車軌系統改善 Source : 軌道工程技術講義, 高速鐵路工程籌備處, 1993

  10. Passenger Comfort Criteria Source :新軌道力學，中國鐵道出版社

  11. 舒適度 = f (車速、車種、路線、路段、、) Source :新軌道力學，中國鐵道出版社

  12. Passenger Comfort Criteria ISO 2631 舒適性判別 axw、ayw、 azw : x、y、z方向振動加速度 aref= 10-5 m/s2

  13. 等感覺曲線 Source : ISO 2631 Code

  14. Passenger Comfort Criteria Sperling平穩性指標 Ride quality Passenger comfort a ：振動加速度的峰值(單位cm/s2)； f ：頻率(單位Hz)； F(f)：修正係數，反應人對不同頻率振動的敏感性

  15. Passenger Comfort Criteria BR平穩性指標 vertical F(f)=0.325f2 0 < f < 5.9 Hz F(f)=400/f2 5.9Hz < f < 20Hz F(f)=1 f > 20Hz

  16. 座位和站位簡單量測公式 : 以Wb為加權函數所得之地板加速度 : 以Wc為加權函數所得之地板加速度 : 以Wd為加權函數所得之地板加速度

  17. Measures for Track Roughness • 軌道線形可以透過兩支鋼軌垂直水平線型的不同參數來評量。主要分為五類 • 高低 (Mean vertical profile, Top) • 方向 (Mean lateral profile, Line) • 水平 (Crosslevel) • 平面性 (Twist, rate of change of crosslevel) • 軌距 (Gauge)

  18. Source : 王午生主編，鐵道線路工程

  19. Measures for Track Roughness • 以連續、任意型式的不平整呈現 • 不同波長之規律起伏 • 接頭、焊點、轉轍點、岔心等不連續點 Source : 軌道工程技術講義, 高速鐵路工程籌備處, 1993

  20. Measures for Track Roughness • 不同線型代表的軌道不整特質 • 軌道不整的本質常以不平整頻譜呈現 • 鋼軌本身的不平整通常波長較短 • 路基道渣沉陷引起的不平整波長較長 • 10m左右波長之不平整的影響大 • 長波長的不平整的影響顯著 • 6、9、18m都出現不平整度增加現象，與鋼軌製造長度焊接位置有關。 • 路段平均值訂定舒適度標準疏忽特殊狀況引起平順問題 • 雖然整體平均合格，但零星不連續點可能有危害行車安全之虞。

  21. Measures for Track Roughness • 軌道平順度、車速與舒適度之關係 • 影響乘客舒適度最重要的人體感知頻率與車廂共振頻率接近 • 垂直向約為1Hz (cf. 0.2到10 Hz) • 側向約為0.5Hz (cf. 0.2到 2 Hz) • 高速列車對長波長之軌道起伏較敏感 • 車速、波長之組合，決定該軌道不整是否影響舒適度 • 影響舒適度之軌道起伏波長隨車速增加而增加。

  22. Measures for Track Roughness 道渣或道床沉陷或側移的軌道不平整  砸道 波長在3m - 60m之間的不平整可因整渣而獲得顯著改善

  23. Measures for Track Roughness • 若軌道不整波長為弦長偶數分之一(1/2，1/4、、、)，將導致弦測誤判為平直路段。 Source : Kenneth P. Kramp, The Analysis and Creation of Track Irregularities Using TRAKVU

  24. Measures for Track Roughness • 若軌道不整波長遠大於弦長，將導致弦測誤判為接近平直路段。 Source : Kenneth P. Kramp, The Analysis and Creation of Track Irregularities Using TRAKVU

  25. Measures for Track Roughness • 若軌道不整波長為弦長之奇數分之一(1/3，1/5、、)，將導致弦測誇大不平整幅度。 Source : Kenneth P. Kramp, The Analysis and Creation of Track Irregularities Using TRAKVU

