基于壓瘡形成機理的軌道交通車輛座椅體壓分布測試分析

賈旭　戰(zhàn)雪

（中車長春軌道客車股份有限公司設(shè)備研發(fā)部，130062，長春∥第一作者，工程師）

軌道交通車輛座椅直接影響乘客整個旅途的乘坐舒適性，而如何設(shè)計出舒適的座椅也是座椅研究的焦點與核心。目前，汽車座椅的研究成果相對較多，而軌道交通車輛座椅研究成果相對較少。而在眾多研究中，對座椅舒適度的研究幾乎均為論述大體方法，沒有結(jié)合具體試驗給出量化值，故而對座椅設(shè)計沒有太多的指導(dǎo)意義。

本文基于壓瘡形成機理與體壓分布規(guī)律，對軌道交通車輛座椅舒適性問題進行研究，梳理相關(guān)理論［1-5］，探討目前軌道交通車輛座椅標(biāo)準(zhǔn)提升的一些設(shè)想，對基于目前動車組中設(shè)置的座椅進行測試分析，并給出評價指標(biāo)的量化值建議。

1　軌道交通車輛座椅相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

目前，國內(nèi)外軌道交通車輛座椅涉及的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)主要有：TB/T 3263—2011《動車組乘客座椅》；JIS E 7104—2002《鐵路車輛旅客座椅》；NF F 31-119-1995《鐵路車輛：在靜電應(yīng)力、疲勞應(yīng)力、振動和沖擊應(yīng)力下鐵路車輛座位的特性》；TB/T 3264—2011《動車司機座椅》；UIC 566—1990《客車車體及其零部件的載荷》；UIC 567—2004《客車一般規(guī)定》；TB/T 2961—1999《機車司機室座椅》；UIC 660—2002《保證高速列車技術(shù)兼容性的措施》。

上述標(biāo)準(zhǔn)中，在座椅人機舒適性上的描述除UIC 567—2004中附件D.4.3“乘客列車及發(fā)電車內(nèi)座椅坐墊檢查的最低要求”中要求“接觸區(qū)域溫度不應(yīng)該超過35℃和濕度不應(yīng)該超過70%，在接觸區(qū)域測試量值不應(yīng)該保持比相應(yīng)表面低”之外，其余標(biāo)準(zhǔn)無類似的量化舒適度相關(guān)要求。

2　壓瘡形成機理

2.1　壓瘡分級

由于受持續(xù)的壓力、剪切力、摩擦力引起的皮膚或組織損傷，主要是由于長期坐姿或臥姿引起局部毛細血管持續(xù)受壓，血液循環(huán)障礙，持續(xù)缺血缺氧，營養(yǎng)不良，從而發(fā)生組織變質(zhì)壞死，在生理學(xué)上稱之為壓瘡。壓瘡根據(jù)嚴重程度分為4級（見圖1）：第一級皮膚完整，部分紅斑形成；第二級部分淺表面的皮膚缺損，損傷累及表皮及真皮；第三級皮膚全層缺損并伴有皮下組織損傷，累及筋膜層，表現(xiàn)為火山口樣；第四級皮膚全層的廣泛損傷，組織壞死，累及肌肉、骨和肌腱。

2.2　壓瘡形成原因

2.2.1垂直壓力

圖1　人體壓瘡分級示意圖

垂直壓力是壓瘡產(chǎn)生的主要因素。當(dāng)人體處于坐姿時，無論臀部受什么形式的載荷，軟組織總是受到垂直于皮膚表面的支撐力。壓瘡發(fā)生率與受壓時間和壓力大小有緊密的聯(lián)系。文獻［6］提出持續(xù)受7.99 kPa（60 mmHg）的壓力1 h會導(dǎo)致組織缺血，而如果31.99 kPa（240 mmHg）的壓力瞬時能被釋放，組織不會發(fā)生損壞。文獻［7］表明持續(xù)受9.33 kPa（70 mmHg）的壓力2 h能引起壓瘡，但若壓力每隔5 min被釋放，組織不會受太大的影響。文獻［8-9］研究了引起壓瘡的壓力與時間關(guān)系，如圖2表示。

圖2　引起壓瘡的壓力與時間關(guān)系

2.2.2摩擦力和剪切力

當(dāng)乘客入座時皮膚會承受座墊表面的逆行阻力，從而產(chǎn)生摩擦力。摩擦力會使組織溫度升高，在組織已經(jīng)缺氧的情況下，溫度升高會加劇壓瘡的發(fā)生。剪切力是由壓應(yīng)力和摩擦力共同作用產(chǎn)生的。文獻［9-10］表明，剪應(yīng)力的存在會造成血管堵塞，即使低壓也會造成潰瘍。

