城市双层动车组座椅人机工程学分析

赵　慧　董涛涛　周鑫弘

（中车长春轨道客车股份有限公司工程研究中心，130062，长春∥第一作者，教授级高级工程师）

2008年，中车长春轨道客车股份有限公司（以下简称公司）与澳大利亚新南威尔士州签订了制造626辆双层不锈钢客车的采购合同；2016年11月，公司又与新南威尔士州续签了192辆双层不锈钢客车的采购合同，且后续可能还会增购。澳大利亚城市双层客车是公司首次出口到发达国家的铁道客车，填补了我国研发双层不锈钢车体及动力分散式双层动车组的空白，也是国内首次采用高等级澳大利亚标准制造的铁道客车，为我国机车车辆今后出口到发达国家奠定了基础。

1　座椅类型

澳大利亚城市双层动车组座椅主体采用转向座椅。该座椅是为悉尼等城市交通而设计的新型旅客列车座椅，适用于城轨列车、高速列车及双层旅客列车。该座椅设计的特色在于“可调”，即座椅可以转向，方便旅客选择面向或背向列车前进方向。其主要结构是改变方向的“可调式”机械装置，以及由重力浇铸件及塑料件构成座椅的主要零部件。

1.1　转向座椅

在上层客室和下层客室中，能够使乘客始终面向列车运行方向的座椅称为转向座椅，可分为2人座椅、3人座椅及单人座椅，如图1所示。

图1　双层动车组客室转向座椅

1.2　固定座椅

在上层客室和下层客室端部，布置了不能转向的固定座椅，座椅上的各部件均不能活动（见图2）。

图2　双层动车组客室固定座椅

1.3　翻转座椅

在客室端部，为了方便乘客上下车和残疾人轮椅的存放，局部布置了翻转座椅。该座椅始终面向一个方向，座垫可以向上翻起，如图3所示。

图3　双层动车组客室端部翻转座椅

澳大利亚城市双层动车组分为TDC、MC、TC3种车型。以MC车为例，客室内座椅布置见图4。为了保证客室1、2位侧重力均衡，MC车型客室区域的上层座椅布置为1位侧2人座椅、2位侧3人座椅，下层座椅布置为1位侧3人座椅、2位侧2人座椅，即上下层座椅布置为对称状，并在端部设置纵向翻转和固定座椅。

2　座椅参数

由于澳大利亚城市双层动车组主要采用转向座椅，故对转向座椅进行重点介绍。转向座椅尺寸参数如表1所示。

图4　MC车客室座椅布置图

表1　转向座椅尺寸参数

由于澳大利亚城市双层动车组考虑了整车碰撞性要求，所以座椅的设计结构比较复杂，质量也比国内的动车组大（一般是国内旋转座椅的1.3～1.7倍）。转向座椅实物称重为：单人座椅48.4 kg，双人座椅60.4 kg，3人座椅73.2 kg。

3　座椅转向原理

座椅靠移动扶手实现转向功能，通过靠背位置的变换，保证乘客在同一座椅上能够始终保持面向列车前进方向。座椅初始位置、转向过程中位置及转向后位置如图5所示。以单人座椅为例，座椅转动主要靠扶手内的四连杆机构的旋转来实现，如图6所示。

图5　座椅转向过程实景

4　座椅人机工程学分析

良好的座椅设计，必须从人体工程学角度进行研究。为了使乘客坐姿舒适，需要研究乘客在乘车时的生理和心理特征。舒适的座椅能使人体坐时压力分布均匀、肌肉放松、血液循环良好、疲劳减少。所以，良好的座椅外形尺寸对提高旅客的舒适度、减轻旅客的疲劳具有直接作用。

4.1　乘客膝盖舒适度分析

无论座椅靠背倾斜到任何位置，其在膝盖水平高度上的自由空间K值都有一定的要求（见图7）。

图6　单人座椅三维爆炸图

图7　座椅自由空间示意图

根据国际铁路联盟标准UIC 567—2004《客车一般规定》要求，一等车K≥790 mm、二等车K≥700 mm。根据国际铁路联盟标准UIC 660—2002《保证高速列车技术兼容性的措施》要求，一等车K≥770 mm、二等车K≥680 mm。

在澳大利亚城市双层动车组中，客室中部座椅的K=709 mm，端部座椅的K=683 mm，均为二等车，且两端座椅乘客舒适度比中部座椅稍差。

4.2　座椅间距分析

根据UIC 567标准规定，一等车座椅间距≥1 010 mm、二等车座椅间距≥940 mm。澳大利亚城市双层动车组座椅间距仅为855 mm，乘坐舒适度较低，所以该所有车型座椅仅适合中、短途城际客运，不适用于长途客运。

4.3　靠背角度分析

座椅靠背与水平线之间的夹角为a，座面与水平线间夹角为b（见图8）。a的大小直接影响乘客的休息舒适度，越大舒适度越好。对于有扶手的座椅来说，a为 105°～ 110°、b为 3°～ 5°最为合适；当 a大于115°时，应考虑增加颈部支撑点，没有头枕则颈部易于疲劳。

图8　座椅靠背角度示意图

澳大利亚城市双层动车组转向座椅的靠背角度不可调节，a=104°，b=5°。座椅靠背角度满足乘客乘坐要求，但由于靠背角度不可调节，所以仅适用于短途城际客运。

4.4　座垫高度分析

座垫高度是指座椅座垫最高点与水平地面的垂直距离。GB 10000—1988《中国成年人人体尺寸》中给出我国男性下肢平均长度为410 mm，女性为380 mm，因此，对于座垫软度较大的座椅，其高度应设计为400～460 mm。座面的前部应高一些，人体入座后不致向前移动。转向座椅座垫的爆炸图如图9所示。

