城市雙層動車組座椅人機工程學分析

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簽了192輛雙層不銹鋼客車的采購合同，且后續可能還會增購。澳大利亞城市雙層客車是公司首次出口到發達國家的鐵道客車，填補了我國研發雙層不銹鋼車體及動力分散式雙層動車組的空白，也是國內首次采用高等級澳大利亞標準制造的鐵道客車，為我國機車車輛今后出口到發達國家奠定了基礎。

1　座椅類型

澳大利亞城市雙層動車組座椅主體采用轉向座椅。該座椅是為悉尼等城市交通而設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。該座椅設計的特色在于“可調”，即座椅可以轉向，方便旅客選擇面向或背向列車前進方向。其主要結構是改變方向的“可調式”機械裝置，以及由重力澆鑄件及塑料件構成座椅的主要零部件。

1.1　轉向座椅

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，客室內座椅布置見圖4。為了保證客室1、2位側重力均衡，MC車型客室區域的上層座椅布置為1位側2人座椅、2位側3人座椅，下層座椅布置為1位側3人座椅、2位側2人座椅，即上下層座椅布置為對稱狀，并在端部設置縱向翻轉和固定座椅。

2　座椅參數

由于澳大利亞城市雙層動車組主要采用轉向座椅，故對轉向座椅進行重點介紹。轉向座椅尺寸參數如表1所示。

圖4　MC車客室座椅布置圖

表1　轉向座椅尺寸參數

由于澳大利亞城市雙層動車組考慮了整車碰撞性要求，所以座椅的設計結構比較復雜，質量也比國內的動車組大（一般是國內旋轉座椅的1.3～1.7倍）。轉向座椅實物稱重為：單人座椅48.4 kg，雙人座椅60.4 kg，3人座椅73.2 kg。

3　座椅轉向原理

座椅靠移動扶手實現轉向功能，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方向。座椅初始位置、轉向過程中位置及轉向后位置如圖5所示。以單人座椅為例，座椅轉動主要靠扶手內的四連桿機構的旋轉來實現，如圖6所示。

圖5　座椅轉向過程實景

4　座椅人機工程學分析

良好的座椅設計，必須從人體工程學角度進行研究。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

根據國際鐵路聯盟標準UIC 567—2004《客車一般規定》要求，一等車K≥790 mm、二等車K≥700 mm。根據國際鐵路聯盟標準UIC 660—2002《保證高速列車技術兼容性的措施》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UIC 567標準規定，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 a大于115°時，應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向座椅的靠背角度不可調節，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節，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，其高度應設計為400～460 mm。座面的前部應高一些，人體入座后不致向前移動。轉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，座墊高度設定為450 mm。UIC 567標準對座墊高度未進行規定，UIC 660標準中規定座墊高度為410～450 mm，故澳大利亞城市雙層動車組座椅滿足標準要求。

4.5　座墊深度分析

座面的前后進深尺寸稱為座墊深度。按照GB10000標準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標準要求座墊深度≥430 mm，UIC 660標準中規定座墊深度為430 mm。澳大利亞城市雙層動車組座墊深度為430 mm，滿足國際標準要求。

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大于70 mm，靠背的軟度應根據人體的總體情況確定。因為人的胸椎是向后彎曲的，所以靠背的相應部位應軟一些。而腰椎向前彎曲，因此靠背這部分應硬一些，以便將人的腰部托起來。靠背上部壓縮量一般在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，滿足人機工程學要求。

圖9　轉向座椅座墊爆炸圖

4.7　扶手高度分析

扶手高度是指人的坐骨結節到肘部下點的距離。根據我國人體特點，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向座椅的扶手是一個轉向機構，所以扶手角度稍顯差些，但扶手高度符合人體工程學要求。

4.8　腳踏分析

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

4.9　轉向分析

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構實現了靠背方便地翻轉，實用性非常強。該座椅充分考慮了人機工程學的原理，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地民眾的廣泛歡迎。

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標準要求，乘坐舒適度符合AS 1428標準要求，乘坐舒適度為2 h。座椅的轉向操作力要求為：垂直于旋轉中心，移動轉向3人座椅的力不超過90 N，移動轉向2人座椅的力不超過66 N，翻轉座椅的力不超過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標準要求。

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，但可以通過結構的改進和優化，在國內城際動車組中進行應用和推廣。

7　結語

澳大利亞城市雙層動車組轉向座椅具有一定的先進性，在模塊化設計及性能指標方面均等同或高于歐洲標準，在鐵路應用的可靠性、可用性、可維護性和安全性技術條件等方面高于日本高速動車的旋轉座椅。

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

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

［2］張賢凱，張永明.淺談人機工程學在CRH2型動車組司機室中的應用［J］.科技創新導報，2012（12）：23.

［3］丁玉蘭.人機工程學［M］.北京.北京理工大學出版社，2005.

［4］中國標準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：國家技術監督局，1988.

［5］國際鐵路聯盟.客車一般規定：U1C 567—2004［S］.巴黎：國際鐵路聯盟，2004.

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