座椅的設(shè)計要從減少壓瘡的形成為基準(zhǔn)開展，即減少垂直壓力、摩擦力與剪切力，增加乘坐的舒適性。

3　座椅體壓分布試驗

理想座墊壓力分布應(yīng)該是在坐骨結(jié)節(jié)下的壓力最高，壓力沿著大腿到膝蓋遞減；壓力均勻分配，壓力變化平緩無突變，且沒有應(yīng)力集中點。理想座墊的等壓線如圖3所示。理想靠背壓力分布應(yīng)該是支撐在整個人體表面，在肩胛骨和腰椎骨兩個部位的壓力最高，壓力變化平緩，在肩部和腰部有良好的支撐，沒有應(yīng)力集中點。體壓分布典型測量系統(tǒng)如圖4所示。

圖3　理想座墊的等壓線

圖4　座椅體壓分布典型測量系統(tǒng)

依據(jù)上述的壓瘡形成機理，結(jié)合目前的試驗設(shè)備條件，對既有軌道交通車輛普通客室坐姿舒適性進行了試驗分析。在試驗前，對國外一款常用的乘坐舒適性較好的工程機械座椅進行測量與評估，結(jié)果顯示坐骨處的壓力值不大于30 kPa，腿部不大于6 kPa。

以目前中國標(biāo)準(zhǔn)動車組車輛座椅為例，座墊主要由聚氨酯發(fā)泡外包覆織物蒙面組成，靠背主要由內(nèi)嵌金屬骨架外包裹聚氨酯發(fā)泡及織物蒙面組成。座椅主要外形尺寸參數(shù)見表1。

表1　普通客室座椅主要參數(shù)

考慮目前座椅靠背角度要求可調(diào)，且座椅上部要求可旋轉(zhuǎn)180°，故在布置座椅時，主要通過權(quán)衡列車整車的定員和座椅旋轉(zhuǎn)空間來確定座椅初始角度和舒適角度。因此，選擇最小角度、舒適角度、最大角度等3種狀態(tài)進行試驗。某型號動車組車輛客室一、二等座椅（全新座椅）體壓分布現(xiàn)場實測如圖5所示。

圖5　座椅體壓分布試驗現(xiàn)場實景

根據(jù) UIC 660—2002標(biāo)準(zhǔn)和 GB10000—1988標(biāo)準(zhǔn)，試驗選取中國50%男性體格平均值（170 cm、61 kg），環(huán)境模擬動車組車內(nèi)環(huán)境，溫度取23（1±2%）℃，相對濕度?。?0±4）%，應(yīng)用 SPI TACTILUS彈性壓力分布系統(tǒng)測試設(shè)備進行相應(yīng)的試驗。

測出的試驗數(shù)據(jù)及云圖見表2～5及圖6～9。試測數(shù)據(jù)分析如下：

（1）一、二等座椅的座墊的體壓在坐骨處較大，在大腿的中部減小，到座墊前沿又增大，與理想的逐漸降低不一致，體壓分布不合理，反映了座墊外形不夠合理。

（2）一等座椅的座墊和靠背的壓力分布均勻性要明顯好于二等座椅。

表2　一等2人座椅座墊體壓分布參數(shù)

圖6　一等2人座椅座墊壓力云圖

表3　一等2人座椅靠背體壓分布參數(shù)

圖7　一等2人座椅靠背壓力云圖

表4　二等2人座椅座墊體壓分布參數(shù)

圖8　二等2人座椅座墊壓力云圖

表5　二等2人座椅靠背體壓分布參數(shù)

圖9　二等2人座椅靠背壓力云圖

（3）一等座椅的接觸面積和平均壓力要略好于二等座椅。

（4）各座墊最大壓強多數(shù)在0.3 kg/cm2以上，數(shù)值偏大，反映了座墊外形不合理或發(fā)泡硬度較大。

（5）二等座椅邊座墊左右壓陷量不一致問題（偏載）沒有通過體壓分布指標(biāo)不對稱系數(shù)明顯地反映出來。

（6）一等座椅的側(cè)傾穩(wěn)定系數(shù)要略好于二等座椅，一等座椅的抗傾覆能力更強。

4　結(jié)論

（1）座椅在舒適性上還需要進一步提升，如座墊和靠背的外形、硬度等，使之壓力分布更合理。

（2）體壓分布能較好地反映座椅舒適性，但對于偏載問題還需進一步尋找其量化指標(biāo)。

（3）體壓分布舒適度量化指標(biāo)可以固化到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，用于軌道交通車輛座椅的設(shè)計指導(dǎo)。

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