澳大利亚城市双层动车组座椅座垫海绵采用聚氨酯高回弹泡沫塑料，其厚度仅为40 mm，乘客入座后能够直接接触到聚氨酯高回弹泡沫塑料下方的注塑件，所以座垫整体硬度较高。为了保证乘客的舒适度，座垫高度设定为450 mm。UIC 567标准对座垫高度未进行规定，UIC 660标准中规定座垫高度为410～450 mm，故澳大利亚城市双层动车组座椅满足标准要求。

4.5　座垫深度分析

座面的前后进深尺寸称为座垫深度。按照GB10000标准中人体大腿骨水平长度考虑，一般座垫深度在430～500 mm为宜。UIC 567标准要求座垫深度≥430 mm，UIC 660标准中规定座垫深度为430 mm。澳大利亚城市双层动车组座垫深度为430 mm，满足国际标准要求。

4.6　座面软度分析

软度是指座面和靠背的软硬程度。座椅座面下沉一般不应大于70 mm，靠背的软度应根据人体的总体情况确定。因为人的胸椎是向后弯曲的，所以靠背的相应部位应软一些。而腰椎向前弯曲，因此靠背这部分应硬一些，以便将人的腰部托起来。靠背上部压缩量一般在30～40 mm，下部压缩量在35 mm为宜。澳大利亚城市双层动车组座垫及靠背的压缩量为40 mm，满足人机工程学要求。

图9　转向座椅座垫爆炸图

4.7　扶手高度分析

扶手高度是指人的坐骨结节到肘部下点的距离。根据我国人体特点，这个距离平均男性为260 mm，女性为240 mm。扶手过高，则肩不易自然下垂，容易引起疲劳；扶手过低，需用力下垂肘部才能接触到扶手，同样也容易引起疲劳。

由于澳大利亚城市双层动车组转向座椅的扶手是一个转向机构，所以扶手角度稍显差些，但扶手高度符合人体工程学要求。

4.8　脚踏分析

澳大利亚城市双层动车组转向座椅采用固定式脚踏，脚踏距地板面高度为146 mm，脚踏材质采用外径38 mm、厚度4 mm的铝型材。

4.9　转向分析

为了满足乘客面向运行方向的需求，澳大利亚城市双层动车组座椅通过简单的机械结构实现了靠背方便地翻转，实用性非常强。该座椅充分考虑了人机工程学的原理，同时具有较强的防撞性，因此，得到了新南威尔士州政府和当地民众的广泛欢迎。

5　座椅性能

澳在利亚城市双层动车组座椅的机械性能满足AS 2670/EN 50126标准要求，乘坐舒适度符合AS 1428标准要求，乘坐舒适度为2 h。座椅的转向操作力要求为：垂直于旋转中心，移动转向3人座椅的力不超过90 N，移动转向2人座椅的力不超过66 N，翻转座椅的力不超过50 N。座椅靠背顶部边缘的前、后面均能够承受垂直载荷1 400 N，座垫前边缘中心处能够承受载荷1 400 N，扶手顶部边缘的两个方向上均能够承受载荷1 400 N，脚踏板中心能够承受垂直载荷1 400 N。座椅能够承受两个95%成年男性同时抛入座椅靠背、速度为4.5 m/s的冲击力。座椅的转向功能至少能够运用15 000次而无损坏。座椅的阻燃性能符合BS 6853/ISO 9705标准要求。

6　座椅的推广

澳大利亚城市双层动车组座椅占用客室空间较少，对于人口密集型的国内动车组来说具有一定的借鉴意义。但该座椅由于考虑了较强的载荷防撞性要求，因此座椅整体较重。该座椅采用了进口面布以满足座椅的防涂鸦和破坏要求，所以成本较高。因此，该座椅目前对我国高速动车组运用的意义不大，但可以通过结构的改进和优化，在国内城际动车组中进行应用和推广。

7　结语

澳大利亚城市双层动车组转向座椅具有一定的先进性，在模块化设计及性能指标方面均等同或高于欧洲标准，在铁路应用的可靠性、可用性、可维护性和安全性技术条件等方面高于日本高速动车的旋转座椅。

该座椅旋转技术理念同日本高铁座椅旋转技术理念截然不同。日本旋转座椅必须留有充足的旋转空间（车内定员会相应减少），才能保证其旋转功能，而该座椅的旋转则相对不受座间距的影响。日本高铁座椅的旋转技术适合中距离客运，而该座椅的旋转技术更适合城际短途客运。

［1］黄明，肖艳荣.人机工程学在动车组设计中的应用［J］.铁道车辆，2014，52（8）：35.

［2］张贤凯，张永明.浅谈人机工程学在CRH2型动车组司机室中的应用［J］.科技创新导报，2012（12）：23.

［3］丁玉兰.人机工程学［M］.北京.北京理工大学出版社，2005.

［4］中国标准化与信息分类编码研究所.中国成年人人体尺寸：GB 10000—88［S］.北京：国家技术监督局，1988.

［5］国际铁路联盟.客车一般规定：U1C 567—2004［S］.巴黎：国际铁路联盟，2004.

［6］国际铁路联盟.保证高速列车技术兼容性的措施：UIC 660—2002［S］.巴黎：国际铁路联盟，2002.