城市雙層動車組座椅人機工程學(xué)分析

趙　慧　董濤濤　周鑫弘

（中車長春軌道客車股份有限公司工程研究中心，130062，長春∥第一作者，教授級高級工程師）

2008年，中車長春軌道客車股份有限公司（以下簡稱公司）與澳大利亞新南威爾士州簽訂了制造626輛雙層不銹鋼客車的采購合同；2016年11月，公司又與新南威爾士州續(xù)簽了192輛雙層不銹鋼客車的采購合同，且后續(xù)可能還會增購。澳大利亞城市雙層客車是公司首次出口到發(fā)達(dá)國家的鐵道客車，填補了我國研發(fā)雙層不銹鋼車體及動力分散式雙層動車組的空白，也是國內(nèi)首次采用高等級澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)制造的鐵道客車，為我國機車車輛今后出口到發(fā)達(dá)國家奠定了基礎(chǔ)。

1　座椅類型

澳大利亞城市雙層動車組座椅主體采用轉(zhuǎn)向座椅。該座椅是為悉尼等城市交通而設(shè)計的新型旅客列車座椅，適用于城軌列車、高速列車及雙層旅客列車。該座椅設(shè)計的特色在于“可調(diào)”，即座椅可以轉(zhuǎn)向，方便旅客選擇面向或背向列車前進(jìn)方向。其主要結(jié)構(gòu)是改變方向的“可調(diào)式”機械裝置，以及由重力澆鑄件及塑料件構(gòu)成座椅的主要零部件。

1.1　轉(zhuǎn)向座椅

在上層客室和下層客室中，能夠使乘客始終面向列車運行方向的座椅稱為轉(zhuǎn)向座椅，可分為2人座椅、3人座椅及單人座椅，如圖1所示。

圖1　雙層動車組客室轉(zhuǎn)向座椅

1.2　固定座椅

在上層客室和下層客室端部，布置了不能轉(zhuǎn)向的固定座椅，座椅上的各部件均不能活動（見圖2）。

圖2　雙層動車組客室固定座椅

1.3　翻轉(zhuǎn)座椅

在客室端部，為了方便乘客上下車和殘疾人輪椅的存放，局部布置了翻轉(zhuǎn)座椅。該座椅始終面向一個方向，座墊可以向上翻起，如圖3所示。

圖3　雙層動車組客室端部翻轉(zhuǎn)座椅

澳大利亞城市雙層動車組分為TDC、MC、TC3種車型。以MC車為例，客室內(nèi)座椅布置見圖4。為了保證客室1、2位側(cè)重力均衡，MC車型客室區(qū)域的上層座椅布置為1位側(cè)2人座椅、2位側(cè)3人座椅，下層座椅布置為1位側(cè)3人座椅、2位側(cè)2人座椅，即上下層座椅布置為對稱狀，并在端部設(shè)置縱向翻轉(zhuǎn)和固定座椅。

2　座椅參數(shù)

由于澳大利亞城市雙層動車組主要采用轉(zhuǎn)向座椅，故對轉(zhuǎn)向座椅進(jìn)行重點介紹。轉(zhuǎn)向座椅尺寸參數(shù)如表1所示。

圖4　MC車客室座椅布置圖

表1　轉(zhuǎn)向座椅尺寸參數(shù)

由于澳大利亞城市雙層動車組考慮了整車碰撞性要求，所以座椅的設(shè)計結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，質(zhì)量也比國內(nèi)的動車組大（一般是國內(nèi)旋轉(zhuǎn)座椅的1.3～1.7倍）。轉(zhuǎn)向座椅實物稱重為：單人座椅48.4 kg，雙人座椅60.4 kg，3人座椅73.2 kg。

3　座椅轉(zhuǎn)向原理

座椅靠移動扶手實現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能，通過靠背位置的變換，保證乘客在同一座椅上能夠始終保持面向列車前進(jìn)方向。座椅初始位置、轉(zhuǎn)向過程中位置及轉(zhuǎn)向后位置如圖5所示。以單人座椅為例，座椅轉(zhuǎn)動主要靠扶手內(nèi)的四連桿機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)，如圖6所示。

圖5　座椅轉(zhuǎn)向過程實景

4　座椅人機工程學(xué)分析

良好的座椅設(shè)計，必須從人體工程學(xué)角度進(jìn)行研究。為了使乘客坐姿舒適，需要研究乘客在乘車時的生理和心理特征。舒適的座椅能使人體坐時壓力分布均勻、肌肉放松、血液循環(huán)良好、疲勞減少。所以，良好的座椅外形尺寸對提高旅客的舒適度、減輕旅客的疲勞具有直接作用。

