城軌地鐵項目橫向雙人懸臂座椅結(jié)構(gòu)設(shè)計及試驗驗證

喻海洋，楊文鑫，辛 超，許 嬌

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266011；2.青島蘇試海測檢測技術(shù)有限公司，山東 青島 266031）

軌道車輛的座椅是旅客界面重要的可視物之一，合理舒適的客室座椅會給乘客帶來愉悅的旅行體驗，同時，座椅也是乘務(wù)人員客室維護保養(yǎng)的主要部件，簡潔方便地維護是車輛座椅安裝設(shè)計的重要考量指標。通常座椅布置為面向車輛運行方向，垂直安裝在車體結(jié)構(gòu)的側(cè)墻和底架上，這種安裝結(jié)構(gòu)有利于保障座椅安裝結(jié)構(gòu)的承載強度。但是，分散式的立柱安裝在車體結(jié)構(gòu)底架上，增加了車輛客室維保的難度和強度，并且維保時間較長[1]。

為了解決軌道車輛座椅結(jié)構(gòu)不便于車廂內(nèi)清潔的問題，創(chuàng)新設(shè)計了一種軌道車輛客室雙人橫向座椅懸臂安裝結(jié)構(gòu)，座椅承載安裝座安裝固定在車輛的側(cè)墻上，不與車輛的地板相連。座椅采用懸臂簡支梁的方式固定在車體結(jié)構(gòu)上，使客室地板（包括座椅下部）無障礙阻擋，形成一個完整的平面，人工和輔助機器人清潔維護省時、省力，降低了維護成本，提高了維護效率[2]。

1 橫向雙人懸臂座椅結(jié)構(gòu)設(shè)計

橫向雙人懸臂座椅的可視布置見圖1-a，座椅承載結(jié)構(gòu)全部固定安裝在車體結(jié)構(gòu)側(cè)墻見圖1-b。

圖1 橫向雙人座椅結(jié)構(gòu)布置及其承載結(jié)構(gòu)

雙人座椅單元承載結(jié)構(gòu)與側(cè)墻連接采用三點穩(wěn)定支撐結(jié)構(gòu)，上部一點、下部兩點構(gòu)成三角形結(jié)構(gòu)。三角形的兩點結(jié)構(gòu)采用板凳結(jié)構(gòu)，采用焊接和螺栓連接固定在車體側(cè)墻支撐立柱上。

2 橫向雙人懸臂座椅承載結(jié)構(gòu)強度計算與分析

依據(jù)車輛結(jié)構(gòu)強度設(shè)計標準BSEN 12663-1:2010的要求，對橫向雙人懸臂座椅的承載結(jié)構(gòu)進行靜強度及疲勞強度的仿真分析，進而進行結(jié)構(gòu)強度校核及評估[3]。

2.1 靜強度分析工況及分析結(jié)果

按照平均每人的體重90 kg進行校核，靜強度仿真計算載荷工況見圖2。

圖2 座椅安裝結(jié)構(gòu)強度校核工況

1）180 kg乘客坐在座椅中心前沿，永久變形不超過3 mm，見圖2-a。

2）140 kg水平作用力，包括前部及后部作用力，在靠近過道座椅靠背中部邊沿施加，永久變形不超過3 mm，見圖2-b。

3）113 kg作用在扶手上的力，在任何水平方向，永久變形不超過3 mm，見圖2-c。

4）座椅與側(cè)墻安裝部分能夠承受兩個68 kg乘客4g作用力水平?jīng)_擊，座椅可以扭曲，但不可以在載荷條件下撕裂，見圖2-d。

車體靜強度仿真計算校核和座椅承載結(jié)構(gòu)安裝座的靜強度仿真分析結(jié)果均表明，承載結(jié)構(gòu)的母材和焊縫強度校核，滿足要求。

2.2 疲勞強度分析工況及分析結(jié)果

座椅承載結(jié)構(gòu)疲勞強度分析工況見表1。

表1 承載結(jié)構(gòu)疲勞強度載荷要求

車體疲勞強度仿真計算校核和疲勞工況下承載結(jié)構(gòu)的母材和焊縫強度校核結(jié)果均表明，安裝座螺栓孔周圍母材最大利用系數(shù)為0.70；安裝座立面補板與側(cè)墻立柱焊縫處最大利用系數(shù)為0.83。利用系數(shù)均小于1，符合要求。

3 承載結(jié)構(gòu)靜強度和疲勞強度試驗驗證

仿真分析強度驗證合格后進行試驗件試制，同時按照與座椅承載結(jié)構(gòu)強度仿真計算相同的工況進行靜強度和疲勞強度試驗。試驗選取一個典型的橫向雙人懸臂座椅骨架及由其承載結(jié)構(gòu)本體組成的試驗件為考核對象。通過研究局部組成單元與車體結(jié)構(gòu)整體承載結(jié)構(gòu)的約束條件，采用工裝對試驗件進行約束和載荷加載。靜強度試驗加載曲線和疲勞強度加載曲線見圖3和圖4[4]。

圖3 靜強度試驗加載曲線

圖4 疲勞強度加載曲線

試驗件靜強度試驗和疲勞試驗完畢后，分別對試驗件的連接部位焊縫進行表面著色無損檢測，無裂紋，合格[5]。

4 結(jié)論與建議

本文從城市軌道車輛項目用戶需求出發(fā)，創(chuàng)新設(shè)計開發(fā)出城軌地鐵車輛客室橫向雙人懸臂座椅的承載結(jié)構(gòu)，并對承載結(jié)構(gòu)按照結(jié)構(gòu)強度設(shè)計要求進行多工況復(fù)雜載荷情況下的靜強度、疲勞強度仿真分析。根據(jù)強度仿真分析結(jié)果進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，按照結(jié)構(gòu)承載安全可靠、有限空間操作方便和可達性高、承載結(jié)構(gòu)自身輕量化程度高的要求確定最優(yōu)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。按照最優(yōu)設(shè)計結(jié)構(gòu)方案進行承載部件的試制、靜強度和疲勞強度試驗驗證，驗證校核結(jié)果表明其結(jié)構(gòu)符合強度要求。

軌道車輛的座椅是車輛中旅客界面重要的內(nèi)飾部件之一，它直接影響到旅客乘坐的安全性和舒適性，同時也是車輛運用維護的重要部件之一。隨著以人為本和綠色節(jié)能理念的不斷深入，在不斷優(yōu)化完善座椅乘坐舒適性的同時，提高座椅運用維護的方便性和快捷性，減輕運維人員勞動強度的要求越來越高。城軌地鐵項目橫向雙人懸臂座椅的設(shè)置增大了軌道車輛內(nèi)部座椅的檢修空間，并且提高了車廂內(nèi)的清潔工作效率，是一次有益的嘗試，值得推廣應(yīng)用。