单轨车辆舒适性设计质量评价

一绪论城轨车辆是人们出行代步的重要工具，其舒适程度直接影响到人们的外出感受，甚至城市印象。近年来，各国轨道列车乘坐舒适性都在快速提高，但对车辆舒适度的评价，目前在国际上还没有统一的模式，我国现阶段从车厢的振动、声环境、热环境、光环境、压力波、空气品质6个方面确立了舒适度设计标准，但却在车辆舒适性设计方面尚未形成系统，也没有出台综合的考虑车辆设计舒适性的标准。跨座式单轨车辆是城市轨道交通中的一种典型制式。重庆建设的跨座式单轨交通系统，其车辆技术首次从日本引进，所使用的设备采购费用是日本政府贷款，日方为保住其技术和设备供货的特权，对中方投标人既实行技术封锁，又限定投标资质。所以，有关跨座式单轨车辆技术方面的少量研究主要见于日本，国内部分学者虽然也开展了这方面的研究，但相关成果还没有形成系统，这方面还缺乏相关的方法、流程和规范，特别是单轨车辆的舒适性设计质量评价还没有统一的模式。虽然单轨车辆在人性化设计上有了一些进步，但车组都是引进的国外技术，特别是刚开始运营的车辆都是直接整车引进，车内的各种设施都是按照国外的各种标准设计的。在以后的国产化中几乎把所有精力都投入到了关系车辆速度和安全的核心技术上，根本无暇也不重视车内设计的优化。旅客乘坐舒适性是反映乘客在旅途中疲劳程度的综合性生理指标，是一个统计标准。影响乘坐舒适性的因素很多，如车内通风、照明、湿度、噪声、窗外景观视觉、振动等。轨道交通车辆的乘坐舒适性受上述诸多因素综合影响，然而目前国内对轨道车辆乘坐舒适性的设计，主要是从影响舒适性的某一个因素进行考虑，实际上影响旅客乘车舒适度的因素是多样的，并非单纯某一个因素所能表述。所以有必要对轨道交通车辆舒适性评价进行深入探讨。二车体内部布置人机工程评价2.1跨座式单轨车辆车室CAD建模该车为跨座式单轨式列车，结构为4节车体为一编组，为全动车，其司机室设在列车的两端，设侧开门，并与乘客车厢隔开；乘客车厢两侧各设两个侧门，门宽为1300mm；车厢间设贯通式通道；车的头部设有紧急出口门。头车M与C中车两车钩连接面长度为15500mm,两中车车钩连接面长度为14600mm；头车M车体长度为14800mm,中车车体长度为13900mm,车体宽度为2980mm（加C上客室侧门踏板），车辆高度为3490mm，地板面高度为1130mm；头车M驾C驶室长度为2300mm,驾驶台长为1440mm,宽为780mm,高为1130mm；客室座椅面高度为420mm，客室吊环下端与地板面距离为1682mm。跨座式单轨车辆驾驶台、车体CAD建模，见图2.1、图2.2。仪表盘组成监控显视屏广播控制器辆驾驶台、车体CAD建模，见图2.1、图2.2。仪表盘组成监控显视屏广播控制器前后切换开关无线电台控制器空调操作开关司机开关盘ATP开放开关图2.1跨座式单轨车辆驾驶台CAD建模图2.2跨座式单轨车辆车体CAD建模驾驶员对操控件手伸及分析本文对驾驶室操控件手伸及分析时所选取的人体模型为第5百分位的中国男性和第5百分位的中国女性。利用选取的RAMSIS人体模型对司机开关盘、前后控制档、主控制器、无线电台控制器、刮雨器开关和前后切换开关主要操控件进行可及性界面分析，如图2.3与图2.4分别为第5百分位男性对司机开关盘的可及性界面和第5百分位女性对司机开关盘的可及性界面。通过应用RAMSIS软件的可及性界面分析，可以看出驾驶台的主要手操纵装置均在驾驶员人体模型手伸及界面内，这表明跨座式单轨车辆驾驶室台的主要图2.3xx耳 V第图2.3xx耳 V第5百分位男性对司机开关盘的可及性界面Bf—・2.3驾驶员舒适性分析操控件布置设计符合车辆人机工程设计要求。I图2.4第5百分位女性对司的可及性界面我们在进行舒适性分析时采用四种百分位人体模型，分别为女子第5百分位，女子第50百分位，男子第50百分位，男子第95百分位。驾驶员正常驾驶坐姿下的舒适性分析应用RAMSIS软件对驾驶员坐姿进行舒适性分析。根据不舒适级别解释，不舒适度级别越低表明驾驶员越舒适。通常驾驶姿态不舒适级别低于3.5是非常好的设计。对于驾驶员正常驾驶姿态的整体不舒适度评价值一般低于3.5是可接受的，身体各部分的值不超过4是可接受的，脊柱健康指数值应该在4~5之间是可接受的［34］。表2.1为各百分位人体模型不舒适性指标值简化表。