基于CRH6型城際動車組的座椅研究

劉銀生 劉 偉 王冰松 郭小峰 秦國永 安春雷

(中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司， 青島 266000)

基于CRH6型城際動車組的座椅研究

劉銀生 劉 偉 王冰松 郭小峰 秦國永 安春雷

(中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司， 青島 266000)

隨著城際軌道交通的快速發(fā)展， CRH6型城際動車組成功研制并載客運營[1]。座椅作為乘客在乘車過程中最重要的設(shè)備之一，其舒適性和安全性至關(guān)重要。既有高速動車組座椅適用于長時間的旅程，功能齊全，但成本較高；城軌地鐵車輛座椅適用于較短途的旅程，結(jié)構(gòu)簡單，但舒適性較差。因此，需開發(fā)一種不同于動車組和地鐵車輛的新型座椅以適用于CRH6型城際動車組，滿足城際動車組的運營需求，借以推動城際軌道交通的發(fā)展。文章從座椅設(shè)計的舒適性、安全性等方面進(jìn)行了全面分析和驗證，最終研制出滿足CRH6型城際動車組載客需求的新型座椅，該座椅的研制對未來城際動車組座椅的進(jìn)一步創(chuàng)新提供了平臺和基礎(chǔ)。

城際動車組； 座椅； 舒適性； 安全性； 人機(jī)

1 引言

隨著我國區(qū)域經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，新型城鎮(zhèn)化建設(shè)步伐不斷加快，人們居住、工作觀念日漸轉(zhuǎn)變，輻射半徑100～200 km左右、旅行時間1～2h左右的都市圈/區(qū)域經(jīng)濟(jì)圈應(yīng)運而生。到2020年，京津冀、長江三角洲、珠江三角洲三大城市群基本建成城際軌道交通網(wǎng)絡(luò)，相鄰核心城市之間、核心城市與周邊節(jié)點城市之間實現(xiàn)1～2 h通達(dá)[2]。

隨著城際鐵路網(wǎng)的鋪開，乘坐城際動車出行的人將會越來越多。車輛在運行過程中，乘客以自己座椅為中心的活動占90%以上，因而座椅是影響城際動車組乘坐舒適性最重要的乘客設(shè)備，其舒適性及安全性至關(guān)重要。本文主要從座椅的舒適性及安全性兩個方面進(jìn)行分析，闡述座椅的設(shè)計原則及方法。

2 座椅舒適性分析

乘坐舒適性主要取決于車輛—座椅系統(tǒng)和人體的人機(jī)界面能否為乘客提供舒適的坐姿，能否有效地隔離或衰減來自路面不平度的激勵而產(chǎn)生的振動，使乘員所承受的全身振動負(fù)荷低于規(guī)定的極限。根據(jù)車內(nèi)乘員的活動狀態(tài)及舒適性所研究和解決問題的不同，舒適性可分為靜態(tài)舒適性、振動舒適性和活動舒適性[3]。

由表1可知，乘客座椅的乘坐舒適性主要是研究靜態(tài)舒適性，是依據(jù)人體舒適坐姿的要求和人體測量數(shù)據(jù)，著重研究乘客舒適坐姿所需要的座椅結(jié)構(gòu)、尺寸等。

表1 舒適性分類

2.1 對坐姿的探討

坐姿是一種人體的自然姿勢。它有很多的優(yōu)點，可免除肌力疲勞，減少人體的耗能，比立姿更有利于血液的循環(huán)，也有助于操作者采取更為穩(wěn)定的姿勢，以進(jìn)行各種精巧精細(xì)動作的任務(wù)。雖然如此，坐姿在某些方面也有其缺點存在，其中最重要的是它限制了人體的活動性，尤其是在旅行時，我們以什么樣的坐姿在緩解疲勞成為我們關(guān)注的焦點問題。此外，長時間的坐姿對人體健康也有許多的不利，脊柱的不正常彎曲、人體主要支撐面上的壓力等將產(chǎn)生不舒適感[4]。

當(dāng)人坐在座椅上時，支撐人體處于固定形勢的主要結(jié)構(gòu)是脊柱、骨盆和腿足等。從座椅的設(shè)計觀點而言，人體的脊椎最為重要，承受著坐姿對人體的大部分體重負(fù)荷。因此良好的坐姿，其必要條件是能產(chǎn)生最適當(dāng)?shù)膲毫Ψ植加诟骷棺倒侵g的椎間盤上，以及最適當(dāng)、最均勻的靜負(fù)荷量于所附著的肌肉組織上。研究分析人體處于各種不同姿勢下(包括立姿、躺姿坐姿等34種)腰椎所產(chǎn)生的曲線變化發(fā)現(xiàn)，當(dāng)人體舒適地側(cè)躺著，大腿與小腿適度地彎曲時，脊柱即維持其自然的形勢，此時背部肌肉群即可處于其最佳的輕松狀態(tài)[5]。

