軍用車輛座椅減振抗爆技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(軍用車輛乘載員減振抗爆座椅設(shè)計(jì)技術(shù)研究系列一)

汪國勝，雷強(qiáng)順，曹宇，張偉杰，李桂兵

(1.湖南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 湖南 湘潭 411201； 2.中國北方車輛研究所 底盤部件技術(shù)部， 北京 100072)

0 引言

坦克裝甲車輛乘員在作戰(zhàn)或訓(xùn)練過程中要實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度高靈敏度地駕駛與操縱、瞄準(zhǔn)與射擊等作戰(zhàn)任務(wù)，不僅承受著長時(shí)間工作姿態(tài)不良帶來的身體慢性損傷與不佳感受，還長期承受著來自路面顛簸引起的隨機(jī)振動(dòng)與低幅沖擊；在真正的戰(zhàn)場上，更要面臨著來自車體底部地雷及簡易爆炸物爆炸引起的巨幅沖擊。當(dāng)前我國在役的主戰(zhàn)坦克大多數(shù)基本沒有裝備具有減振抗爆性能的專用座椅，長時(shí)間隨機(jī)振動(dòng)或低幅沖擊不僅加劇了坐姿不良對坦克乘員人體健康造成的身體損傷，還極大地影響著乘員的乘坐舒適性、操縱靈敏度、觀瞄效能，直接影響工效與行進(jìn)間射擊精度；而地雷爆炸等巨幅沖擊會(huì)直接危及乘員的生命安全。因此，坦克裝甲車輛座椅是影響乘載員身體健康與戰(zhàn)斗力發(fā)揮的重要因素之一。

本文首先分析軍用車輛座椅性能對乘載員身體健康及軍用車輛戰(zhàn)斗力的影響，再對國內(nèi)外軍用車輛乘載員座椅的研究現(xiàn)狀與研究進(jìn)展進(jìn)行了分析，最后分析得出軍用車輛乘載員座椅的功能需求與研究趨勢、發(fā)展方向與關(guān)鍵技術(shù)，為國內(nèi)軍用車輛減振抗爆座椅研究提出了方向性指導(dǎo)。

1 軍用車輛乘載員座椅的作用與重要性

乘載員座椅性能對乘載員身體健康及軍用車輛戰(zhàn)斗力的影響主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1.1 座椅對乘載員身體健康的影響

解放軍159醫(yī)院骨科在2002年對某部坦克部隊(duì)從事坦克專業(yè)的干部、戰(zhàn)士(共552人)身體健康狀況進(jìn)行了調(diào)查統(tǒng)計(jì)，調(diào)查對象均為男性，年齡18～35歲，平均25.3歲。從事專業(yè)1～15年，平均4.38年。其中車長121人，駕駛員166人，一炮手138人，二炮手127人。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：1)3年以上軍齡的裝甲兵中腰、膝、頸及肘等部位均發(fā)生了不同程度的病痛，其中以腰痛病在裝甲兵中發(fā)病率最高；2)340人腰痛與工作姿勢有關(guān)，占65.2%；122人腰痛與人車比例不適當(dāng)有關(guān)，占22.1%；307人腰痛與振動(dòng)沖擊有關(guān)，占55.7%。

上述調(diào)查結(jié)果表明：振動(dòng)與沖擊是導(dǎo)致裝甲兵職業(yè)腰痛病與操作工效下降的主要因素，工作環(huán)境是導(dǎo)致腰痛職業(yè)病的重要原因。

1.2 座椅對乘載員操縱效能的影響

相關(guān)研究表明：振動(dòng)對人眼視覺功能的影響主要表現(xiàn)在低頻區(qū)，其敏感頻率范圍垂直向?yàn)?～16 Hz、前后水平向(前后方向)為4～8 Hz；當(dāng)受振頻率大于45 Hz時(shí)，振動(dòng)對人眼視覺功能的影響比較小。對于同樣量級的振動(dòng)，垂直方向的振動(dòng)對人眼視覺功能的影響遠(yuǎn)比前后水平方向的影響要大。振動(dòng)對人眼視覺功能的影響主要決定于眼與被識別目標(biāo)之間相對振動(dòng)量級的大小，相對振動(dòng)量級越大其影響也越嚴(yán)重。由于裝甲艙室與乘載員之間的相對振動(dòng)，目標(biāo)對象在人體眼視網(wǎng)膜成像模糊，導(dǎo)致儀表判讀和精細(xì)分辨能力下降。有研究證明：視距小于1.5 m時(shí)，±0.15 mm的振幅即可引起視覺模糊；振動(dòng)對視讀能力的影響與視距有關(guān)，且隨著視距的縮短，振動(dòng)對視讀能力的影響越大；振動(dòng)引起視覺- 運(yùn)動(dòng)反應(yīng)時(shí)延長及視讀錯(cuò)誤率增大，并可使視力下降和視野范圍縮小，作業(yè)能力下降。

相關(guān)研究表明，即使座椅與觀察界面同步振動(dòng)，但當(dāng)垂直向加權(quán)加速度達(dá)到0.5 m/s時(shí)，人體感覺出現(xiàn)不舒適，難以維持精確的操作。而多個(gè)型號坦克野外振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)垂直向加權(quán)加速度達(dá)到0.65～0.70 m/s時(shí)，人在座椅上已難以坐穩(wěn)，需要雙手緊扶操縱臺把手才能穩(wěn)住身軀，此時(shí)乘員眼睛已很難抵在瞄準(zhǔn)鏡護(hù)額上，即使經(jīng)過專業(yè)訓(xùn)練的炮手等乘員也很難進(jìn)行相當(dāng)精確的瞄準(zhǔn)。由此可見，在當(dāng)前坦克設(shè)計(jì)水平條件下，乘員乘坐舒適性是影響軍用車輛射擊精度與行進(jìn)間射擊車速的主要因素，也是限制因素。