表2.1 百分位人体模型不舒适性指标简化表百分位FatiqueDiscomfortNeckShouldersBackButtocksLeftlegRightlegLeftarmRightarmSpinalcolum95thmale2.43.221.61.71.41.61.62.12.14.950thmale2.43.12.11.41.51.21.71.72.12.14.950thfemale2.53.52.01.61.72.21.61.61.91.94.95thfemale2.63.72.11.61.72.31.71.72.22.24.9可看出第5、50百分位女性人体模型和第50、95百分位男性人体模型的各不舒适指标值均在可接受范围之内。这表明：驾驶员在正常驾驶时，跨座式单轨车辆驾驶室座椅能给驾驶员提供舒适稳定的坐姿。2.3.2驾驶员操控驾驶舒适性分析［34］驾驶员在操控驾驶时同正常驾驶选取的百分位人体模型一样。表2.2、表2.3分别为各百分位人体模型左手操作前后控制档、右手操作主控制器时的不舒适性指标简化表。表2.2百分位人体模型左手操作前后控制档不舒适性指标简化表百分位FatiqueDiscomfortNeckShouldersBackButtocksLeftlegLefSpinalcolumRightlegtarmRightarm95thmale3.95.03.93.12.31.93.02.44.61.64.850thmale3.84.83.83.02.32.02.52.63.92.04.850thfema3.74.83.82.82.31.92.52.63.92.04.9le5thfemale4.15.24.13.32.32.22.82.84.92.04.9表2.3百分位人体模型右手操作主控制器不舒适性指标简化表百分位FatiqueDiscomfortNeckShouldersBackButtocksLeftlegRightlegLeftarmRightarmSpinalcolum95thmale2.73.62.31.91.91.62.21.72.22.04.950thmale2.83.72.42.31.81.81.72.02.12.34.950thfemale2.73.52.42.01.81.41.72.02.42.04.95thfemale2.93.82.62.12.11.61.92.12.72.14.9从表2.2可看出第5、50百分位女性人体模型和第50、95百分位男性人体模型在左手操纵前后控制档时的各不舒适指标值有所偏大；而从表2.3可看出第5、50百分位女性人体模型和第50、95百分位男性人体模型在右手操纵主控制器时的各不舒适指标值均在可接受范围之内。因为当驾驶员在驾驶中或非正常驾驶姿态进行的其它操作，如换挡、手刹、制动等动作时，其不舒适性的评价级别一般在5以下是可接受的。尽管这些动作对身体不舒适性影响很大，但是属于短暂行为，所以驾驶员人体模型在操控驾驶时的舒适性能基本满足人机系统的操控舒适性要求。但是，对于驾驶员属于短时行为，仅仅使用软件对驾驶员舒适性进行评价不够全面。所以本文应用模糊评价法进一步评价驾驶员的舒适性情况。这里我们使用模糊综合评价法进一步评价驾驶员的舒适性。2.3.3坐姿舒适性模糊综合评价采用编程软件VisualBasic2005进行编程，只需要设计者输入相应的舒适性参数指标值，就能自动给出模糊综合评价向量的结果，从而实现了方便灵活的人机交互界面。其中综合评价应用的评价集采用｛优；良好；较差；糟糕｝来描述。由综合评价结果可得出驾驶员在进行左手握前后控制档操控驾驶时，舒适性

介于“优”与“良好”之间，舒适性在可接受范围；而该跨座式单轨车辆驾驶员在右手握主控制器时的操控舒适性评价结果为“优”。2.4驾驶员视野分析本文主要是对驾驶员的前方视野和仪表板视野进行分析。视野设计中选取第95百分位男性作为设计上限和第5百分位女性作为设计下限进行视野分析。2.4.1前方视野分析根据机车司机室的瞭望条件标准(GB5914.1-2000)对驾驶员的前方视野进行分析。其中，图2.5与图2.6分别为50百分位女性观看高柱信号机和矮型信号机示意图。图2.550百分位女性观看高柱信号机图图2.550百分位女性观看高柱信号机图2.650百分位女性观看矮型信号机2.4.2仪表板视野分析选取第2.4.2仪表板视野分析选取第95百分位男性和第5百分位女性进行仪表板视野分析。