基于正交試驗(yàn)的高速列車座椅舒適性研究

王真意，李龍華

(河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022)

高速列車的乘坐時間短則幾十分鐘，長則十幾個小時，乘客由于長時間保持一定的坐姿，身體會出現(xiàn)不舒服和疲勞的癥狀[1]，因此列車在滿足安全、高速的同時，也應(yīng)滿足乘坐舒適性要求。乘客乘坐的舒適程度主要取決于座椅尺度能否在人體工程學(xué)的基礎(chǔ)上符合人體生理特性。座椅基本尺度由人體相鄰關(guān)節(jié)的距離又稱線度，以及每個關(guān)節(jié)的角度來確定[2]。

魏峰等[3]運(yùn)用模糊層次分析法構(gòu)建了座椅舒適性的評價模型，指出高速列車二等座椅有效寬度要大于420 mm，靠背傾角要大于95°。劉力卓等[4]對和諧號二等座椅的座面高度、傾角和靠背高度做出調(diào)整，通過人機(jī)工程學(xué)軟件Jack的分析，表明該設(shè)計(jì)方案能提升舒適性。國云鵬等[5]通過對人體腰椎有限元模型在不同坐姿狀態(tài)下的靜力分析，得出京滬高鐵二等座椅的靠背傾角應(yīng)為90°～115°。本文基于人機(jī)工程學(xué)軟件RAMSIS，通過正交試驗(yàn)的方法，充分考慮高速列車二等座椅的主要功能尺度，研究其對舒適性的影響程度，并完成優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 影響因素

座椅的基本功能是支撐人體，給人提供坐的功能，座椅功能尺度是實(shí)現(xiàn)座椅基本功能的關(guān)鍵。在設(shè)計(jì)座椅時，一般會重點(diǎn)考慮以下幾個影響因素：

1)座面高度。座面高度指座面前沿到地面的垂直距離。座面高度要適中，過高則雙腳無法落地，使大腿前部靠近膝窩處受到擠壓；過低則人體呈前屈狀，使背部舒適性降低。

2)座面寬度。座面寬度要有一定的寬裕，能讓乘客隨時調(diào)整坐姿。

3)座面深度。座面深度指座面前沿到后沿的距離。如果座面深度過大，則背部支撐點(diǎn)會懸空，同時膝窩處會受到壓迫；如果過小，則大腿前沿軟組織受壓，使大腿久坐而麻木。

4)靠背?？勘晨梢跃徑獬丝腕w重對臀部的壓力，降低腰部、背部、頸部肌肉的緊張程度。

5)座面傾角與靠背斜度。座面傾角即座面與水平面的夾角，靠背斜度即靠背與水平面的夾角，通常座面傾角和靠背斜度越大，人體所獲得的舒適程度越高[6]。

本文以高速列車二等座椅為研究對象，根據(jù)文獻(xiàn)[6]～[9]選取二等座椅的座面高度、寬度、深度、傾角，靠背高度、寬度，以及座面和靠背夾角這7個主要功能尺度的3個水平，得出的因素水平表見表1。

表1 因素水平表

2 舒適性分析

2.1 創(chuàng)建人體模型

RAMSIS軟件的人體模型由人群范圍(國家、年份、性別和年齡)、模型結(jié)構(gòu)(手部模型和腳部模型)、關(guān)鍵尺寸(身高、腰圍和坐姿高度)等組成。在創(chuàng)建人體模型時，要考慮不同國家的身體比例差異、人口的組成成分、長期的人口增長和衰老等因素，所有這些因素可以自由組合，用于創(chuàng)建具有代表性的人體模型。本文選用第4次國民體質(zhì)監(jiān)測報告中男性20～59歲體質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)創(chuàng)建人體模型。人體模型如圖1所示。

圖1 人體模型

圖1中的人體模型從左到右分別為演示模型、外部模型和內(nèi)部模型。其中，內(nèi)部模型包括骨架線、骨架點(diǎn)、關(guān)節(jié)點(diǎn)和皮膚點(diǎn)。

2.2 設(shè)置約束關(guān)系

首先對高速列車二等座椅的三維模型進(jìn)行簡化，去除非必需的部分，以加快舒適性分析的速度。同時可以添加一定的點(diǎn)、線等幾何對象便于建立約束。然后導(dǎo)入簡化后的座椅模型和初步坐姿狀態(tài)下的人體模型。約束前的模型如圖2所示。

