基于压疮形成机理的轨道交通车辆座椅体压分布测试分析

贾旭　战雪

（中车长春轨道客车股份有限公司设备研发部，130062，长春∥第一作者，工程师）

轨道交通车辆座椅直接影响乘客整个旅途的乘坐舒适性，而如何设计出舒适的座椅也是座椅研究的焦点与核心。目前，汽车座椅的研究成果相对较多，而轨道交通车辆座椅研究成果相对较少。而在众多研究中，对座椅舒适度的研究几乎均为论述大体方法，没有结合具体试验给出量化值，故而对座椅设计没有太多的指导意义。

本文基于压疮形成机理与体压分布规律，对轨道交通车辆座椅舒适性问题进行研究，梳理相关理论［1-5］，探讨目前轨道交通车辆座椅标准提升的一些设想，对基于目前动车组中设置的座椅进行测试分析，并给出评价指标的量化值建议。

1　轨道交通车辆座椅相关标准

目前，国内外轨道交通车辆座椅涉及的相关标准主要有：TB/T 3263—2011《动车组乘客座椅》；JIS E 7104—2002《铁路车辆旅客座椅》；NF F 31-119-1995《铁路车辆：在静电应力、疲劳应力、振动和冲击应力下铁路车辆座位的特性》；TB/T 3264—2011《动车司机座椅》；UIC 566—1990《客车车体及其零部件的载荷》；UIC 567—2004《客车一般规定》；TB/T 2961—1999《机车司机室座椅》；UIC 660—2002《保证高速列车技术兼容性的措施》。

上述标准中，在座椅人机舒适性上的描述除UIC 567—2004中附件D.4.3“乘客列车及发电车内座椅坐垫检查的最低要求”中要求“接触区域温度不应该超过35℃和湿度不应该超过70%，在接触区域测试量值不应该保持比相应表面低”之外，其余标准无类似的量化舒适度相关要求。

2　压疮形成机理

2.1　压疮分级

由于受持续的压力、剪切力、摩擦力引起的皮肤或组织损伤，主要是由于长期坐姿或卧姿引起局部毛细血管持续受压，血液循环障碍，持续缺血缺氧，营养不良，从而发生组织变质坏死，在生理学上称之为压疮。压疮根据严重程度分为4级（见图1）：第一级皮肤完整，部分红斑形成；第二级部分浅表面的皮肤缺损，损伤累及表皮及真皮；第三级皮肤全层缺损并伴有皮下组织损伤，累及筋膜层，表现为火山口样；第四级皮肤全层的广泛损伤，组织坏死，累及肌肉、骨和肌腱。

2.2　压疮形成原因

2.2.1垂直压力

图1　人体压疮分级示意图

垂直压力是压疮产生的主要因素。当人体处于坐姿时，无论臀部受什么形式的载荷，软组织总是受到垂直于皮肤表面的支撑力。压疮发生率与受压时间和压力大小有紧密的联系。文献［6］提出持续受7.99 kPa（60 mmHg）的压力1 h会导致组织缺血，而如果31.99 kPa（240 mmHg）的压力瞬时能被释放，组织不会发生损坏。文献［7］表明持续受9.33 kPa（70 mmHg）的压力2 h能引起压疮，但若压力每隔5 min被释放，组织不会受太大的影响。文献［8-9］研究了引起压疮的压力与时间关系，如图2表示。

图2　引起压疮的压力与时间关系

2.2.2摩擦力和剪切力

当乘客入座时皮肤会承受座垫表面的逆行阻力，从而产生摩擦力。摩擦力会使组织温度升高，在组织已经缺氧的情况下，温度升高会加剧压疮的发生。剪切力是由压应力和摩擦力共同作用产生的。文献［9-10］表明，剪应力的存在会造成血管堵塞，即使低压也会造成溃疡。