图2.7与图2.8分别为5百分位女性用圆形视野分和锥形视野分析。X图5百分位女性用图2.85百分位中国女性用锥形视野分析X图5百分位女性用图2.85百分位中国女性用锥形视野分析2.4.4视野性分析结果①对驾驶员前方视野分析的结果可以看出，驾驶室设计能够符合第95百分男性、第50百分位女性及第5百分位男性人体模型的视野要求。但对于第2.4.4视野性分析结果①对驾驶员前方视野分析的结果可以看出，驾驶室设计能够符合第95百分男性、第50百分位女性及第5百分位男性人体模型的视野要求。但对于第5百分的女性人体模型，可以看到10米处的高柱型号，却无法看到15米处的矮住信号。因此，对于驾驶室的设计来说，如果考虑使用第5百分位女性驾驶员的话，就需要重新设计。②在RAMSIS中，同心圆锥的中心就是人体模型的视点，视野同心圆锥的最佳视野顶角为±5%、清晰视野顶角为±15%；最大视野顶角为±50%。通过上述的RAMSIS软件对仪表板的视野分析，其结果知：该跨座式单轨车辆驾驶室仪表板布置基本处于人体的视野范围之内。驾驶室座椅行程调节及调节后舒适性、可伸及性分析以50百分位中国男性操控驾驶舒适性为基础来调节驾驶室座椅行程，从而得出驾驶室座椅彳丁程向右水平移动50mm，向前垂直移动20mm时，其操控舒适性能够得到最大的改善。单轨车辆驾驶室座椅丁程调节后，其主要手操纵装置也均在第50百分位男性驾驶员人体模型手伸及界面内。乘客对吊环拉手及扶杆的可及性分析本文选取50百分位男性及50百分位女性人体模型对吊环拉手及扶杆进行可及性分析。如图2.9所示。50拉手和扶杆的可对吊环拉手析，结果表明该跨座式单轨车辆客室的主要手操纵装置在大部分乘客人体模型手伸及界面内。驾驶员对驾驶室司机台主控件操作力分析选取女子第5百分位、女子第50百分位、男子第50百分位、男子第95百分位人体模型对驾驶室司机台主控件操作力分析。表2.4为最大操作力简化表。表2.4最大操作力简化表百分位Max.passiveForceMax.activeForceSupportForce95thmalerighthand241.7N241.7N0N95thmalelefthand437N231.4N205.6N50thmalerighthand228.3N228.3N0N50thmalelefthand532.2N304.7N227.5N50thfemalerighthand130.6N130.6N0N50thfemalelefthand327.1N172.7N154.5N5thfemalerighthand108N108N0N5thfemalelefthand358.9N204.6N154.3N操纵装置的最大操作力既取决于操纵件的工作要求，又受限于操作者在一定姿势下所能产正的最大出力。由于驾驶员对主控件的操作均为短暂行为，所以本文分析所需求的操作力均在操作力的最大标准范围内驾驶员对跨座式单轨车辆驾驶室司机台主控件的操作力属于人体所能承受的正常操作力。乘客坐姿舒适性分析本文的乘客坐姿舒适性分析选取人体模型为第95、50、5百分位的中国男性和第5百分位的中国女性。表2.5为百分位乘客人体模型不舒适性指标简化表。表2.5百分位乘客人体模型不舒适性指标简化表百分位FatiqueDiscomfortNeckShouldersBackButtocksLeftlegRightlegLeftarmRightarmSpinalcolum95thmale3.04.02.21.52.01.72.52.52.52.56.250thmale3.04.02.31.42.11.72.62.62.62.66.25thmale3.24.32.51.42.31.72.82.82.72.76.25thfemale3.34.42.51.52.51.72.92.92.82.86.3从表2.5可看出第5百分位女性人体模型和第5、50、95百分位男性人体模型的各不舒适性指标值均在可接受范围之内，只是脊柱健康指数值有所偏大。第三章乘员热舒适性评价热舒适性评价的评价体系及评价方法热舒适性评价应用的标准有ISO7730标准、ASHRAE标准、CIBSEGuidel986标准及我国的GB/T18049-2000标准。