振動(dòng)對手動(dòng)操作的影響，主要是由于振動(dòng)降低了手的穩(wěn)定性，從而使操作動(dòng)作精確度變差，導(dǎo)致操作不協(xié)調(diào)，操作誤差率增高；而且振幅越大，影響越大，如頻率為1～10 Hz、加速度1 m/s的振動(dòng)便可導(dǎo)致進(jìn)行一般性操作過程中的明顯操作誤差。另外，國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 2631關(guān)于全身振動(dòng)評價(jià)指南表明，對人手振動(dòng)敏感的頻率范圍為8～16 Hz，在此頻率范圍內(nèi)振動(dòng)，人體手部操作精度大受影響，復(fù)雜的手控系統(tǒng)及精細(xì)的手動(dòng)操作更易受振動(dòng)的影響，甚至在振動(dòng)環(huán)境中無法完成。

1.3 座椅對乘載員生命安全的影響

戰(zhàn)爭表明坦克等軍用車輛最大的危險(xiǎn)是來自于路邊的地雷及簡易爆炸物(IED)。地雷及IED爆炸對車輛及人體的損傷不僅在于炮彈穿過厚重裝甲在艙內(nèi)形成的沖擊壓力波直接對人體生命安全造成威脅，乘載員更多的損傷來自于炮彈未穿透裝甲而對車體及人體造成的巨大機(jī)械沖擊波，地雷爆炸引起的巨大沖擊波幅值一般處于1 000以上水平，在座椅位置引起的沖擊加速度達(dá)到200以上。這種巨幅沖擊對人體的損傷是廣泛的，如美軍坦克及裝甲車在伊拉克及阿富汗戰(zhàn)爭中遭受了無處不在的IED的襲擊，造成了巨大的人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失。

綜上所述，座椅作為整個(gè)坦克裝甲車輛人- 機(jī)界面的中心與關(guān)鍵部件，直接影響著裝甲兵的身體健康、操縱效能與疲勞工效甚至生命安全，是軍用車輛設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)關(guān)注的關(guān)鍵部件。

2 國內(nèi)外軍用車輛乘載員座椅研究情況

面對IED的威脅，人們早期的注意力集中在裝甲防護(hù)上，這是可以理解的，因?yàn)樵诒ㄊ录?，地雷和IED首先被視為車輛的威脅而不是乘員的威脅，避免車輛被穿透是最重要和最緊迫的要求。國外早在20世紀(jì)80年代就開始了坦克防地雷的防護(hù)設(shè)計(jì)。美國軍方戰(zhàn)地研究中心針對在伊拉克及阿富汗戰(zhàn)爭中遭受的地雷及IED襲擊造成巨大的人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失，開始了防地雷反伏擊車(MARP)的研制。MARP設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)方面的研究：一是防地雷爆炸車體的改性設(shè)計(jì)或優(yōu)化設(shè)計(jì)，包括車體構(gòu)形優(yōu)化及吸能材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，主要用于防止裝甲被穿透；另一個(gè)是防地雷爆炸座椅的抗爆設(shè)計(jì)，主要通過設(shè)計(jì)相應(yīng)的吸能和緩沖結(jié)構(gòu)，把座椅及乘員承受的沖擊加速度限制在相對安全的范圍內(nèi)，以避免人員傷亡。

2.1 國外研究情況

多年來，國內(nèi)外軍用車輛乘載員座椅的研究主要集中于座椅的抗爆設(shè)計(jì)及抗爆吸能器研制，研究情況主要分為以下4種。

2.1.1 抗爆座椅

殘酷的戰(zhàn)爭經(jīng)驗(yàn)表明，吊裝于車頂部的懸掛式乘載員座椅有利于乘員的沖擊防護(hù)與減振。早期的成功設(shè)計(jì)是簡單地將標(biāo)準(zhǔn)乘員座椅安裝在車輛側(cè)壁或頂部，以減小在爆炸中車輛底板變形而直接傳遞到士兵的沖擊。目前，懸吊式抗爆乘載員座椅已成為輕型戰(zhàn)術(shù)車輛的標(biāo)準(zhǔn)配置，如瑞士的鋸脂鯉ⅢC裝甲輸送車、美國皮蘭哈8×8Ⅳ輪式裝甲車、法國VBCI步兵戰(zhàn)車、阿聯(lián)酋野隼、拉巴丹8×8步兵戰(zhàn)車、阿聯(lián)酋MSPV公司Panthera系列裝甲車的乘員艙及乘載員座椅均按照防雷需要進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)。

圖1所示為MARP車內(nèi)的乘載員抗爆座椅，圖2所示為采用V形防雷車體的美國MARP車，該車采用懸吊于車頂?shù)牡跹b式乘載員座椅，使得整車防地雷爆炸防護(hù)設(shè)計(jì)達(dá)到一個(gè)新的水平，一時(shí)成為軍用車輛防地雷設(shè)計(jì)的成功代表。

圖1 MARP車內(nèi)的乘載員抗爆座椅Fig.1 Anti-explosion seats for occupants in MARP

圖2 MARP載員抗爆座椅安裝效果圖Fig.2 Installation effect drawing of MARP anti-explosion seat

懸掛式乘員座椅的另一典型產(chǎn)品是德國Autoflug公司的吊帶式座椅(見圖3)，該座椅的設(shè)計(jì)源自Autoflug公司多年從事降落傘技術(shù)的經(jīng)歷，其設(shè)計(jì)理念是把座椅懸掛在張緊的帶有鎖定卷筒的吊帶上，并采用紡織物和繩索來進(jìn)行安裝，座椅采用6條織帶固定于車體上，乘員通過四點(diǎn)式安全帶與綁帶固定在座椅上，保證肢體不會(huì)被爆炸振動(dòng)而向上/向下運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生額外的損傷。由于底部巨大沖擊傳導(dǎo)到車頂時(shí)衰減較大，且懸吊在車頂部的繩索不像金屬構(gòu)件那樣傳遞沖擊力量，使士兵與車輛底部隔離，達(dá)到減振防沖擊的目的。這種座椅較小的體積空間非常適合低矮型主戰(zhàn)坦克，如德國豹2A7+坦克就給每位乘員配備了這種吊帶式防地雷座椅。當(dāng)?shù)乩椎谋_擊波發(fā)生時(shí)，這種座椅可有效約束乘載員，防止乘員被拋起、碰撞到車內(nèi)壁或其他設(shè)備，將這種碰撞傷害降到最低。

