中央司机室机车的前部可视性研究

梅 明,杜先鹏,王 超

(中车株洲电力机车有限公司,湖南 株洲 412001)

0 引言

中央司机室机车是干线铁路应用广泛的一类调机机车,其司机室作为一个功能单元,承担着列车的监视、操控、反馈和指引功能。因此中央司机室良好的前部可视性是列车运行安全的重要保障,是驾驶员操控安全、可靠、舒适和通信及时的基础。目前机车前部视野的研究大部分集中在司机室纵向端部,主要对司机室中立柱和侧立柱在挡风玻璃形成的视野盲区进行相关研究[1-3]。国外标准UIC 651—2002《机车、有轨电车、动车组、驱动拖车的司机室布置》、EN 16186-1—2015《铁路应用—驾驶室—第1部分:人体测量学数据与能见度》和国内标准GB 5914.1—2000《机车司机室瞭望条件》只提到了司机室位于机车纵向端部的前部视野分析方法,缺乏对中央司机室机车前部视野分析的准确定义和判定方法,未提出司机室前部视野对机械间轮廓大小及位置的要求。中央司机室机车在行车过程中,机械间在前方挡风玻璃形成的视野盲区影响驾驶员对轨道低信号的可视性,不利于驾驶员的瞭望作业。

因此,合理设计中央司机室机车的前部视野盲区和正确操作挡风玻璃清洁设备以确保驾驶员具有清晰、无障碍的视线,对机车运行安全有重要意义。

1 前部可视性计算

获取前部信息作为驾驶任务之一,中央司机室的设计应确保驾驶员可观察到前部信息,防止受到前部视线的干扰。司机室前窗一般安装有前遮阳帘,防止太阳光和来自迎面行驶列车的反光、车灯照射对驾驶员观察前部标志、信号和其他可视化信息造成的不利影响。

挡风玻璃清洁和清洗装置的位置、类型和操作能确保驾驶员在大多数天气和运行条件下清楚地观察前部环境,同时不妨碍驾驶员的前部视线。司机室设计保证了驾驶员在驾驶座位上视线清晰、不受阻,能区别轨道左右两侧的固定信号。

司机室的布置允许驾驶员可以坐着或站立进行瞭望和操作,现以满足“一带一路”欧洲区域多国运用要求的匈牙利调车机车示例前部可视性的计算。

1.1 机车垂直基准位置计算

车辆相对于轨道的参考位置按照UIC 651—2002标准中第3.2.1条款要求。

水平位置:在直道路线上,机车的纵向轴线应与轨道中心线重合。在曲率半径不小于300 m的弯道路线上,机车应处在其纵向轴线中点与曲线半径相垂直的位置。

垂直位置:机车处于半磨耗车轮状态并载有2/3的全整备重量。

根据整车称重提供数据,空载工况和满载工况重量差值Md=2.1 t。

因此,由于空载和满载重量差引起的一、二系簧综合高度差H1=Hsd+Hpd=8.3 mm。

已知,车轮的全磨耗H2=40 mm;新轮、正常负载情况下,底架上平面高度H3=1 440 mm。

1.2 驾驶员眼高计算

驾驶员座椅在垂直方向上的高度调节量为80 mm,水平方向调节量为210 mm。当驾驶员坐在座椅上时,座椅SIP点(在座椅中心平面上,同靠背面相切的垂线与坐垫表面的交点)的高度可以在E1min=355 mm至E1max=435 mm的范围调节。座椅安装座距司机室地板的高度E2=275 mm,根据座椅SIP点和SRP点(人体躯干线与大腿中心的铰接交点)之间的换算关系,SRP点与SIP点的高度差E3=-90 mm。

故座椅的SRP高度的最低点Emin=E1min+E3+E2=540 mm;座椅SRP高度的最高点Emax=E1max+E3+E2=620 mm。

驾驶台设置一个高度可调节的脚踏,高度调节量最少为80 mm。

驾驶员坐姿眼高:Pmin=740+Emax=1 360 mm;Pmax=855+Emax=1 475 mm。

驾驶员站姿驾驶时,向上方向的可见范围可以因窗的上沿而缩小,但窗的上沿高度符合UIC 651—2002标准中第2.7.2条款中规定的最小距离1 800 mm。

由于遮阳帘最底部距地板高度为1 857 mm,当最高驾驶员在站立驾驶位置观察高信号会被遮阳帘遮挡,故为了观察高信号,需要将最高驾驶员眼点位置降低至1 694 mm。