本文利用有限元软件Hypermesh对模型进行网格前处理，在CFD软件Star-ccm+中进行流体仿真计算，结合人机工程学的人体热舒适性相关要求，采用判别环境舒适性的PMV—PPD评价体系对车室内的空气品质及热舒适性进行评价。3.2热舒适性评价预期平均通感PMV(PredictedMeanVOte)应用CFD软件计算得到PMV指标，PMV计算结果如图3.1，3.2所示。图3.1垂直X轴截面PMV值图3.2垂直Y轴截面PMV值从图3.1可看到，背对阳光照射一侧，即在车厢的左侧PMV指标值大部分在-1〜0之间，说明人体有微凉的感觉；又可以看到面对阳光照射的一侧PMV值在0左右，说明人体感觉较为舒适。在车身中间对称面沿车身长度方向上(图3.2所示)，PMV的值大部分位于-1〜0之间，人体会感到有微凉的感觉。不舒适人员比例PPD(PercentageofDissatisfiedPersons)即使大多数人对热环境表示满意，但是，由于人与人之间生理等方面的不同，

仍然会有人感到不满意，因此，我们用PPD指标来表示对热环境不满意的百分率。通过CFD软件仿真计算可得到PPD的计算结果如图3.3,3.4所示。.图3.3车厢中部垂直X轴截面PPD值图3.4车厢中间垂直Y轴截面PPD值从图3.3和图3.4可看出,人体处于坐姿及站立区域时,不舒适人员比例约在10%〜20%之间，即使大多数人对温度满意时，仍会有10%〜20%的人会感到不舒适,这些人员可能会有微凉的感觉。车厢右侧的不舒适人员比例明显低于左侧，车厢左侧的人体处于坐姿时，头部感觉不舒服的人体比例较大。平均空气龄MAA(MeanAgeofAir)空气龄是指通风过程送入室内(车内，机舱内等)的室内空气分子通过某特定点时所需要的时间。本车计算结果见图3.5，3.6。从图3.5与图3.6可以看出：平均空气龄大部分在30〜70S之间，没有明显的气流死角，表明换气效率较高，但是在图3.5图右侧中部分平均空气龄相对较大，这是主要是由于太阳直射，使空气对流作用没有那么强烈，降低了换气效率。64.00080.0000.000016.000PassiveScalarValue32.000 48.000图3.5垂直X轴截面MAA值0.000064.000 80.000MeanAgeofAir(s)16.000 32.000 48.000图3.6垂直Y轴截面MAA值相对湿度RH(RelativeHumidity)相对湿度是指水蒸气分压力同当前温度下饱和水蒸气压力之比。本车的计算结果如图3.7及图3.8所示T RH(%)62.000 71.000 ^^^00图3.8垂直Y轴截面RH从图3.7和3.8可以看到，车内的热湿负荷受太阳辐射影响较大，在面向阳光照射一侧，车室内的最低空气湿度为35%，还可以看出乘客的活动区域的相对湿度大部分在60%〜70%之间，依据我国客车空气调节车内参数参考值可知，相对湿度在30%~70%范围内变化时对人体的热感觉影响不大，所以人体感觉是舒适的。四乘坐舒适性评价车辆的乘坐舒适度受车内许多因素的影响，其中车辆的振动因素的影响，在车辆的整个运行过程中始终存在，且一直起着主导作用。本章就是从振动舒适性的角度来研究单轨车辆的乘坐舒适性。评价体系单轨车辆因其特殊性，目前国内外还没有相应的评价体系，只能参照汽车和机车的评价体系，相关标准主要有ISO2631,UIC513,GB5599、TBT2360。本文主要采用ISO2631标准对单轨车辆乘客振动舒适性进行评价。单轨车辆的乘坐舒适性评价对单轨车辆的舒适性评价是利用SIMPACK软件进行仿真，其设定为车辆速度为60km/h，仿真时间为32s，仿真步长为1000。本文在车体内左侧座椅上选取9个参考点A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8、A9,位置分别如下图4.1所示，其中座椅高度为420cm。根据ISO2631评价标准，分别对这9个点进行振动舒适性的评价。在建立的单节车模型中，以轨道平面为XOY平面，垂直于轨道面向上的方向为Z轴方向，在轨道面上且通过车体质心Z轴的点为坐标系原点。根据建立好的全局体系，则可以确定9个点在SIMPACK模型中的位置，即AK4.52,1.45,