圖3 德國Autoflug公司吊帶式座椅Fig.3 Germany Autoflu suspension seat

2.1.2 多次復(fù)用抗爆座椅

來自伊拉克和阿富汗的作戰(zhàn)研究表明，隨著車輛防護(hù)力與生存力的提高，傷亡人數(shù)已大幅度降低。但是，某些類型受傷害的人數(shù)實(shí)際上卻在提高，而且爆炸二次效應(yīng)所造成的死亡人數(shù)仍然高得驚人，甚至裝有基礎(chǔ)型抗爆座椅的車輛也是如此。已經(jīng)認(rèn)識到的最大問題之一是，車輛被炸飛起來后再次墜落時(shí)，由于座椅及其抗爆吸能裝置損壞，導(dǎo)致座椅在第2次承受沖擊時(shí)直接觸底(甲板)使得乘員承受比第1次爆炸承擔(dān)更大的沖擊，這也是大多數(shù)裝甲傷員在遭遇地雷時(shí)脊椎骨骨折的主要原因。這種情況主要針對輪式裝甲戰(zhàn)車或戰(zhàn)術(shù)車輛，由于其質(zhì)量較輕而更容易發(fā)生炸飛離地、再次跌落的危險(xiǎn)，為避免這種情況發(fā)生，軍用車輛乘載員座椅的抗爆結(jié)構(gòu)要具備多次復(fù)用的功能。

針對坦克裝甲車輛爆炸環(huán)境下乘載員的多次防護(hù)要求，美國陸軍坦克機(jī)動(dòng)車輛研究、發(fā)展與工程中心(TARDEC)研制了一種乘員防護(hù)型座椅(見圖4)。該型座椅設(shè)計(jì)了一種加強(qiáng)的折彎線纜能量衰減(EA)系統(tǒng)，采用彈簧復(fù)位機(jī)制，能夠在車輛被爆炸沖擊波拋起加速以及回落減速過程中對乘員進(jìn)行防護(hù)。EA線纜折彎裝置完全如預(yù)期地運(yùn)行。美國陸軍坦克機(jī)動(dòng)車輛研究、發(fā)展與工程中心組織開展的抗爆試驗(yàn)表明，滑輪或EA線纜沒有出現(xiàn)任何問題，且具有以下良好特性：

圖4 TARDEC乘員防護(hù)型座椅及其能量吸收機(jī)構(gòu)圖Fig.4 TARDEC occupant protective seat and its energy absorption mechanism

1)彈簧的往復(fù)和棘輪裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)在試驗(yàn)中均表現(xiàn)良好。

2)在車輛遭受初始沖擊之后，該座椅的特點(diǎn)是能夠進(jìn)行調(diào)諧并在約0.2 s時(shí)間內(nèi)做好迎接第2次沖擊的準(zhǔn)備。

3)彈開式彈簧夾的功能與預(yù)期的相同。根據(jù)演示，彈簧夾可在車輛遭受第1次撞擊之后重新嚙合，因此在遭受第2次撞擊時(shí)同樣具備抗爆吸能功能。

4)在加速度299.5的沖擊試驗(yàn)中測得，該裝置座椅坐板上的沖擊加速度為63.6，明確證實(shí)了該裝置可為車輛提供遭受兩次水平相當(dāng)?shù)臎_擊事件的防護(hù)能力(座椅在沒有經(jīng)過調(diào)節(jié)或替換EA線纜的情況下連續(xù)遭受兩次墜落)。

5)試驗(yàn)設(shè)備在經(jīng)受30次沖擊試驗(yàn)后，僅有輕微損傷，清楚地證明了該設(shè)計(jì)方案的魯棒性。

圖5 TARDEC乘員防護(hù)型座椅沖擊試驗(yàn)曲線Fig.5 Impact test curves of TARDEC occupant protective seat

2.1.3 質(zhì)量自適應(yīng)抗爆座椅

美軍從伊拉克與阿富漢戰(zhàn)爭中認(rèn)識到，美軍軍車采用的抗爆座椅型式、抗爆效果與性能還有兩個(gè)問題。其一是“一種規(guī)格適用所有乘員”的座椅設(shè)計(jì)方式證明是不成功的：高體重的士兵存在防護(hù)不足的危險(xiǎn)，這是因?yàn)樵谕瑯游芙Y(jié)構(gòu)與同樣抗爆行程內(nèi)，高體重的士兵在抗爆過程中更可能導(dǎo)致座椅觸底，從而引起更大的沖擊，已制造完成且吸能參數(shù)確定的機(jī)械吸能器件無法為高體重的士兵吸收更多的沖擊能量。其二是抗爆座椅必須具備一定的減振性能：軍用車輛行駛的路面多為路況不好的越野路面，乘載員承受的振動(dòng)與低幅沖擊較大，對乘載員身體的慢性損傷也較大。這一點(diǎn)與我軍多年來的坦克兵身體損傷情況完全一致：長期的振動(dòng)與沖擊極易造成裝甲兵腰痛病、頸椎病，而僅靠坐墊實(shí)現(xiàn)減振則難以滿足乘載員的乘坐舒適性要求。