4.1　乘客膝蓋舒適度分析

無論座椅靠背傾斜到任何位置，其在膝蓋水平高度上的自由空間K值都有一定的要求（見圖7）。

圖6　單人座椅三維爆炸圖

圖7　座椅自由空間示意圖

根據(jù)國際鐵路聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)UIC 567—2004《客車一般規(guī)定》要求，一等車K≥790 mm、二等車K≥700 mm。根據(jù)國際鐵路聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)UIC 660—2002《保證高速列車技術(shù)兼容性的措施》要求，一等車K≥770 mm、二等車K≥680 mm。

在澳大利亞城市雙層動車組中，客室中部座椅的K=709 mm，端部座椅的K=683 mm，均為二等車，且兩端座椅乘客舒適度比中部座椅稍差。

4.2　座椅間距分析

根據(jù)UIC 567標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，一等車座椅間距≥1 010 mm、二等車座椅間距≥940 mm。澳大利亞城市雙層動車組座椅間距僅為855 mm，乘坐舒適度較低，所以該所有車型座椅僅適合中、短途城際客運，不適用于長途客運。

4.3　靠背角度分析

座椅靠背與水平線之間的夾角為a，座面與水平線間夾角為b（見圖8）。a的大小直接影響乘客的休息舒適度，越大舒適度越好。對于有扶手的座椅來說，a為 105°～ 110°、b為 3°～ 5°最為合適；當(dāng) a大于115°時，應(yīng)考慮增加頸部支撐點，沒有頭枕則頸部易于疲勞。

圖8　座椅靠背角度示意圖

澳大利亞城市雙層動車組轉(zhuǎn)向座椅的靠背角度不可調(diào)節(jié)，a=104°，b=5°。座椅靠背角度滿足乘客乘坐要求，但由于靠背角度不可調(diào)節(jié)，所以僅適用于短途城際客運。

4.4　座墊高度分析

座墊高度是指座椅座墊最高點與水平地面的垂直距離。GB 10000—1988《中國成年人人體尺寸》中給出我國男性下肢平均長度為410 mm，女性為380 mm，因此，對于座墊軟度較大的座椅，其高度應(yīng)設(shè)計為400～460 mm。座面的前部應(yīng)高一些，人體入座后不致向前移動。轉(zhuǎn)向座椅座墊的爆炸圖如圖9所示。

澳大利亞城市雙層動車組座椅座墊海綿采用聚氨酯高回彈泡沫塑料，其厚度僅為40 mm，乘客入座后能夠直接接觸到聚氨酯高回彈泡沫塑料下方的注塑件，所以座墊整體硬度較高。為了保證乘客的舒適度，座墊高度設(shè)定為450 mm。UIC 567標(biāo)準(zhǔn)對座墊高度未進(jìn)行規(guī)定，UIC 660標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定座墊高度為410～450 mm，故澳大利亞城市雙層動車組座椅滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.5　座墊深度分析

座面的前后進(jìn)深尺寸稱為座墊深度。按照GB10000標(biāo)準(zhǔn)中人體大腿骨水平長度考慮，一般座墊深度在430～500 mm為宜。UIC 567標(biāo)準(zhǔn)要求座墊深度≥430 mm，UIC 660標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定座墊深度為430 mm。澳大利亞城市雙層動車組座墊深度為430 mm，滿足國際標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.6　座面軟度分析

軟度是指座面和靠背的軟硬程度。座椅座面下沉一般不應(yīng)大于70 mm，靠背的軟度應(yīng)根據(jù)人體的總體情況確定。因為人的胸椎是向后彎曲的，所以靠背的相應(yīng)部位應(yīng)軟一些。而腰椎向前彎曲，因此靠背這部分應(yīng)硬一些，以便將人的腰部托起來?？勘成喜繅嚎s量一般在30～40 mm，下部壓縮量在35 mm為宜。澳大利亞城市雙層動車組座墊及靠背的壓縮量為40 mm，滿足人機工程學(xué)要求。

圖9　轉(zhuǎn)向座椅座墊爆炸圖

4.7　扶手高度分析

扶手高度是指人的坐骨結(jié)節(jié)到肘部下點的距離。根據(jù)我國人體特點，這個距離平均男性為260 mm，女性為240 mm。扶手過高，則肩不易自然下垂，容易引起疲勞；扶手過低，需用力下垂肘部才能接觸到扶手，同樣也容易引起疲勞。

