可自動旋轉(zhuǎn)的新型高鐵座椅設(shè)計研究

李佳泓，王曉琳

(綿陽城市學(xué)院，四川 綿陽 621000)

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

在1964年日本出現(xiàn)了第一條高速鐵路[1]，其次是法國、德國、意大利等國家。隨著時代的發(fā)展，環(huán)境問題的日趨嚴(yán)峻，世界各國對于高速鐵路的需求愈加趨大[2]。中國雖然相比較晚，但是目前來說中國高鐵也名列前茅，需求量也是日漸增加。(圖1)由于高鐵具有輸送能力大、速度快、安全性好、受氣候變化影響小、能源消耗低、環(huán)境影響輕等諸多優(yōu)勢[3]，近幾年以來，美國、俄羅斯、巴西等國紛紛制訂了規(guī)模空前的高速鐵路發(fā)展計劃。即便是法國等“老牌高鐵國家”也相繼表示，將延長高鐵里程、提升高鐵品質(zhì)[4]。預(yù)計未來的10年，全球高鐵里程將至少增加一倍，全球正步入高速鐵路發(fā)展的黃金年代[5]。

因此在目前自動化、機械化逐步向普遍性發(fā)展的趨勢。對于人工繁瑣的工作而言，實現(xiàn)自動化、機械化是一個節(jié)約人力、提高效率的一件事。高鐵因為要進行換向行駛的原因，會進行一個方位上的一個轉(zhuǎn)變。但是對于一輛高鐵而言，需要將車廂內(nèi)幾十個座椅位置進行高效的換向是一件很繁瑣的事情。目前國內(nèi)外對于高鐵座椅自動旋轉(zhuǎn)的研究已經(jīng)有了一些成果，一些人士已經(jīng)對于自動旋轉(zhuǎn)高鐵座椅發(fā)表了相關(guān)的專利。例如：湯秀華發(fā)明的高鐵或動車座椅用電動旋轉(zhuǎn)臺(專利號CN202021559464.3)、謝建英發(fā)明的一種高鐵用可自動旋轉(zhuǎn)的座椅(專利號CN2019210730583)。對于這兩個現(xiàn)有的專利，其主要研究單一側(cè)重如何進行旋轉(zhuǎn)、單個座椅旋轉(zhuǎn)及外觀設(shè)計等方面，并不能夠很好的、有效的去使用到目前的高鐵座椅上去，因為據(jù)大家所知，高鐵座椅至少都是以兩個位置為一體的設(shè)計，因此需要突破即應(yīng)該涉及到多排座椅的旋轉(zhuǎn)。才能夠符合目前高鐵座椅的設(shè)計需求。

圖1 2011-2019年中國鐵路及高鐵營運里程

2 可自動旋轉(zhuǎn)的新型高鐵座椅設(shè)計研究背景

中國內(nèi)陸面積寬廣，人口眾多，幅員遼闊，經(jīng)濟發(fā)展與聯(lián)系的跨度較大，鐵路作為一種重要的基礎(chǔ)設(shè)施，最為顯著的特點就是運載量大、運行成本低、耗能少。對于大流量、長距離的客貨運輸有著絕對優(yōu)勢，也在大流量、高密度的城市中和短途旅客運輸中具有強大的競爭力[6]。

我國高鐵已經(jīng)成為我國發(fā)展、我國成就、我國價值的一張獨特靚麗的“名片”[7]，在各大城市承載了極高的客流量(圖2)，相應(yīng)的人們對高鐵的服務(wù)質(zhì)量要求也越來越高。據(jù)目前調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)客流量的增加也使鐵路班次增多，與之矛盾的在于沒有過量的車輛數(shù)來提供相應(yīng)的服務(wù)。再加上每天的車輛行駛路線客流量和往返量是不同的，因此每條路線上所需要的車輛數(shù)和同一條線路往返量數(shù)也是有差異的，如果說單純的去增加車的數(shù)量是不現(xiàn)實的，其中經(jīng)濟問題以及路線容量問題是必不可少的。所以對于在同一個時間空間內(nèi)反向客流量不斷增加，正向車次就需要進行一個換向。對于高鐵車輛本身而言在設(shè)計的時候設(shè)計師已經(jīng)考慮到了車輛會為了高頻率的、高效的使用，已經(jīng)解決了車輛反向行駛的問題。因此車子正反兩邊都分別有駕駛艙可以進行行駛。所以只需要對于車上乘車人的乘坐方位進行一個改變就可以了。有人會說倒著走其實也是可以的、人可以接受，但是如果說車上的人員一直以同樣的方式來坐，反向的時候就將給人帶來不舒服的感覺特別是長途而言。所以在反向的時候座椅也要進行一個換向。