為解決這兩個(gè)問題，QinetiQ北美公司在其BlastRide座椅(見圖6)中引入了氣囊式質(zhì)量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，使乘員能夠根據(jù)自身的質(zhì)量自動(dòng)操縱控制桿來設(shè)置衰減氣囊、實(shí)現(xiàn)座椅坐高與抗爆行程的無級調(diào)節(jié)，防止因體重增加導(dǎo)致抗爆行程減小而引發(fā)座椅觸底。此外，氣囊靜態(tài)支撐力壓力(等于氣囊壓力乘以其橫截面積的積值)與質(zhì)重量 (×)相等，其靜剛度系數(shù)與乘載員體重變化方向一致且呈正比，使得系統(tǒng)固有頻率變化很小，系統(tǒng)減振性能不因乘員體重變化而變化，具備質(zhì)量自適應(yīng)減振的高級功能。但是當(dāng)乘員體重增加時(shí)，氣體容積(通過充氣)增加引起的吸能量增量有限，不足以緩沖200以上的沖擊加速度條件下體重增量所需要的緩沖能量。因此，這種質(zhì)量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)只具備質(zhì)量自適應(yīng)的減振功能，不具備質(zhì)量自適應(yīng)的抗爆功能。爆炸試驗(yàn)證明，在抗爆行程富足的條件下，這種座椅使用的氣囊式減振技術(shù)能夠?qū)⒊藛T脊柱和骨盆所感受到的載荷水平從350減少到20(可生存下來的載荷水平)；另外，該氣囊系統(tǒng)的復(fù)原功能可以防御主要(爆炸)以及次要(速降)脈沖，能夠在多次沖擊中為乘員提供多次沖擊防護(hù)，具備多次復(fù)用抗爆功能；再次，該類座椅可以為乘載員提供性能優(yōu)越的減振性能。座椅的人體工程設(shè)計(jì)可提供乘坐舒適性、載荷規(guī)劃。

圖6 BlastRide新型爆炸氣囊衰減座椅[35]Fig.6 BlastRide airbag explosion-attenuation seat[35]

分析表明，該型充放氣式減振抗爆座椅的抗爆功能實(shí)現(xiàn)需要一個(gè)較大的抗爆行程，在高度空間充足的輪式車輛上使用是合適的，但外形低矮的坦克上使用往往會(huì)因抗爆行程不足而導(dǎo)致觸底。

2.1.4 磁流變減振抗爆座椅

由于磁流變減振器具備優(yōu)良快速的變阻尼與易可控性能，國際上有很多學(xué)者研制了磁流變減振器裝備到民用汽車座椅上，以實(shí)現(xiàn)高效減振功能；也有國外研究人員把它成功應(yīng)用于軍用車輛懸掛與乘員座椅上。美國GSS公司根據(jù)這種材料特性，與美國TSI公司合作開發(fā)了第2代磁流變減振器，裝備于軍用車輛座椅(見圖7)。

圖7 GSS公司研制的減振抗爆座椅Fig.7 Anti-explosion seat developed by GSS Company

這種座椅以自適應(yīng)磁流變能量吸收技術(shù)為基礎(chǔ)，通過按鈕實(shí)現(xiàn)座椅不同軟、硬的“乘坐”效果，即通過讓不同電流通過一個(gè)帶金屬添加物的磁流變減振器，即可根據(jù)需要來瞬時(shí)提高或降低阻尼以實(shí)現(xiàn)抗沖擊防護(hù)功能。美國GSS公司表示還將推出一種新型減振抗爆座椅系統(tǒng)，它能夠根據(jù)乘員的質(zhì)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，以同時(shí)適應(yīng)減振與抗爆功能，并設(shè)計(jì)成可重復(fù)使用。這項(xiàng)技術(shù)現(xiàn)正在用來改進(jìn)美國海軍陸戰(zhàn)隊(duì)的EFV遠(yuǎn)征戰(zhàn)車，而GSS公司的其他座椅已安裝到美國的輕型和重型戰(zhàn)術(shù)車輛系列產(chǎn)品和MRAP型車輛上。但從美軍及國內(nèi)外磁流變懸架的使用效果來看，磁流變材料抗沉降性差、壽命短，磁流變材料價(jià)格昂貴，另外還需要一套復(fù)雜的控制系統(tǒng)，在軍用車輛減振抗爆座椅中應(yīng)用不佳，且其綜合性價(jià)比較低。

2.2 國內(nèi)研究情況

2.2.1 機(jī)械式減振抗爆座椅

國內(nèi)對軍用車輛乘載員座椅的設(shè)計(jì)始于乘載員減振及乘坐舒適性的要求。楊建春等早在2003年就研制了履帶車輛鋼絲繩減振器(見圖8(a))，試驗(yàn)研究證明了鋼絲繩減振器在1～100 Hz全頻范圍，具有較好的減振性能，適合在惡劣工況下人員座椅的減振。但是，從圖8(b)所示的傳遞率曲線中可以看到，其在對人體敏感的4～8 Hz低頻段，隔振傳遞率呈放大狀態(tài)，減振效果不是很理想。

圖8 鋼絲繩減振器及其傳遞率曲線[47]Fig.8 Steel tightwire absorber and its transmission curve[47]

2017年，中國北方車輛研究所與北京安達(dá)維爾航空設(shè)備有限公司利用直升機(jī)抗墜毀座椅用卷簧吸能器開發(fā)了一種軍用車輛載員抗爆座椅(見圖9)，并在某型輪式車上進(jìn)行了空投模擬摔車試驗(yàn)(見圖10)。圖11所示為載員座椅安裝處及假人沖擊加速度曲線。從圖11中可以看到：座椅安裝處沖擊加速度峰值達(dá)到50以上，且出現(xiàn)多次反復(fù)沖擊；坐墊位置垂直向加速度也出現(xiàn)了反復(fù)沖擊，但是由于機(jī)械式卷簧吸能器的抗爆作用，座椅上坐墊處高于15 g以上沖擊波均已被削平，這正是卷簧吸能器抗爆啟動(dòng)作用的結(jié)果；當(dāng)懸置質(zhì)量(人體及座椅相關(guān)部件質(zhì)量和)加速度達(dá)到設(shè)計(jì)值(15)左右后卷簧開始擴(kuò)展，限制了座椅坐墊及乘坐于其上人體加速度的增長，保護(hù)了人體免受巨大沖擊的傷害。由此可見，該型卷簧的抗爆作用是顯著、可靠的。