  26. Measures for Track Roughness • 因此，頻譜分析之初步結果必須透過Gain responses of MCO method修正。 Source : Kenneth P. Kramp, The Analysis and Creation of Track Irregularities Using TRAKVU

  27. Source : 軌道工程技術講義, 高速鐵路工程籌備處, 1993

  28. 不連續點可輕易在量測曲線上辨識出來﹕ Top (高低)﹕ 除非極嚴重，通常不致出軌。 高程落差意味著軌道正因道渣或路基因素快速損壞中。 Line (方向)﹕ 水平向偏差可能導致出軌，常見於彎道。 Crosslevel (水平)﹕ 嚴重的水平問題都有twist伴隨發生。 Twist (扭曲)﹕ 必須與車輛避震系統勁度及轉向架勁度一併評估嚴重程度。 Gauge (軌距)﹕ 通常代表鋼軌磨損程度或軌道零件損壞 是預防脫軌的評估項目之一 Measures for Track Roughness

  29. Measures for Track Roughness • 高速路線 • 高速軌道要求的標準高於一般軌道 • 長波長不平整在高速軌道(時速高於200km/h)上是影響舒適度的振動主因，需將濾波器的濾除上限延伸。 • 必須研發消除長波長不平整的整渣砸道機。 • 非客運路線 • 無舒適度要求，僅需維持基本平整度，以保護易碎或貴重貨物。 • 貨運線軌道平整度檢查的重點在於「安全(防出軌)」與「壽命(車、軌)」

  30. Required Track Standards • 軌道平整度標準三項原則 • 行車安全性 (safety against derailment) • 軌道壽命 (acceptable life of track) • 乘客舒適度 (passenger ride quality) • 以直線路段為對象 • 高成本  高品質路線  高搭乘品質  高載客率  利潤 • 選擇舒適度標準 • 經濟 • 路線特性 • 城際高速路線：高票價、旅途中辦公、旅途不勞累 • 都會捷運：旅程短，準點率、車廂清潔

  31. Required Track Standards • 品質維護的最低標準 vs. 軌道品質的上限 • 當軌道品質達到某種水準後，提昇舒適度已超出乘客感覺，不可能再提高營收。 • 通常以「軌道平整度標準差」(S.D.)為訂定標準

  32. Required Track Standards • 速度因素 • 軌道標準與行車速度有絕對關係 • 垂直向、側向：舒適度與軌道品質呈1-2次方正比 • 行車速度提昇10%，須提昇軌道品質超過10% • 車廂因素 • 高舒適度的車廂  提高乘客舒適度 • 車廂避振技術有極限，仍需車、軌並進提昇舒適度 • 軌道缺陷因素 • 短波長不整 (接頭、焊點平順、波狀磨耗)不使整體線形嚴重偏差 卻顯著影響舒適度

  33. Source : 軌道工程技術講義, 高速鐵路工程籌備處, 1993

  34. Required Track Standards • 軌道平整度分佈曲線 • 路段品質差異原因 • 道床問題 • 道渣不均勻 • 轉轍尖軌或岔心 • 疏於養護 • 道渣老化、排水不良 • 軌道零件老化 Source : 軌道工程技術講義, 高速鐵路工程籌備處, 1993

  35. Required Track Standards • 標準偏差分佈上限值 • 軌道安全對應之標準偏差 • 高速路線標準嚴格  標準偏差上限較高 • 英國國鐵以90%水準來要求軌道品質 • 使軌道不整標準偏差低於標準的路段<10% • Better than Acceptable Level (0 – 50%)：品質尚可的部分 • Better than Unacceptable Level (50 – 90%)：接近此限度之路段都需要立即規劃維修。 • Better than the Maximum Level (90 – 100%)：段已瀕臨安全問題界線，需要立即更新，數量必須嚴控低於10% • Worse than the Maximum Level: 屬於緊急等級，需在36小時內處理或限速行駛。

  36. 平整度標準在軌道維修計劃之應用 定期整渣砸道，以恢復設定高程 整渣恢復軌道品質的維修循環 掌握軌道品質與維修頻率之關係合宜維修計劃 Required Track Standards Source : 軌道工程技術講義, 高速鐵路工程籌備處, 1993