圖2 部分大城市高鐵通流度與連通度

目前具有的轉(zhuǎn)向方式就是通過人工的一個加持，在座椅側(cè)方有一個按鈕，人通過踩住按鈕依靠上半身的力量用雙手旋轉(zhuǎn)座椅來達到座椅旋轉(zhuǎn)。由于調(diào)節(jié)的空間有限，再加上乘客的身形的不同，因此坐座位時就會對座椅的靠背進行一個調(diào)整，所以在旋轉(zhuǎn)座椅的時候?qū)τ诓糠肿慰勘齿^傾斜的來說需要在進行旋轉(zhuǎn)座椅動作前進行座椅靠背的一個調(diào)整動作，待座椅靠背都調(diào)整為最初始狀態(tài)之后再完成座椅的一個旋轉(zhuǎn)。這無疑不是一個既消耗人力又耗時的一項工作。再來對于座椅而言夾縫中難免都會有灰塵需定期清潔以及座椅底部旋轉(zhuǎn)裝置也需要進行一個定期的維護，這也是一個又耗時又耗力的工作。

經(jīng)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，目前市場上能夠有效實現(xiàn)自動旋轉(zhuǎn)，并使座椅旋轉(zhuǎn)后支撐架仍良好的契合，且綜合自動清理、自動維護、防震減震功能的座椅方面的研究較少。且現(xiàn)有的自動旋轉(zhuǎn)的高鐵座椅，在座椅與旋轉(zhuǎn)后的支撐架契合度較低，在高鐵行駛時或人體運動時容易產(chǎn)生晃動，影響乘坐舒適度。因此基于解決以上實際問題和大幅提高列車座椅清潔服務(wù)效率，有效提高服務(wù)員工作便利度，利用自動旋轉(zhuǎn)座椅與旋轉(zhuǎn)后的支撐架高效契合技術(shù)，解決高鐵行駛時或人體運動時容易產(chǎn)生晃動的問題，設(shè)置氣缸、活塞桿并對座椅底部設(shè)置清理刷及放置槽，可實現(xiàn)自動清理與維護，設(shè)置限位塊、彈簧及減震組件等起到防震減震作用，提高乘客舒適性，降低安全隱患、維護成本，提升整體服務(wù)水平。

3 設(shè)計研究

3.1 座椅連接結(jié)構(gòu)

可自動旅轉(zhuǎn)的高鐵座椅，通過氣缸與架體固定連接，活塞桿與氣缸固定連接，連接板與活塞桿固定連接，第一電機與連接板固定連接，座椅與第一電機固定連接，外筒與架體固定連接，彈簧與外筒固定連接，內(nèi)筒與彈簧固定連接，內(nèi)筒與外筒滑動連接，固定柱與座椅固定連接，固定柱與內(nèi)筒的固定槽滑動連接，軟墊與座椅固定連接，連接環(huán)與第一電機固定連接，第二電機與連接環(huán)固定連接，轉(zhuǎn)動軸與第二電機固定連接，清理刷與轉(zhuǎn)動軸固定連接，氣缸驅(qū)動活塞桿縮短帶動座椅上的固定柱與固定槽[8]。

圖3 自動旋轉(zhuǎn)的高鐵座椅側(cè)背方向結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 自動旋轉(zhuǎn)和清潔