圖9 軍用車輛載員抗爆座椅Fig.9 Explosion-resistant seats for military vehicles

圖10 滑動(dòng)升降式載員座椅模擬空投摔車試驗(yàn)及安裝位置Fig.10 Installation of sliding lift occupant seat and airdrop test

圖11 載員座椅安裝處及坐墊垂直沖擊加速度曲線Fig.11 Impulse acceleration in seat and mounting position

2.2.2 多次復(fù)用抗爆結(jié)構(gòu)及抗爆座椅

當(dāng)沖擊較小時(shí)，2.1.4節(jié)所述機(jī)械式座椅在卷簧吸能器未全部擴(kuò)展的情況下可實(shí)現(xiàn)多次復(fù)用抗爆，但是遇到大的沖擊時(shí)很可能一次沖擊就能消耗完卷簧吸能器的全部擴(kuò)展行程，當(dāng)?shù)?波沖擊到來時(shí)，很可能導(dǎo)致座椅觸底，致使乘載員遭受沖擊損傷。針對這個(gè)問題，國內(nèi)一些研究人員也開始了多次復(fù)用抗爆功能座椅的設(shè)計(jì)與研究。國內(nèi)對于多次復(fù)用抗爆座椅及吸能器件的設(shè)計(jì)思路始于汽車防碰撞設(shè)計(jì)。如參考防碰撞和填充式翻轉(zhuǎn)管結(jié)構(gòu)的汽車吸能盒，開發(fā)了翻轉(zhuǎn)管吸能器(見圖12(a))，用于汽車防碰撞及直升機(jī)抗墜毀座椅。翻轉(zhuǎn)管的變形力- 位移曲線近似為一條水平線(見圖12(c))，其承載能力也非常穩(wěn)定。作為吸能元件，翻轉(zhuǎn)管在變形過程中，幾乎將外載荷功全部轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃文埽夷艹惺芏啻位貜椵d荷，即在一次碰撞中發(fā)生反復(fù)沖擊時(shí)，能以雙層管→單層管→雙層管交迭變化的規(guī)律反復(fù)吸收能量(見圖12(b))。利用翻轉(zhuǎn)管變形的這一力學(xué)特性制成的防碰撞與抗沖擊吸能元件較為理想。圖12中，為翻轉(zhuǎn)管變形力，為管材直徑，為翻轉(zhuǎn)管壁厚，為翻轉(zhuǎn)管變形前位置，′′為翻轉(zhuǎn)管變形后位置。

圖12 翻轉(zhuǎn)管吸能器工作原理[55]Fig.12 Working principle of the energy absorber[55]

圖13 坦克乘員座椅及抗爆器件—翻轉(zhuǎn)管模型[57]Fig.13 Tank occupant seat and anti-explosion device-turning tube model[57]

陳婷等把翻轉(zhuǎn)管應(yīng)用于軍用車輛乘員座椅中，并建立了整車爆炸環(huán)境，利用仿真計(jì)算與試驗(yàn)所得乘員響應(yīng)對有限元模型進(jìn)行了驗(yàn)證；通過翻轉(zhuǎn)管的結(jié)構(gòu)尺寸、啟動(dòng)載荷的設(shè)計(jì)及動(dòng)態(tài)吸能仿真完成了吸能元件的設(shè)計(jì)；利用AEP-55人體傷害準(zhǔn)則，對圖13所示乘員座椅系統(tǒng)中翻轉(zhuǎn)管外徑、翻卷半徑與翻轉(zhuǎn)管壁厚等參數(shù)進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化。研究結(jié)果表明，翻轉(zhuǎn)管吸能元件工作過程中具有較高穩(wěn)定性，能夠有效提升乘員約束系統(tǒng)的防護(hù)性能。

2.2.3 質(zhì)量自適應(yīng)減振抗爆座椅

2.2.1節(jié)所述機(jī)械式吸能器有一個(gè)共同的缺點(diǎn)：一旦制造完成，其吸能參數(shù)基本確定，當(dāng)人體質(zhì)量或配置裝備質(zhì)量增加時(shí)，其吸能行程將超過初始設(shè)定的吸能行程，從而導(dǎo)致座椅觸底，引起較大的沖擊，導(dǎo)致乘載員損傷。

為解決這個(gè)問題，2017年6月中國北方車輛研究所汪國勝等結(jié)合某型坦克乘員座椅坐高無級調(diào)節(jié)、減振、緩沖與抗爆的多功能需求，借助油氣彈簧式懸掛技術(shù)研制了一款軍用車輛座椅專用油氣彈簧式減振緩沖器(見圖14)，與卷簧式吸能器配合使用。由于這種減振抗爆器件充氣一旦完成，氣缸內(nèi)的氣體容量不再變化，其坐高與抗爆行程的調(diào)節(jié)依靠充放油來實(shí)現(xiàn)。計(jì)算結(jié)果表明，其剛度系數(shù)與乘載員體重變化方向一致，且?guī)缀醭收龋沟孟到y(tǒng)固有頻率變化很小，同樣具備質(zhì)量自適應(yīng)減振的高級功能，實(shí)現(xiàn)有效減振與高效緩沖功能，使減振抗爆座椅(見圖14中的載員減振抗爆座椅)中的油氣彈簧能極大地緩沖來自車輛底部的巨大沖擊，在實(shí)現(xiàn)高效抗爆功能的前期下實(shí)現(xiàn)了大范圍坐高無級調(diào)節(jié)、有效減振、高效緩沖等多功能。