驾驶员站姿眼高:Pmax=1 694 mm,Pmin=1 530 mm。

驾驶员眼点的参考面位置如图2所示。

表1 尺寸说明

1.3 视野条件计算

在高信号和缓冲器前端平面间距不小于10 m的距离处,驾驶员看到位于轨道中心两侧2.5 m且高度在轨面上方6.3 m位置的高信号。在低信号和缓冲器前表面之间距离不小于15 m的距离处,驾驶员看到位于轨道中心两侧距离1.75 m且高度在轨面位置的低信号。

机车运行考虑沿平直轨道和曲率半径不小于300 m弯道的情况,信号的视野条件如图3所示。

对于中央司机室机车,驾驶员可以在司机室内移动至多个不同的位置,以确保低信号的可视性。由于观察左低信号的视线被前方机械间阻挡,因此需要移至司机室门去观察左低信号。

1.4 机械间轮廓对驾驶员视野影响

假设最低驾驶员在坐姿状态下能直视前方,机械间距司机室地板的高度H须满足以下要求:当驾驶员脚踏的高度可调时,根据UIC 651—2002标准附录F.2,1 390 mm≤H≤1 490 mm。

综上,最低驾驶员在坐姿状态下能直视前方信号,机械间距司机室地板高度H应满足H≤1 490 mm。

驾驶员在观察前方低信号时,机械间轮廓在挡风玻璃形成的视野盲区为梯形,故驾驶员在挡风玻璃的可视区域受到机械间轮廓的限制。当机车沿平直轨道、曲率半径为300 m的左弯道和曲率半径为300 m右弯道运行时,机械间轮廓在挡风玻璃形成的梯形视野盲区位置是不同的。故可考虑在驾驶员座椅增加左右调节功能来消除机械间宽度W值过大对驾驶员视野的影响。

机械间轮廓对驾驶员视野影响示意见图5。

虽然距离缓冲器前端10 m处的前方左侧低信号受机械间轮廓限制而被遮挡。但机车运行时,前方左侧信号的可视性是由远及近,距离越近越不易被观察到。

综上,机械间轮廓对左侧低信号的可视性影响须深入评估,以确保机车运行的安全。以机械间前端截面轮廓为边界,驾驶员所能观测到的前方左侧区域,可作为辅助观测区域。

1.5 前窗视野区域分析

考虑机械间轮廓在挡风玻璃形成的视野盲区,前窗视野区域如图6所示。

由图6可知:驾驶员可观测到轨道左侧高信号、右侧高信号和右侧低信号,但不能观测轨道左侧低信号。

因此为了观察左侧低信号,允许驾驶员移动至司机室门的位置进行观测,如图7所示。

1.6 座椅左右调节对视野盲区影响分析

从图6可知,机车运行在曲率半径为300 m的左弯道时,机械间轮廓在挡风玻璃形成的视野盲区最大。当机车在该弯道运行,驾驶员处于坐姿状态时,座椅的左右调节功能对驾驶员视野的影响如图8所示。

从图8可知,机车在曲率半径为300 m的左弯道运行时,驾驶员座椅向右侧移动可以有效减小机械间轮廓在挡风玻璃形成的视野盲区。

2 刮雨器刮刷面积

刮雨器是挡风玻璃清洁设备的重要组成部分,对机车运行安全具有重要的作用[4]。刮雨器的刮刷面积取决于刮雨器的安装位置及其结构参数。刮雨器刮刷范围是评价前部视野清晰性的重要依据。刮雨器刮刷面积如图9所示。

驾驶员视野区的面积是347 810 mm2,刮雨器覆盖的面积是295 140 mm2,故刮雨器可覆盖驾驶员视野区域的84.86%。刮刷区域满足EN 16186-1标准中“至少能覆盖80%的视野区域”的要求。

3 挡风玻璃性能

挡风玻璃的大小、位置对机车前部视野有直接的影响[5]。挡风玻璃的视野分区须满足驾驶员在机车运行过程中的瞭望要求[6]。

挡风玻璃通过粘接安装在司机室前墙上,为驾驶员提供视野条件。挡风玻璃采用多层安全玻璃,内层有加热电阻丝,即使在单个加热丝损坏时,也能确保整个平面效率,并配有温控装置以防止玻璃加热装置过载和过热。玻璃加热范围根据UIC 651标准中视野区计算来确定。

挡风玻璃各项性能满足EN 15152标准要求,其中抗冲击性能满足300 km/h的铝弹冲击。光学色度试验按EN 15152标准执行,其中色度检查包括红色、黄色光源等。

挡风玻璃由夹层安全玻璃黏合制成[7],具体为8 mm玻璃+5.32PVB+4 mm玻璃+3.22 mm防飞溅膜,防飞溅膜位于司机室内侧,玻璃表面无其他表面处理。加热丝经过碾压黏合被安置在夹层玻璃隔层的塑胶薄膜里。