0.25），A2（2.19，1.45，0.25），A3（1.27，1.45，0.25），A4（0.35，1.45，0.25），A5（-0.57，1.45，0.25），A6（-1.49，1.45，0.25），A7（-.241，1.45，0.25），A8（-5.25，1.45，0.25），A9（-6.63，1.45，0.25）。图4.1图4.1参考点位置根据计算，分别可得出9个分点的加速度历程数据。以A1点为例，对点A1进行加速度历程计算，由于前段曲线不是稳态下的输出曲线，故截取t=10s后的曲线做快速傅立叶变换（FFT）,得到相应的频域响应曲线，如图4.2。再把相应的频域变换曲线导入Matlab中进行平稳性分析。Time4.0003.0002.000rnIAav〔mvs/E〕—— J-.M00Time4.0003.0002.000rnIAav〔mvs/E〕—— J-.M00图4.2A1的频域变换曲线得出点A1的加速度历程数据后，将加速度时间历程数据从SIMPACK软件中导出，保存为text文件。由于仿真是在初始速度为60km/h的情况下进行的仿真，车辆由0—60km/h是瞬间加速，车辆系统是受大很大的冲量，因而前段波动较大曲线与本次动力学分析无关，不予考虑。删除不必要的描述以及前10s仿真的数据。

本文应用MATLAB软件中编写了符合ISO2631标准的程序。在MATLAB程序中调用车体加速度时间历程的text文件，从主程序中调用评价方法函数，然后可以得到A1点的评价指标值。得到的评价指标值后，对照ISO2631标准中人的主观感觉之间的关系(表4.1)。就可以得到相应的振动舒适性的评价结果。评价指标值和评价结果如表4.2所示。表4.1加速度均方根值与人的主观感觉之间的关系加权加速度均方根值a(m/s2)w人的主观感觉<0.315没有不舒适0.315—0.63有一些不舒适1.5—1.0相当不舒适0.8—1.6不舒适1.25—2.5很不舒适>2.0极不舒适表4.2乘坐舒适性评价分析表ISO2631评价标准不平度类型轨道类型运行速度ISO2631评定指标评定结果A1CGCCR30060km/h0.3163三0.315有一些不舒适S50060km/h0.2897<0.315没有不舒适A2CGCCR30060km/h0.2731<0.315没有不舒适S50060km/h0.2511W0.315没有不舒适A3CGCCR30060km/h0.2497<0.315没有不舒适S50060km/h0.2268<0.315没有不舒适A4CGCCR30060km/h0.2383<0.315没有不舒适S50060km/h0.2258<0.315没有不舒适A5CGCCR30060km/h0.2301<0.315没有不舒适S50060km/h0.2107<0.315没有不舒适A6CGCCR30060km/h0.2512<0.315没有不舒适S50060km/h0.2323<0.315没有不舒适A7CGCCR30060km/h0.2749<0.315没有不舒适S50060km/h0.2534<0.315没有不舒适A8CGCCR30060km/h0.3162三0.315有一些不舒适S50060km/h0.2928<0.315没有不舒适A9CGCCR30060km/h0.3358三0.315有一些不舒适S50060km/h0.3129<0.315没有不舒适乘坐舒适性分析结果由重庆交通大学郑凯峰做的试验结果可知，仿真结果和试验结果的数据值对比，仿真数据要比相应的试验数据小些，但误差较小，可以认为仿真结果与实验结果基本一致。从舒适性分析结果可以看出，选取的9个点中，越靠近车辆中间位置的乘客感觉越舒适；而在过弯道时，靠近车头和车尾处的A1、A8、A9处乘客有一些不舒适，处于舒适与不舒适之间，但考虑到单轨车辆过弯道行驶时的运行速度一般不会超过60km/h，所以是可以接受的，可以认为单轨车辆具有良好的乘坐舒适性。综上所述，跨座单轨车辆有良好的乘坐舒适性。五总结与展望5.1全文综述本文以重庆市轻轨二号线车辆为研究对象，以人机工程学等相关理论为基础，通过运用车辆设计中的人体姿势舒适性评价理论、热舒适评价理论及振动舒适性评价理论三个方面对跨座式单轨车辆的舒适性设计质量进行分析评价。其主要研究工作：根据车辆人机工程学原理，通过RAMSIS软件选取不同百分位的人体模型，对单轨车辆的驾驶员及乘客的姿势舒适性进行分析，并得到相应的评价结果。其中，运用了