圖14 油氣彈簧減振緩沖器Fig.14 Hydro-pneumatic spring damper

2017年6月，中國北方車輛研究所把自行開發(fā)的油氣彈簧式減振緩沖器與北京安達(dá)維爾航空設(shè)備有限公司開發(fā)的直升機(jī)抗墜毀器件——卷簧吸能器，集成到其研發(fā)的一款四連桿升降式坦克乘員減振抗爆多功能座椅(見圖15)與一款垂直升降式坦克載員減振抗爆多功能座椅(見圖16)。

圖15 四連桿升降式坦克乘員減振抗爆多功能座椅Fig.15 Four-bar lift tank occupant shock absorbing and anti-explosion multifunctional seat

圖16 垂直升降式坦克載員減振抗爆多功能座椅Fig.16 Vertical lift tank occupant shock absorbing and anti-explosion multifunctional seat

四連桿升降式坦克乘員減振抗爆多功能座椅在沖擊輸入為204的臺架沖擊試驗(yàn)中，腰椎動(dòng)態(tài)響應(yīng)指數(shù)值降到12.23(見圖17)，遠(yuǎn)小于安全值(=17.7)；垂直升降式坦克載員減振抗爆多功能座椅安裝于某型4×4裝甲車上，其在模擬空投試驗(yàn)(座椅安裝位置見圖18)中把座椅底部峰值為48的沖擊加速度衰減到11，實(shí)現(xiàn)了峰值降低77%的良好效果(見圖19、圖20)。如圖19所示，安裝二者的座椅沖擊脈沖時(shí)間較圖9所示僅有卷簧吸能器時(shí)的坐墊沖擊脈沖時(shí)間要小得多，表明傳遞至人體的沖擊峰值與沖擊能量大大減小。

圖17 四連桿式乘員抗爆座椅沖擊試驗(yàn)曲線Fig.17 Impact test curve of four-bar occupant anti-explosion seat

圖18 安裝于4×4裝甲車左后載員乘坐位置的載員座椅(含油氣彈簧式減振緩沖器及卷簧吸能器)Fig.18 Occupant seat (including oil and gas spring damper and coil spring absorber) installed on the left rear seat position of an 4×4 armored vehicle

圖19 載員座椅安裝位置垂直沖擊加速度曲線Fig.19 Vertical impact acceleration in mounting position of seat

圖20 載員座椅坐墊處垂直沖擊加速度曲線Fig.20 Vertical acceleration at the cushion of occupant seat

顯然集卷簧吸能器與油氣彈簧式減振緩沖器于一體的多功能坦克乘員減振抗爆座椅雖然滿足坐高無級調(diào)節(jié)、減振、緩沖、抗爆與質(zhì)量自適應(yīng)減振等多種高級功能要求，但是存在以下問題：1)減振效果難以同時(shí)滿足開窗、閉窗不同工況下的要求；2)在實(shí)現(xiàn)抗爆功能后，卷簧吸能器擴(kuò)展不能復(fù)原，因而座椅不能實(shí)現(xiàn)多次復(fù)用抗爆功能；3)由于卷簧吸能器一旦制造成功，其動(dòng)力學(xué)參數(shù)就不能改變，當(dāng)乘員體重增加時(shí)，在防地雷抗爆時(shí)座椅有觸底的危險(xiǎn)，不具備質(zhì)量自適應(yīng)的高級抗爆功能；4)從圖17所示的四連桿升降式乘員座椅的臺架試驗(yàn)結(jié)果來看，假人腰椎動(dòng)態(tài)響應(yīng)指數(shù)雖然滿足小于17.7的安全指標(biāo)，但其沖擊輸出大于35，對人體防護(hù)控制水平還有待提高，相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)還有待全力突破。

2.2.4 懸掛式與吊帶式座椅

國內(nèi)除對防爆抗沖擊吸能器進(jìn)行了大量研究外，在“十三五”期間，中國北方車輛研究所、航宇救生裝備研究所、南京理工大學(xué)以及個(gè)別民企參考了國外坦克懸掛式與吊帶式座椅結(jié)構(gòu)形式，研制了多種結(jié)構(gòu)類似的懸掛式座椅與吊帶式座椅。

2014年航宇救生裝備研究所提出一種懸掛式座椅，它裝有一對螺旋彈簧用于提供回復(fù)力以便調(diào)節(jié)座椅高度，通過安裝于中間的吸能器(見圖21)實(shí)現(xiàn)抗爆功能。但是吸能器一旦制造完成，其動(dòng)力學(xué)參數(shù)基本確定，當(dāng)乘員體重增加后，在遭遇地雷爆炸時(shí)引起極大的沖擊將會(huì)導(dǎo)致座椅觸底，導(dǎo)致乘載員損傷，這種座椅難以實(shí)現(xiàn)全面的質(zhì)量自適應(yīng)高效減振抗爆功能。

圖21 航宇救生裝備研究所防地雷座椅結(jié)構(gòu)Fig.21 Mine-proof seat developed by the Aerospace Life-Support Industries, Ltd.

2012年，浙江臺州市溫嶺富康汽車零部件有限公司參照國外吊帶式載員座椅也提出了一種簡單的壁掛吊裝式抗爆座椅(見圖22)，其靠背用帆布做成，坐墊也用吊帶系于安裝座上，這種座椅結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕，乘坐舒適，抗爆效果較好且能實(shí)現(xiàn)多次復(fù)用，非常適合載員座椅。

1.固定架，2.座墊支撐桿，3.座墊布體，4.靠背布體，5.連接帶，6.兩側(cè)邊桿，7.前邊桿，8.凹口，9.手抓孔，10.過水鉚釘，11a.安全帶1，11b.安全帶2，11c.安全帶3，11d.安全帶4，12.插頭，13.卷揚(yáng)器，14.車身圖22 富康汽車零部件有限公司吊帶式載員座椅Fig.22 Occupant seat lifted by belt made by Fukang Auto Parts Co. LTD