座椅的设计要从减少压疮的形成为基准开展，即减少垂直压力、摩擦力与剪切力，增加乘坐的舒适性。

3　座椅体压分布试验

理想座垫压力分布应该是在坐骨结节下的压力最高，压力沿着大腿到膝盖递减；压力均匀分配，压力变化平缓无突变，且没有应力集中点。理想座垫的等压线如图3所示。理想靠背压力分布应该是支撑在整个人体表面，在肩胛骨和腰椎骨两个部位的压力最高，压力变化平缓，在肩部和腰部有良好的支撑，没有应力集中点。体压分布典型测量系统如图4所示。

图3　理想座垫的等压线

图4　座椅体压分布典型测量系统

依据上述的压疮形成机理，结合目前的试验设备条件，对既有轨道交通车辆普通客室坐姿舒适性进行了试验分析。在试验前，对国外一款常用的乘坐舒适性较好的工程机械座椅进行测量与评估，结果显示坐骨处的压力值不大于30 kPa，腿部不大于6 kPa。

以目前中国标准动车组车辆座椅为例，座垫主要由聚氨酯发泡外包覆织物蒙面组成，靠背主要由内嵌金属骨架外包裹聚氨酯发泡及织物蒙面组成。座椅主要外形尺寸参数见表1。

表1　普通客室座椅主要参数

考虑目前座椅靠背角度要求可调，且座椅上部要求可旋转180°，故在布置座椅时，主要通过权衡列车整车的定员和座椅旋转空间来确定座椅初始角度和舒适角度。因此，选择最小角度、舒适角度、最大角度等3种状态进行试验。某型号动车组车辆客室一、二等座椅（全新座椅）体压分布现场实测如图5所示。

图5　座椅体压分布试验现场实景

根据 UIC 660—2002标准和 GB10000—1988标准，试验选取中国50%男性体格平均值（170 cm、61 kg），环境模拟动车组车内环境，温度取23（1±2%）℃，相对湿度取（60±4）%，应用 SPI TACTILUS弹性压力分布系统测试设备进行相应的试验。

测出的试验数据及云图见表2～5及图6～9。试测数据分析如下：

（1）一、二等座椅的座垫的体压在坐骨处较大，在大腿的中部减小，到座垫前沿又增大，与理想的逐渐降低不一致，体压分布不合理，反映了座垫外形不够合理。

（2）一等座椅的座垫和靠背的压力分布均匀性要明显好于二等座椅。

表2　一等2人座椅座垫体压分布参数

图6　一等2人座椅座垫压力云图

表3　一等2人座椅靠背体压分布参数

图7　一等2人座椅靠背压力云图

表4　二等2人座椅座垫体压分布参数

图8　二等2人座椅座垫压力云图

表5　二等2人座椅靠背体压分布参数

图9　二等2人座椅靠背压力云图

（3）一等座椅的接触面积和平均压力要略好于二等座椅。

（4）各座垫最大压强多数在0.3 kg/cm2以上，数值偏大，反映了座垫外形不合理或发泡硬度较大。

（5）二等座椅边座垫左右压陷量不一致问题（偏载）没有通过体压分布指标不对称系数明显地反映出来。

（6）一等座椅的侧倾稳定系数要略好于二等座椅，一等座椅的抗倾覆能力更强。

4　结论

（1）座椅在舒适性上还需要进一步提升，如座垫和靠背的外形、硬度等，使之压力分布更合理。

（2）体压分布能较好地反映座椅舒适性，但对于偏载问题还需进一步寻找其量化指标。

（3）体压分布舒适度量化指标可以固化到行业标准中，用于轨道交通车辆座椅的设计指导。

［1］曹志伟，李娟.轨道车辆座椅舒适度评价方法及研究展望［J］.包装工程，2017，38（2）：21.

［2］刘璐.高速列车综合舒适度评价方法研究及模拟系统设计［D］.成都：西南交通大学，2011.

［3］王迎红.基于人体压力分布的防压疮坐垫的研究［D］.天津：天津科技大学，2012.

［4］谢小燕.手术患者压疮危险因素评估的研究［D］.广州：第一军医大学，2005.

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