由于澳大利亞城市雙層動車組轉(zhuǎn)向座椅的扶手是一個轉(zhuǎn)向機構(gòu)，所以扶手角度稍顯差些，但扶手高度符合人體工程學(xué)要求。

4.8　腳踏分析

澳大利亞城市雙層動車組轉(zhuǎn)向座椅采用固定式腳踏，腳踏距地板面高度為146 mm，腳踏材質(zhì)采用外徑38 mm、厚度4 mm的鋁型材。

4.9　轉(zhuǎn)向分析

為了滿足乘客面向運行方向的需求，澳大利亞城市雙層動車組座椅通過簡單的機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了靠背方便地翻轉(zhuǎn)，實用性非常強。該座椅充分考慮了人機工程學(xué)的原理，同時具有較強的防撞性，因此，得到了新南威爾士州政府和當(dāng)?shù)孛癖姷膹V泛歡迎。

5　座椅性能

澳在利亞城市雙層動車組座椅的機械性能滿足AS 2670/EN 50126標(biāo)準(zhǔn)要求，乘坐舒適度符合AS 1428標(biāo)準(zhǔn)要求，乘坐舒適度為2 h。座椅的轉(zhuǎn)向操作力要求為：垂直于旋轉(zhuǎn)中心，移動轉(zhuǎn)向3人座椅的力不超過90 N，移動轉(zhuǎn)向2人座椅的力不超過66 N，翻轉(zhuǎn)座椅的力不超過50 N。座椅靠背頂部邊緣的前、后面均能夠承受垂直載荷1 400 N，座墊前邊緣中心處能夠承受載荷1 400 N，扶手頂部邊緣的兩個方向上均能夠承受載荷1 400 N，腳踏板中心能夠承受垂直載荷1 400 N。座椅能夠承受兩個95%成年男性同時拋入座椅靠背、速度為4.5 m/s的沖擊力。座椅的轉(zhuǎn)向功能至少能夠運用15 000次而無損壞。座椅的阻燃性能符合BS 6853/ISO 9705標(biāo)準(zhǔn)要求。

6　座椅的推廣

澳大利亞城市雙層動車組座椅占用客室空間較少，對于人口密集型的國內(nèi)動車組來說具有一定的借鑒意義。但該座椅由于考慮了較強的載荷防撞性要求，因此座椅整體較重。該座椅采用了進(jìn)口面布以滿足座椅的防涂鴉和破壞要求，所以成本較高。因此，該座椅目前對我國高速動車組運用的意義不大，但可以通過結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和優(yōu)化，在國內(nèi)城際動車組中進(jìn)行應(yīng)用和推廣。

7　結(jié)語

澳大利亞城市雙層動車組轉(zhuǎn)向座椅具有一定的先進(jìn)性，在模塊化設(shè)計及性能指標(biāo)方面均等同或高于歐洲標(biāo)準(zhǔn)，在鐵路應(yīng)用的可靠性、可用性、可維護(hù)性和安全性技術(shù)條件等方面高于日本高速動車的旋轉(zhuǎn)座椅。

該座椅旋轉(zhuǎn)技術(shù)理念同日本高鐵座椅旋轉(zhuǎn)技術(shù)理念截然不同。日本旋轉(zhuǎn)座椅必須留有充足的旋轉(zhuǎn)空間（車內(nèi)定員會相應(yīng)減少），才能保證其旋轉(zhuǎn)功能，而該座椅的旋轉(zhuǎn)則相對不受座間距的影響。日本高鐵座椅的旋轉(zhuǎn)技術(shù)適合中距離客運，而該座椅的旋轉(zhuǎn)技術(shù)更適合城際短途客運。

［1］黃明，肖艷榮.人機工程學(xué)在動車組設(shè)計中的應(yīng)用［J］.鐵道車輛，2014，52（8）：35.

［2］張賢凱，張永明.淺談人機工程學(xué)在CRH2型動車組司機室中的應(yīng)用［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2012（12）：23.

［3］丁玉蘭.人機工程學(xué)［M］.北京.北京理工大學(xué)出版社，2005.

［4］中國標(biāo)準(zhǔn)化與信息分類編碼研究所.中國成年人人體尺寸：GB 10000—88［S］.北京：國家技術(shù)監(jiān)督局，1988.

［5］國際鐵路聯(lián)盟.客車一般規(guī)定：U1C 567—2004［S］.巴黎：國際鐵路聯(lián)盟，2004.

［6］國際鐵路聯(lián)盟.保證高速列車技術(shù)兼容性的措施：UIC 660—2002［S］.巴黎：國際鐵路聯(lián)盟，2002.