對可自動旋轉(zhuǎn)的新型高鐵座椅設(shè)計，是在目前相關(guān)研究基礎(chǔ)上進行改進，將原有的單排座椅變換為多座聯(lián)排座椅的自動旋轉(zhuǎn)。與常規(guī)的自動旋轉(zhuǎn)座椅相比，其底部外筒內(nèi)的彈簧對內(nèi)筒向上的壓力，使得固定柱與內(nèi)筒上的固定槽連接更緊密，座椅旋轉(zhuǎn)完畢，三個所述軟墊將座椅分為三個座位，可提供三個乘客乘坐，形成與現(xiàn)有高鐵座椅座位數(shù)相似的聯(lián)排座椅[9]。在自動旋轉(zhuǎn)的同時并完成自動清潔維護功能。在座椅自動旋轉(zhuǎn)時，第二電機驅(qū)動轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動，清理刷跟隨轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動，座椅旋轉(zhuǎn)完畢的同時，清理刷對內(nèi)筒表面清理完畢，解決了座椅在乘客乘坐期間所攜帶的東西、食用的食物殘渣或灰塵容易從座椅之間的落至難以清理的內(nèi)筒表面，對內(nèi)筒造成污染的問題。

3.3 減震功能

高鐵在行駛過程中會存在一些不可避免的顛簸和輕微晃動。為了提高乘客乘坐的舒適性，在座位設(shè)計方面還考慮到了減震的問題。在座椅的內(nèi)筒下有若干彈簧來吸收壓力進行減震，保證所座椅在乘坐時的平穩(wěn)性[10]，座椅上方的軟墊座椅晃動時也會起一定的減震效果，以此來解決自動旋轉(zhuǎn)的高鐵座椅與支撐架的契合度較低容易產(chǎn)生晃動的問題，提高乘坐舒適度。

圖4 座椅下部構(gòu)造圖

3.4 座椅主要工作原理

列車到站后換向時可通過列車中控或者車廂控制按鍵對座椅自動轉(zhuǎn)動裝置進行啟動，隨后座椅底部的裝置將隨著電機上升，氣缸驅(qū)動活塞桿及電機等結(jié)構(gòu)上升，至座椅的固定柱滑出內(nèi)筒上的固定槽。清潔刷隨著底部裝置的上升放置在槽外，自動旋轉(zhuǎn)工作就準(zhǔn)備完成了。之后由主電機驅(qū)動座椅旋轉(zhuǎn)180°，從動第二電機帶動清潔刷同時進行內(nèi)筒的清潔工作。完成之后氣缸驅(qū)動電機等裝置下降，清潔刷放回槽內(nèi)，外筒內(nèi)的彈簧給內(nèi)筒彈簧一個向上的壓力，使得固定柱與內(nèi)筒上的固定槽連接更加緊密。

圖5 座椅主要工作原理簡單流程圖

3.5 座椅目前研究進程

對于可自動旋轉(zhuǎn)高鐵座椅的研究主要獲得了實用性新型專利授權(quán)，并且在四川省大學(xué)生學(xué)科專業(yè)科技競賽中獲得了獎項。當(dāng)前正在申報2022年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目，進一步開展產(chǎn)品實驗與檢測工作，同時也涉及高鐵座椅相關(guān)系列產(chǎn)品的研究設(shè)計。

4 發(fā)展前景

近幾年隨著中國高鐵營運里程的數(shù)量不斷增加，客運量加大，中國鐵路動車組的數(shù)量也顯著上升。因高鐵載客量大、時速高、不受雨霧天氣影響、綠色節(jié)能，所以高鐵的需求量呈上升趨勢，故而對高鐵座椅的需求量也比較可觀。依據(jù)《2020-2026年中國高鐵座椅行業(yè)全面調(diào)研與發(fā)展趨勢預(yù)測報告》級“十四五”規(guī)劃，未來我國的高鐵座椅行業(yè)將總體保持相對穩(wěn)定的增長態(tài)勢，預(yù)計到2025年，高鐵網(wǎng)規(guī)模網(wǎng)實現(xiàn)3.8萬里公里，根據(jù)中國鐵道建筑報數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2020-2025年動車組列車需求量逐年上漲。高鐵座椅需求預(yù)測將新增一等座182 000座、二等座349 700座、商務(wù)座6 500座?？勺詣有D(zhuǎn)高鐵座椅與現(xiàn)有的座椅相比，實現(xiàn)了多座聯(lián)排自動旋轉(zhuǎn)、高契合度底部連接減震、自動清潔維護功能，座椅使用壽命上更長，維修費用也較低。經(jīng)調(diào)查研究，目前市面上沒有類似產(chǎn)品，因此發(fā)展前景較為良好。