  37. Required Track Standards • 訂定實際最適維修計劃 • 準則 • 損壞特性、原因、速度、及以往維修紀錄 • 輕重緩急 • 某些位置雖然品質差，但惡化速度慢 • 某些位置雖然品質尚可，但會急速惡化 • 維修紀錄、檢測歷史數據相當重要

  38. Curving and Passenger Comfort • 車身行為模式 • 非平衡速度通過彎道  內傾或外甩側向力  傳到懸吊彈簧  彈簧反制力  車身獲得平衡 • 客車 • 柔軟二次懸吊避震，舒適度較高 • 產生過大位移，緩衝裝置(bumpstops)避免過度晃動 • 彎道上 • 側向力引起側向晃動 • 垂直懸吊彈簧  起伏晃動 • 車身角度超過實際超高度傾斜 • 額外側傾量：roll coefficient=車身底板與實際超高之斜度差 • 一般roll coefficient約1.2-1.3 (車廂傾角>實際超高20%-30%)

  39. 軌道不平整影響 • 直線：flangeway clearance，輪緣少衝撞鋼軌，軌道不平整較不易影響行車 • 彎道 • 轉向架前輪軸常偏外側軌  輪緣衝擊外側軌 • 稍微不平整都經輪緣接觸影響輪軸行進(舒適度) • 彎道處之軌道品質維護是一大挑戰 • 車身懸吊之影響 • 車廂傾斜  懸吊彈簧受壓 車身觸及緩衝裝置 • 緩衝檔行為 ≈ 硬懸吊  避震效果較小  乘客承受較大加速度

  40. 下圖顯示三種車速過彎之側向加速度 • 6度超高過量、平衡車速、6度超高不足 • 側向力不同 • 超高不足之側向加速度變化較為劇烈 Source : 軌道工程技術講義, 高速鐵路工程籌備處, 1993

  41. 對乘客感受度之影響 • 對整體路線之平均振動、特定點振動劇烈晃動的感知 • 道岔、平交道應避免佈設於彎道 • 傾斜式車廂之影響 • 使感受側向加速度下降 • 避振彈簧因車身大幅側傾而變硬  需調整傾斜中心 • 乘客完全感受不到超高不足之側向加速度 • 轉彎視覺與感覺不協調而產生嘔吐不適感 • 一般搖擺技術應以消除50% - 70%側向加速度為宜

  42. 車身於超高不足彎道承受側向加速度使車身更傾向側移到極限車身於超高不足彎道承受側向加速度使車身更傾向側移到極限 • 忍受軌道不整引起之擾動能力下降 • 彎道上旅客不滿意度升高(容易察覺彎道上之不平整) Seated passenger dissatisfaction Source : 軌道工程技術講義, 高速鐵路工程籌備處, 1993

  43. Standing passenger dissatisfaction Source : 軌道工程技術講義, 高速鐵路工程籌備處, 1993

  44. 緩和曲線上之行為 • 實測證實，乘客對加速度變化量、加速度變化率、及車身起伏速度相當敏感。 : the change in the level of acceleration ( % g ) : the rate of change of acceleration ( % g/sec) qe：the roll velocity (起伏速度) (degree/sec) 上述參數中，一部份與軌道設計有關，有些與車身設計有關

  45. 緩和曲線之接點 • 彎道入口(curve entry, A)、彎道出口(curve exit, D)、反向曲線(reverse curve, B)、複合曲線(compound curve, C)。 • 直線上，旅客無從預知彎道，彎道入口屬意外狀況。 • 一旦進入彎道，旅客能預期彎道出口的變化 • 反向曲線，對旅客衝擊不如彎道入口：只是彎道出口之變化歷時比預期長一些。 • 複合曲線，第二段曲線使旅客出彎道處意外發現另一個彎道加速度，感覺衝擊也相當大。 舒適滿意度依序分別為 D > B > A > C

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