2.2 座椅的人機(jī)分析

根據(jù)對坐姿的探討，人體主要靠脊椎支撐，乘坐狀態(tài)下脊椎的相應(yīng)位置應(yīng)該得到力量的支撐，否則人就會產(chǎn)生疲勞感。因此可以簡單得出人體受力對靠背曲線的要求，需支撐的部位如圖1所示，其中深色箭頭表示人體的自重，淺色箭頭表示座椅的支撐力。

圖1 乘坐狀態(tài)下人體受力情況

參考人體在乘坐狀態(tài)下的受力情況，可將座椅的靠背曲線設(shè)計的如圖2所示，以滿足支撐的要求。

圖2 座椅靠背的參考曲線

以乘客為本，就座椅而言，無論長途或短途乘客就座，都應(yīng)該坐得舒適。根據(jù)對京廣高速鐵路列車乘客跟蹤調(diào)研分析，共采集到了105份調(diào)研問卷，為了便于統(tǒng)計，隨機(jī)抽取了100份，將調(diào)研結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計匯總，得出調(diào)研對象信息統(tǒng)計如圖3所示，乘客對座椅的需求結(jié)論如圖4所示。

圖3 調(diào)研對象基本信息統(tǒng)計圖

圖4 乘客乘坐需求

(1)在乘坐的2 h內(nèi)，乘客認(rèn)為頭部、腳部需要有支撐。

(2)在乘坐的2.5～4 h階段，乘客會做一些活動、變換坐姿或者睡覺。

(3)在乘坐4～6 h階段，乘客認(rèn)為座椅整體上感覺都不是很舒適；乘客心理感覺疲勞，有改變乘坐整體姿勢的要求。

因城際動車組大多運行時間在2 h以內(nèi)，乘客對頭部和腳部有支撐需求，對坐姿的變換需求不大。

2.3 座椅設(shè)計的基本原則

根據(jù)對坐姿理論的探討，我們可以得出座椅設(shè)計的一般原則：

(1)座椅的形式和尺度與坐者的目的或動機(jī)有關(guān)；

(2)座椅的尺度必須與相對的人體測量值配合；

(3)座椅的設(shè)計必須能提供坐者足夠的支撐與穩(wěn)定；

(4)座椅的設(shè)計必須能使坐者改變其姿勢，其椅墊必須足以防止坐姿行為中的滑脫現(xiàn)象；

(5)靠背，特別是在腰部的支撐，可降低脊柱所產(chǎn)生的緊張壓力；

(6)座墊必須有充分的襯墊和適當(dāng)?shù)挠捕?，使之有助于將人體的壓力分布于坐骨結(jié)節(jié)附近。

2.4 座椅的功能及設(shè)計尺寸

根據(jù)以上分析和探討，可將城際動車座椅設(shè)定為固定式座椅，靠背有固定傾角但不可調(diào)，不設(shè)旋轉(zhuǎn)功能。座椅基本部件包括坐墊、靠背、扶手、骨架及固定腿等，坐墊及靠背采用聚氨酯發(fā)泡+紡織蒙面布，座椅兩側(cè)為固定式扶手，中部扶手可翻起與靠背平齊，座椅靠背頂部設(shè)抓手、后部設(shè)書報網(wǎng)袋。座椅的具體參數(shù)見表2，樣式如圖5所示。

表2 座椅規(guī)格與參數(shù)

圖5 CRH6城際車座椅

3 座椅的安全性分析

為全面了解新開發(fā)的新型城際動車座椅結(jié)構(gòu)的靜載、抗疲勞、抗沖擊等力學(xué)性能，保證這些結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性，對座椅進(jìn)行以下研究：

(1)用有限元軟件對座椅進(jìn)行數(shù)值仿真分析，對座椅的強(qiáng)度、變形情況進(jìn)行分析；

(2)對座椅進(jìn)行振動測試，查看振動后座椅是否存在機(jī)械損傷及緊固件松動、脫落等現(xiàn)象；

(3)對座椅所選取部件進(jìn)行耐久性試驗，查看座椅各部件是否存在損壞情況；

(4)對座椅進(jìn)行沖擊測試，查看測試后座椅各部件是否發(fā)生機(jī)械損傷、緊固件松動、脫落以及產(chǎn)生永久變形或裂痕等現(xiàn)象；

(5)對座椅施加靜載荷，查看座椅各部件是否存在永久變形或裂痕。

3.1 仿真分析

3.1.1 靜力分析模型

利用ANSYS Spaceclaim對原始三維模型進(jìn)行編輯處理，在ANSYS Workbench環(huán)境中導(dǎo)入編輯后的幾何部件共計105個，進(jìn)行模型裝配后共形成155個綁定和光滑接觸對。采用高階SOILD單元對模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分，得到的有限元分析模型共包含169 329個節(jié)點，64 523個單元，整體分析模型如圖6所示。為了看到內(nèi)部結(jié)構(gòu)，左邊的座椅隱藏了外包部件。

