Study, analysis and improvement of the comfort index levels on railways

Abstract

Os futuros meios de transporte baseiam-se em soluções amigas do ambiente. A redução do impacto ambiental, congestionamento do tráfego, e a promoção de baixas emissões de CO2, são passos cruciais para alcançar a neutralidade carbónica. A indústria ferroviária encontra-se classificada como a solução mais proeminente neste objetivo. Especialmente nos países europeus e asiáticos, a maioria dos serviços ferroviários é operada por comboios eletrificados. Deste modo, as suas emissões de CO2 são residuais ao nível do utilizador final. Para manter a atual tendência e aumentar continuamente o número de passageiros dos comboios, é fundamental proporcionar viagens agradáveis. A sua avaliação baseia-se numa análise extremamente complexa da segurança e do conforto, dependendo da interação de múltiplos fatores. Independentemente da dificuldade mencionada, os fatores de conforto dependentes do funcionamento do comboio são o foco desta tese. Para quantificar adequadamente o conforto, é necessário quantificar parâmetros estáticos e dinâmicos. A análise da influência de parâmetros dinâmicos no conforto, levou à caracterização do mesmo nas viagens de longas distâncias realizadas nos comboios portugueses através da aplicação da norma ISO 2631. Com base nessa avaliação, foi sugerida uma nova metodologia para identificar anomalias na infraestrutura ferroviária e detetar possíveis necessidades de manutenção da mesma. Deste estudo resultou a identificação de doze zonas críticas. Além disso, com base numa abordagem inovadora, a identificação modal permitiu distinguir as vibrações estruturais dos assentos dos movimentos que dependem das frequências naturais da estrutura do veículo. A identificação dessas frequências está dependente do tipo de banco estudado. Foi ainda avaliada a influência da espessura da espuma na transmissão de vibrações, sendo que, espumas mais espessas são mais eficazes na mitigação de vibrações. Relativamente ao conforto estático, este foi caracterizado por metodologias subjetivas e objetivas. A influência das propriedades mecânicas da espuma, assim como, da pressão e temperaturas induzidas na interface passageiro-banco, conduziu à identificação dos elementos mais adequados para aplicações ferroviárias. O sistema identificado como a solução mas promissora para elevar os níveis de conforto em viagens de comboio é composto por uma espuma de poliuretano (80 kg/m3) e uma capa de tecido. Os resultados do presente estudo podem ajudar na conceção de novos bancos capazes de oferecer níveis de conforto elevados e, assim, promover a utilização do comboio como o principal meio de transporte.

Future transportation will be based on environmentally friendly solutions, reducing environmental impact and traffic congestion, and promoting low CO2 emissions targeting to achieve carbon neutrality. The railway industry is positioned as the most prominent solution to this goal. Especially in European and Asiatic countries, a predominant proportion of rail services are operated by electrified trains. Thus, its CO2 emissions are residual at the end user. To keep the positive trend and continuously increase rail passengers, it is fundamental to deliver comfortable journeys, which requires a rather complex analysis based on safety and comfort, and depends on the interaction of multiple factors. Regardless of the mentioned difficulty, the comfort factors dependent on the rail motion are the focus of this thesis. To properly quantify comfort, dynamic and static parameters need to be accessed. The analysis of the influence of dynamic parameters when sitting allowed to characterise the ride comfort of the Portuguese rail train journeys, applying ISO 2631. Based on that evaluation, a novel methodology was suggested to identify abnormalities in the rail track infrastructure and detect possible maintenance requirements. A total of twelve critical sections were identified. Moreover, based on an innovative experimental setup and analysis methodology, a modal identification may properly distinguish seat structural vibrations from those dependent on carbody natural frequencies. The identification of these frequencies depends on the seat type, being that of Alfa Pendular and Intercity trains different. The influence of foam thickness in vibration transmission was also evaluated, with thicker foams being more effective in mitigating vibrations. Static comfort was accessed by both, subjective and objective, methodologies. Foam mechanical properties, induced interface pressure, and temperature at the cover-passenger interface led to the identification of the most suitable seating system for railway applications. That identified as the most promising solution to raise comfort levels on train journeys consists of a polyurethane foam (80 kg/m3) and a fabric cover. The results of the present study may help design new railway seats capable of offering increased comfort levels and, thus, promoting rail usage.