基于正交试验的高速列车座椅舒适性研究

王真意，李龙华

(河海大学机电工程学院，江苏 常州 213022)

高速列车的乘坐时间短则几十分钟，长则十几个小时，乘客由于长时间保持一定的坐姿，身体会出现不舒服和疲劳的症状[1]，因此列车在满足安全、高速的同时，也应满足乘坐舒适性要求。乘客乘坐的舒适程度主要取决于座椅尺度能否在人体工程学的基础上符合人体生理特性。座椅基本尺度由人体相邻关节的距离又称线度，以及每个关节的角度来确定[2]。

魏峰等[3]运用模糊层次分析法构建了座椅舒适性的评价模型，指出高速列车二等座椅有效宽度要大于420 mm，靠背倾角要大于95°。刘力卓等[4]对和谐号二等座椅的座面高度、倾角和靠背高度做出调整，通过人机工程学软件Jack的分析，表明该设计方案能提升舒适性。国云鹏等[5]通过对人体腰椎有限元模型在不同坐姿状态下的静力分析，得出京沪高铁二等座椅的靠背倾角应为90°～115°。本文基于人机工程学软件RAMSIS，通过正交试验的方法，充分考虑高速列车二等座椅的主要功能尺度，研究其对舒适性的影响程度，并完成优化设计。

1 影响因素

座椅的基本功能是支撑人体，给人提供坐的功能，座椅功能尺度是实现座椅基本功能的关键。在设计座椅时，一般会重点考虑以下几个影响因素：

1)座面高度。座面高度指座面前沿到地面的垂直距离。座面高度要适中，过高则双脚无法落地，使大腿前部靠近膝窝处受到挤压；过低则人体呈前屈状，使背部舒适性降低。

2)座面宽度。座面宽度要有一定的宽裕，能让乘客随时调整坐姿。

3)座面深度。座面深度指座面前沿到后沿的距离。如果座面深度过大，则背部支撑点会悬空，同时膝窝处会受到压迫；如果过小，则大腿前沿软组织受压，使大腿久坐而麻木。

4)靠背。靠背可以缓解乘客体重对臀部的压力，降低腰部、背部、颈部肌肉的紧张程度。

5)座面倾角与靠背斜度。座面倾角即座面与水平面的夹角，靠背斜度即靠背与水平面的夹角，通常座面倾角和靠背斜度越大，人体所获得的舒适程度越高[6]。

本文以高速列车二等座椅为研究对象，根据文献[6]～[9]选取二等座椅的座面高度、宽度、深度、倾角，靠背高度、宽度，以及座面和靠背夹角这7个主要功能尺度的3个水平，得出的因素水平表见表1。

表1 因素水平表

2 舒适性分析

2.1 创建人体模型

RAMSIS软件的人体模型由人群范围(国家、年份、性别和年龄)、模型结构(手部模型和脚部模型)、关键尺寸(身高、腰围和坐姿高度)等组成。在创建人体模型时，要考虑不同国家的身体比例差异、人口的组成成分、长期的人口增长和衰老等因素，所有这些因素可以自由组合，用于创建具有代表性的人体模型。本文选用第4次国民体质监测报告中男性20～59岁体质指标数据创建人体模型。人体模型如图1所示。

图1 人体模型

图1中的人体模型从左到右分别为演示模型、外部模型和内部模型。其中，内部模型包括骨架线、骨架点、关节点和皮肤点。

2.2 设置约束关系

首先对高速列车二等座椅的三维模型进行简化，去除非必需的部分，以加快舒适性分析的速度。同时可以添加一定的点、线等几何对象便于建立约束。然后导入简化后的座椅模型和初步坐姿状态下的人体模型。约束前的模型如图2所示。

图2 约束前的模型

根据座面倾角、座面与靠背的夹角，设置人体模型的躯干角度。建立人体模型的右脚踵点HEELRIGHT、左脚踵点LEFTHEEL、右脚踏点RIGHTPEDAL、左脚踏点LEFTPEDAL和地面的约束关系，以及人体模型H点与座椅模型H点的约束关系。其中，H点指的是在座椅中央横截面上大腿中心线和胸中心线的交点。约束后的模型如图3所示。

图3 约束后的模型

2.3 正交试验结果

选取L18(37)正交表安排试验，用RAMSIS对约束后的人体模型和座椅模型进行舒适性分析。RAMSIS的舒适性评价体系包括三部分内容：总体不舒适性、身体各部位不舒适性和脊椎健康值。总体不舒适性包括总体不舒适值和疲劳值。身体各部位不舒适性包括颈部、肩部、背部、臀部、腿部和手臂的不舒适值。不舒适值的评分范围为0～8，数值小于2.5则舒适性较高，在2.5～5.5则舒适性一般，大于5.5则舒适性较低[10]。

L18(37)正交表及试验结果见表2。

表2 L18(37)正交表及试验结果

3 优化方案

用统计软件Minitab对试验数据进行极差分析。极差是一组数据中最大值和最小值之差，极差R越大表明该因素对试验指标的影响越大，即该因素为主要因素，在分析时要优先考虑[11]。表3和表4分别为高速列车二等座椅的各主要功能尺度对总体不舒适值和疲劳值的极差分析结果。

表3 不舒适值极差分析表

表4 疲劳值极差分析表

通过表3和表4，可得高速列车二等座椅的各主要功能尺度对响应指标影响程度大小的排序。不舒适值：G>A>F>D>C>E>B。疲劳值：G>F>D>A>C>E>B。由此可知，座面与靠背的夹角是影响舒适程度最主要的因素。

图4和图5分别为高速列车二等座椅的各主要功能尺度对不舒适值和疲劳值的均值响应图。

图4 不舒适值均值响应图

图5 疲劳值均值响应图

由于总体不舒适值和疲劳值越小越好，因此根据总体不舒适值和疲劳值可以确定座椅的优化方案。不舒适值：A1B3C3D3E2F1G1。疲劳值：A1B1C3D3E2F1G1。两个方案中B因素的水平不同，因为相比于疲劳值，总体不舒适值是要优先考虑的，所以选取的最终优化方案为A1B3C3D3E2F1G1。

高速列车二等座椅优化前后的功能尺度取值见表5。

表5 座椅优化前后的功能尺度取值

高速列车二等座椅优化前后的舒适性对比见表6。

表6 座椅优化前后的舒适性

通过表6可得以下高速列车二等座椅优化后的分析结果：

1)除了颈部的不舒适值略有升高以外，其余数值均比优化前的数值低；

2)总体不舒适值在2.5～5.5，且数值由3.88降至3.31；

3)疲劳值小于2.5，舒适性较高；

4)身体各部位(颈部、肩部、背部、臀部、腿部、手臂)的不舒适值均小于2.5，舒适性较高；

5)脊椎健康值在2.5～5.5，且数值由4.77降至4.67。

4 结束语

本文选取了影响高速列车二等座椅舒适性的主要因素及水平，基于人机工程学软件RAMSIS，通过正交试验的方法，得到了二等座椅主要功能尺度的优化方案：座面高度410 mm，座面宽度460 mm，座面深度460 mm，靠背高度830 mm，靠背宽度445 mm，座面倾角5°，座面与靠背夹角95°。通过与初始方案的舒适性进行对比，证明该优化方案能使高速列车二等座椅的舒适性得到有效提升。