挡风玻璃内层设置加热电阻丝,加热功率700 W/m2。玻璃配有温控装置,当达到27 ℃断电,低于15 ℃通电加热。同时驾驶员可以通过开关手动对挡风玻璃进行加热。

4 挡风玻璃清洁设备

挡风玻璃的清洁设备须确保驾驶员在大多数天气和运行条件下清楚地观察前部环境,故司机室前端安装刮雨器、具有加热功能的挡风玻璃和具有辅助除雾除霜功能的司机室空调。

挡风玻璃清洁设备如图10所示。

当下，信息化技术得到迅速发展，实现了国有资产的动态化管理，并且为信息共享提供了极大的便利。但是存在一些事业单位，构建信息系统时，还处于初步探究阶段，这与资产全过程动态监督和管理需求之间不相适应，引发了较为严重的资产配置和存量资产管理不符现象，财政部门以及相关单位之间缺乏有效沟通渠道，这也在较大程度上降低了数据的准确性，同时导致预算编审科学性降低。

图1 机车瞭望时的垂直基准位置

图2 驾驶员眼点的参考面位置

图3 信号的视野条件

图4 机械间轮廓

图5 机械间轮廓对驾驶员视野的影响

图6 司机室前窗视野区域

图7 左侧低信号的瞭望

图8 座椅左右调节对驾驶员视野的影响

图9 刮雨器刮刷面积示意图

图10 挡风玻璃清洁设备

刮雨器的刮刷频率可调节,最高速度为(48±5)次/min。洗涤液能喷射到目标位置,且软管不会发生泄漏和脱落等现象。刮雨器的停放位置须位于玻璃的加热区域内。

机车配置一台空调,空调机组为冷暖空调,为司机室提供舒适的环境。空调通风系统有2个独立的空气支路:空气处理系统和压缩冷凝系统,即通常所说的室内空气循环和室外空气循环。空调控制屏上设有3个挡位的风速选择。司机室驾驶台靠近前窗处设有出风口喷嘴,出风口喷嘴均可开、关和360°旋转。

刮雨器、挡风玻璃电阻丝和空调系统共同组成挡风玻璃的清洁设备,驾驶员通过正确操作驾驶设备可实现除冰、除湿、除雨、除冷凝和除雾的功能。

5 实现挡风玻璃功能的操作

5.1 除冰操作

驾驶员操作挡风玻璃加热开关和空调控制面板,将挡风玻璃加热电阻丝和司机室空调开启,直至挡风玻璃可见区域的冰完全除尽。

当除冰过程结束后,启动刮雨器去除水膜。

5.2 除湿雪操作

1)车辆停放时落雪的情况。驾驶室应处于待机模式或正常停机模式,任何情况下挡风玻璃加热电阻丝都应处于关闭状态。应在刮雨器开启的状态下除湿雪。在除湿雪期间出现状况时,可以打开挡风玻璃加热电阻丝以加速除雪,或者尽可能机械地移除积雪。

2)落雪期间,车辆在轨道上的情况。司机室应处于“正常模式”(空调开启),开启刮雨器选择模式开关、喷淋按钮,刮雨器开始工作。打开挡风玻璃加热电阻丝以加速除雪,或者尽可能机械地移除积雪。

5.3 除雨操作

空调应处于运行状态。

刮雨器的所有设备都能单独使用,并可提高刮刷的速度。

5.4 除冷凝操作

将司机室空调开启。如果发生冷凝现象,采用纠正措施(如通过窗加热、风扇、窗户上的通风口进行调节),直至挡风玻璃达到完全的可见度。

5.5 除雾操作

将司机室空调开启。在此期间,检查司机室挡风玻璃和车窗是否有雾。如果产生雾气,应采取纠正措施(如通过窗加热、风扇、窗户上的通风口进行调节),直至达到完全的可见度。

6 结论

文中提出了中央司机室机车前部视野盲区的概念,建立了匈牙利调车机车视野盲区计算方法。机械间前端截面轮廓影响前方左侧可视区域,左侧可视性可作为辅助观测功能,故合理控制机械间轮廓大小及位置对机车运行安全具有重要意义。机械间轮廓对驾驶员视野的影响主要集中在低信号,为了减小机械间轮廓在挡风玻璃形成的视野盲区,增加座椅左右向调节功能可有效减小视野盲区,有利于驾驶员的瞭望作业。同时正确操作驾驶设备来实现挡风玻璃的除冰、除湿、除雨、除冷凝和除雾,可确保驾驶员能够保持清晰的前部视野。