中國北方車輛研究所研制了圖23所示懸掛于車頂?shù)拇怪鄙凳匠藛T減振抗爆座椅，該座椅上部的安裝座焊接于車體頂部，左右兩側(cè)2個(gè)滑動(dòng)柱下部懸吊于焊接在底甲板的安裝座內(nèi)，但與車體底部之間留有空隙，形成懸掛式安裝。其特點(diǎn)在于采用了圖14所示內(nèi)部帶有阻尼閥的油氣彈簧式減振緩沖器作為減振抗爆器件，其在實(shí)現(xiàn)大范圍坐高與抗爆行程無級調(diào)節(jié)的同時(shí)，還實(shí)現(xiàn)減振、緩沖與抗爆的多功能。但是，如上所述，限于油氣彈簧式減振緩沖器的阻尼性能難以調(diào)節(jié)，其難以實(shí)現(xiàn)全面質(zhì)量自適應(yīng)的高效抗爆功能。

圖23 油氣彈簧升降式坦克乘員座椅總體方案圖Fig.23 Overall scheme of lifting tank occupant seat with oil and gas spring

2017年，兵器某廠也結(jié)合某型坦克研制了圖24所示吊帶式坦克乘員座椅，這種吊帶式座椅結(jié)構(gòu)輕便，抗爆功能較好，且抗爆結(jié)構(gòu)能多次復(fù)用。同年，航宇救生裝備研究所也研制了類似的吊帶式抗爆座椅。但是經(jīng)試裝使用發(fā)現(xiàn)，這種吊帶式座椅有以下5個(gè)難以改進(jìn)的缺點(diǎn)：

圖24 吊帶式座椅及其在乘員艙內(nèi)的布置效果圖Fig.24 Lifting seat and its position in the occupant compartment

1)吊帶式座椅需要6～7個(gè)吊帶斜向固定，其固定結(jié)構(gòu)與狀態(tài)如圖24(b)所示。這種斜向固定的方式影響乘員操縱方便性(尤其是前2根吊帶)，并且占用空間較大，不僅會(huì)對自己的操作產(chǎn)生影響，還會(huì)對艙內(nèi)其他乘員的操作產(chǎn)生干擾，操縱便捷性差。

2)吊帶式座椅椅墊與靠背均為軟織布型，經(jīng)駕駛員乘坐直觀感覺，現(xiàn)有的吊帶式座椅其軟織布靠背不能像汽車座椅一樣給予人體上軀干硬有力的支撐，車輛乘員在駕乘時(shí)沒有推背感，尤其駕駛員在開窗駕駛時(shí)，座椅不能給乘員一個(gè)硬實(shí)的靠背支撐，導(dǎo)致踩制動(dòng)時(shí)感覺疲軟。

3)吊帶式座椅沒有減振裝置，僅靠吊帶進(jìn)行減振，減振效果較差，難以滿足坦克車輛開窗工況下高速越野行駛時(shí)的高減振要求，尤其是難以滿足在4～8 Hz人體敏感頻率范圍內(nèi)的振動(dòng)衰減。

4)吊帶式座椅這種固定方式使得乘員在更換姿態(tài)、調(diào)節(jié)座椅高度、前后位置及更換開閉/窗工作方式時(shí)比較煩瑣。每個(gè)吊帶需要1個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，調(diào)節(jié)姿態(tài)或坐高時(shí)，需要1個(gè)控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)7個(gè)電機(jī)需要同步運(yùn)動(dòng)，如果有1個(gè)電機(jī)可調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)損壞，就會(huì)造成調(diào)節(jié)失敗，系統(tǒng)復(fù)雜，可靠性相對較低。

5)吊帶式座椅用吊帶固定，有一定的松緊度，車輛在行駛過程中，這種吊帶固定方式不僅在垂直方向上還在橫向水平方向上導(dǎo)致乘員眼睛發(fā)生相對觀察裝置或觀察窗口的振動(dòng)，極大地影響觀瞄效能。

目前，類似德國吊帶式乘員(駕駛員)座椅的方案經(jīng)某型坦克裝車試用，由于使用效果不好，已被駕駛員放棄使用。使用結(jié)果表明：吊帶式座椅不適用于身負(fù)多個(gè)操縱任務(wù)的乘員座椅，比較適合作為沒有精確操縱功能需求的載員座椅。

從圖25所示裝甲車載員座椅安裝圖可見，載員艙采取的兩排人員相向而坐的布置方式，同時(shí)為每個(gè)載員配備的是獨(dú)立折疊吊帶式懸掛座椅，座椅使用織物帶吊掛在車頂，并不與車體有任何的剛性連接，座椅放平后人坐在上面像吊床一樣懸空，同時(shí)在后背和頭部位置加裝了柔軟的減震材料，不僅能避免壓到地雷或者IED時(shí)爆炸的沖擊力通過車體轉(zhuǎn)導(dǎo)到載員身上，造成載員的脊柱或者肌肉受損，還能增加乘坐的舒適度，有益于載員長距離機(jī)動(dòng)后保持戰(zhàn)斗力。

圖25 懸吊于側(cè)壁的載員抗爆座椅Fig.25 Explosion-proof seat for loader suspended on side wall

2.2.5 基于磁流變液減振器及減振抗爆座椅

針對軍用車輛乘載員座椅的多功能減振與抗爆需求，國內(nèi)宋春桃、孫啟超等、曾才民、陳嘉豪、孟小杰、楊森、Bai等、唐志勇等均對軍用車輛乘員磁流變體隔振器及座椅設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入研究，取得了較為理想的試驗(yàn)結(jié)果。但是，磁流變材料壽命目前是一個(gè)國際難題，另外基于磁流變減振器控制需要一套復(fù)雜的電子控制系統(tǒng)，其實(shí)現(xiàn)抗爆功能的前提是其耐沖擊性能要達(dá)到幾百甚至1 000以上，由此可見，自身控制系統(tǒng)的耐沖擊設(shè)計(jì)是其自身真正進(jìn)入實(shí)用之前而需突破的瓶頸。