圖2 約束前的模型

根據(jù)座面傾角、座面與靠背的夾角，設(shè)置人體模型的軀干角度。建立人體模型的右腳踵點(diǎn)HEELRIGHT、左腳踵點(diǎn)LEFTHEEL、右腳踏點(diǎn)RIGHTPEDAL、左腳踏點(diǎn)LEFTPEDAL和地面的約束關(guān)系，以及人體模型H點(diǎn)與座椅模型H點(diǎn)的約束關(guān)系。其中，H點(diǎn)指的是在座椅中央橫截面上大腿中心線和胸中心線的交點(diǎn)。約束后的模型如圖3所示。

圖3 約束后的模型

2.3 正交試驗(yàn)結(jié)果

選取L18(37)正交表安排試驗(yàn)，用RAMSIS對約束后的人體模型和座椅模型進(jìn)行舒適性分析。RAMSIS的舒適性評價體系包括三部分內(nèi)容：總體不舒適性、身體各部位不舒適性和脊椎健康值?？傮w不舒適性包括總體不舒適值和疲勞值。身體各部位不舒適性包括頸部、肩部、背部、臀部、腿部和手臂的不舒適值。不舒適值的評分范圍為0～8，數(shù)值小于2.5則舒適性較高，在2.5～5.5則舒適性一般，大于5.5則舒適性較低[10]。

L18(37)正交表及試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 L18(37)正交表及試驗(yàn)結(jié)果

3 優(yōu)化方案

用統(tǒng)計(jì)軟件Minitab對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析。極差是一組數(shù)據(jù)中最大值和最小值之差，極差R越大表明該因素對試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大，即該因素為主要因素，在分析時要優(yōu)先考慮[11]。表3和表4分別為高速列車二等座椅的各主要功能尺度對總體不舒適值和疲勞值的極差分析結(jié)果。

表3 不舒適值極差分析表

表4 疲勞值極差分析表

通過表3和表4，可得高速列車二等座椅的各主要功能尺度對響應(yīng)指標(biāo)影響程度大小的排序。不舒適值：G>A>F>D>C>E>B。疲勞值：G>F>D>A>C>E>B。由此可知，座面與靠背的夾角是影響舒適程度最主要的因素。

圖4和圖5分別為高速列車二等座椅的各主要功能尺度對不舒適值和疲勞值的均值響應(yīng)圖。

圖4 不舒適值均值響應(yīng)圖

圖5 疲勞值均值響應(yīng)圖

由于總體不舒適值和疲勞值越小越好，因此根據(jù)總體不舒適值和疲勞值可以確定座椅的優(yōu)化方案。不舒適值：A1B3C3D3E2F1G1。疲勞值：A1B1C3D3E2F1G1。兩個方案中B因素的水平不同，因?yàn)橄啾扔谄谥?，總體不舒適值是要優(yōu)先考慮的，所以選取的最終優(yōu)化方案為A1B3C3D3E2F1G1。

高速列車二等座椅優(yōu)化前后的功能尺度取值見表5。

表5 座椅優(yōu)化前后的功能尺度取值

高速列車二等座椅優(yōu)化前后的舒適性對比見表6。

表6 座椅優(yōu)化前后的舒適性

通過表6可得以下高速列車二等座椅優(yōu)化后的分析結(jié)果：

1)除了頸部的不舒適值略有升高以外，其余數(shù)值均比優(yōu)化前的數(shù)值低；

2)總體不舒適值在2.5～5.5，且數(shù)值由3.88降至3.31；

3)疲勞值小于2.5，舒適性較高；

4)身體各部位(頸部、肩部、背部、臀部、腿部、手臂)的不舒適值均小于2.5，舒適性較高；

5)脊椎健康值在2.5～5.5，且數(shù)值由4.77降至4.67。

4 結(jié)束語

本文選取了影響高速列車二等座椅舒適性的主要因素及水平，基于人機(jī)工程學(xué)軟件RAMSIS，通過正交試驗(yàn)的方法，得到了二等座椅主要功能尺度的優(yōu)化方案：座面高度410 mm，座面寬度460 mm，座面深度460 mm，靠背高度830 mm，靠背寬度445 mm，座面傾角5°，座面與靠背夾角95°。通過與初始方案的舒適性進(jìn)行對比，證明該優(yōu)化方案能使高速列車二等座椅的舒適性得到有效提升。