圖6 整體分析模型

3.1.2 載荷工況

按UIC566-1990[6]中規(guī)定的試驗方法，對座椅坐墊作用力、靠背作用力、扶手作用力及把手作用力的5個工況進(jìn)行仿真計算。具體參數(shù)見表3；相關(guān)材料的力學(xué)性能計算參數(shù)見表4；施加載荷工況見圖7。

表3 對座椅施加載荷

表4 相關(guān)材料的力學(xué)性能計算參數(shù)

圖7 座椅施加載客工況圖

3.1.3 仿真分析結(jié)果

上述5個載荷工況下最大應(yīng)力值見表5。

表5 最大應(yīng)力值

從表5可以看出，5種工況作用下座椅各部件的最大應(yīng)力值均滿足材料許用應(yīng)力要求。

3.1.4 結(jié)論

通過上述分析結(jié)果可以得出如下幾點結(jié)論：

(1)座椅在各工況下的變形均不大，總體剛度較好；

(2)座椅在各工況荷載作用下應(yīng)力水平較低，整個骨架結(jié)構(gòu)受力合理，有足夠的安全裕量。

3.2 試驗驗證

3.2.1 試驗加載條件

為了進(jìn)一步驗證座椅的安全性，對座椅進(jìn)行強(qiáng)度、沖擊振動[7]、耐久性[8]實物測試，加載條件見表6，試驗驗證見圖8。

表6 加載條件

圖8 座椅實物驗證

3.2.2 試驗結(jié)論

(1)靜載試驗后，座椅各部件未發(fā)現(xiàn)明顯損壞和永久裂痕及變形；

(2)沖擊振動試驗后，座椅各部件未發(fā)現(xiàn)機(jī)械損傷及緊固件松動、脫落等現(xiàn)象；

(3)耐久性試驗后，座椅各部件均未發(fā)現(xiàn)損壞情況。

4 載客運營考核

2014年，中國首列城際動車組CRH6A-4002列車開始在成灌線(成都至都江堰)、成達(dá)線(成都到達(dá)州)投入載客試運營。已完成30萬公里運營考核，運營期間座椅使用狀態(tài)良好； 2015年，CRH6F-4003列城際動車組開始在南寧局進(jìn)行載客運行，截止10月15日，已完成30萬公里運營考核，運營期間座椅使用狀態(tài)良好。

通過載客運營調(diào)研發(fā)現(xiàn)，乘客對座椅的使用滿意度較高，使用狀態(tài)良好。

5 結(jié)束語

CRH6型城際動車組座椅設(shè)計現(xiàn)代、簡潔、新穎，以人體工程學(xué)的理念，通過對座椅舒適性的探討及人機(jī)分析，確定座椅的功能及設(shè)計尺寸，最大限度的提高了旅客乘坐的舒適性。通過仿真計算及試驗驗證，完全可以滿足座椅的安全性和可靠性要求。通過載客運營考核，乘客對座椅的使用滿意度較高，運營狀態(tài)良好。同時，座椅的研制對未來城際動車組座椅的進(jìn)一步創(chuàng)新提供了平臺和基礎(chǔ)。

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Research on Seat of CRH6 Intercity EMU

LIU Yinsheng LIU Wei WANG Bingsong GUO Xiaofeng QIN Guoyong AN Chunlei

(CRRC Qingdao Sifang Co.,Ltd.，QingDao 266000， China)

With the rapid development of intercity rail transportation, the CRH6 type intercity EMU has been successfully developed and carried in the passenger traffic. As one of the most important equipment in the process of traveling, the seat is very important for its comfort and safety. The existing high speed EMU seat is suitable for long time journey because of its complete functions, but the cost is high; urban rail vehicle seat is suitable for short distance, the structure is simple, but the comfort is poor. Therefore, it is necessary to develop a new type of seat which is different from EMU and metro vehicles. A new type seat suitable for CRH6 type intercity EMU to meet the operational requirements of the intercity EMU is developed, so as to promote the development of intercity rail transit. Based on the comfort, safety and other aspects of the design and verification, a new type of seat to meet the needs of the CRH6 type intercity emu is finally developed.

intercity EMU； seat； comfort； safety； man-machine

2015-11-11

劉銀生(1981-)，男，工程師。

1674—8247(2016)02—0076—04

U267.9

A