2.3 國內(nèi)外研究差距

對于2.2節(jié)所述乘載員減振抗爆座椅單一的功能需求，很容易實(shí)現(xiàn)，但要想在一個(gè)座椅上或一個(gè)功能器件上同時(shí)實(shí)現(xiàn)2.2.2節(jié)所述多次復(fù)用抗爆及質(zhì)量自適應(yīng)高級功能，確有很大的難度。歐美等先進(jìn)國家早在20世紀(jì)就開始對軍用車輛乘載員抗爆座椅進(jìn)行了大量設(shè)計(jì)與研究，防地雷爆炸性能良好，相關(guān)產(chǎn)品早已進(jìn)入廣泛應(yīng)用階段。但從查閱到的文獻(xiàn)來看，國外研究主要集中于抗爆性能的提高；從座椅達(dá)到的綜合性能指標(biāo)來看，研制的抗爆座椅均沒有同時(shí)實(shí)現(xiàn)坐高無級調(diào)節(jié)、質(zhì)量自適應(yīng)的高效減振、抗爆與多次復(fù)用抗爆等多功能的高級要求。國內(nèi)相關(guān)研究在“十三五”期間剛剛起步，兵器集團(tuán)與航空集團(tuán)一些廠、所研制的吊帶式座椅單一抗爆性能較國外還有較大差距，且均難以同時(shí)滿足坦克座椅的抗爆性能指標(biāo)(在100 mm抗爆行程內(nèi)，在峰值204三角波、7 ms沖擊波輸入條件下，把人體腰椎系數(shù)控制在17.7以下)與良好減振(4～8 Hz人體敏感范圍內(nèi)隔振傳遞率小于90%)及質(zhì)量自適應(yīng)等多功能要求。

3 未來研究趨勢與函待突破關(guān)鍵技術(shù)

3.1 未來研究趨勢與發(fā)展方向

軍用車輛座椅的設(shè)計(jì)要求是多方面的，主要表現(xiàn)在以下5個(gè)方面的高級功能要求：

1)坐高及抗爆行程無級調(diào)節(jié)功能。對于具有開窗、閉窗駕乘功能的乘員座椅，其坐高調(diào)節(jié)步長不能太大，最好具備坐高無級調(diào)節(jié)及抗爆行程手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，以適應(yīng)因士兵質(zhì)量變化或因穿戴裝備而導(dǎo)致的抗爆行程變化，并實(shí)現(xiàn)開窗、閉窗工況下的舒適駕乘與操作。

2)不同工況(開窗與閉窗駕乘工況)下良好減振與緩沖性能。坦克開窗、閉窗兩種工況下具有不同的減振與緩沖性能，以滿足高速開窗工況下越野行軍高性能減振與閉窗戰(zhàn)斗工況下的穩(wěn)定觀瞄功能需求，提高振動(dòng)舒適性、工作效能與疲勞工效。

3)抗爆結(jié)構(gòu)多次抗爆復(fù)用功能。為防止車輛炸起后再次跌地引起的乘員損傷，座椅抗爆結(jié)構(gòu)必須具備多次復(fù)用抗爆功能。

4)具備質(zhì)量自適應(yīng)減振功能。在座高調(diào)節(jié)過程中或當(dāng)士兵(因穿戴裝備)質(zhì)量變化時(shí)，減振系統(tǒng)參數(shù)(固有頻率)不能變化太大，不能出現(xiàn)因坐高調(diào)節(jié)與質(zhì)量變化導(dǎo)致的減振性能降低太多。

5)具備質(zhì)量自適應(yīng)抗爆功能。座椅抗爆結(jié)構(gòu)必須具備質(zhì)量自適應(yīng)抗爆功能，當(dāng)士兵(因穿戴裝備)質(zhì)量變化時(shí)，在同樣的抗爆行程條件下，不能因乘員體重增加導(dǎo)致抗爆過程中座椅觸底而產(chǎn)生更大的沖擊。

3.2 急需突破的關(guān)鍵技術(shù)

從2.3節(jié)所述的功能要求與研究現(xiàn)狀來看，亟待突破的軍用車輛乘載員座椅減振抗爆關(guān)鍵技術(shù)有：

1)軍用車輛乘載員座椅多功能減振抗爆結(jié)構(gòu)方案。上述5種高級功能需要在一個(gè)座椅上同時(shí)實(shí)現(xiàn)，最好在同一個(gè)功能器件上同時(shí)實(shí)現(xiàn)，限于空間與質(zhì)量限制，有著較大的難度，這是軍用車輛乘載員座椅需要突破的第1個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

2)基于變剛度變阻尼控制的質(zhì)量自適應(yīng)減振&抗爆技術(shù)。由于具備質(zhì)量自適應(yīng)減振&抗爆功能與技術(shù)的座椅能滿足不同體重(或穿戴裝備質(zhì)量)軍用車輛乘載員減振、緩沖與抗爆的多功能要求，減少或減弱因地雷爆炸引起的傷亡。而質(zhì)量自適應(yīng)減振&抗爆技術(shù)主要通過變剛度變阻尼來實(shí)現(xiàn)，因此基于變阻尼控制的質(zhì)量自適應(yīng)減振&抗爆技術(shù)成為軍用車輛乘載員座椅需要突破的第2個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

4 結(jié)論

國外先進(jìn)國家對軍用車輛乘載員的減振抗爆防護(hù)研究較我國早得多，其相關(guān)研究主要集中于3.1節(jié)的5個(gè)方向。因此，未來一段時(shí)間我國軍用車輛座椅研發(fā)也將朝著質(zhì)量自適應(yīng)減振抗爆、抗爆結(jié)構(gòu)多次復(fù)用等多功能方向發(fā)展，而軍用車輛乘載員座椅多功能減振抗爆結(jié)構(gòu)方案、基于變剛度變阻尼控制的質(zhì)量自適應(yīng)減振&抗爆技術(shù)，是我國軍用車輛乘載員座椅設(shè)計(jì)過程中急需首先突破的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)與難題。

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