地鐵車(chē)輛自動(dòng)折疊座椅坐墊輕量化研究

孔凡昌

摘要： 座椅是地鐵車(chē)輛的重要組成部分，自動(dòng)折疊座椅是地鐵發(fā)展的趨勢(shì)，采用自動(dòng)折疊座椅能夠增加地鐵車(chē)輛的載客量，對(duì)于緩解高峰時(shí)期交通擁擠，以及節(jié)約能耗有著重要的意義。針對(duì)地鐵折疊座椅坐墊的輕量化需求，分析現(xiàn)有設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題，并對(duì)座椅的坐墊型材以及轉(zhuǎn)軸輕量化進(jìn)行探究，使用有限元分析軟件ANSYS對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行理論驗(yàn)證。以加工好的坐墊為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，模擬實(shí)際工況，設(shè)計(jì)并實(shí)施了靜載實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證了輕量化設(shè)計(jì)的可行性。

Abstract： The seat is an important part of subway vehicles. Automatic folding seat is the development trend of the subway， which can increase the capacity of subway vehicles， so it is of important significance to ease the peak traffic congestion， and save energy. Aiming at the lightweight requirements of the subway folding seat cushion， the problems of the existing design are analyzed， and the seat cushion material and the shaft weight are explored. The finite element analysis software ANSYS is used to validate the design scheme. The static load experiment was designed and implemented with the working cushion as the experimental object simulating the actual working condition. The feasibility of lightweight design is validated.

關(guān)鍵詞： 自動(dòng)折疊座椅；輕量化；靜載試驗(yàn)

Key words： automatic folding seat；lightweight；static load test

中圖分類(lèi)號(hào)：U270.38+7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）13-0075-03

0 引言

座椅是地鐵車(chē)輛的重要組成部分，座椅的設(shè)計(jì)需要講究科學(xué)性。對(duì)比固定式座椅，自動(dòng)折疊座椅運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，具有使用強(qiáng)度大，使用頻率頻繁等特點(diǎn)。同時(shí)，折疊座椅增加了電機(jī)轉(zhuǎn)軸等零部件，增加了重量，而列車(chē)的載重量是一定的，因此需探究對(duì)自動(dòng)折疊座椅的輕量化方案[1][2]。另一方面，自動(dòng)折疊座椅設(shè)計(jì)為6人位，如果結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，會(huì)引起振動(dòng)、噪聲以及安全隱患，因此應(yīng)保證座椅有足夠的剛度、強(qiáng)度，確保其可靠性與安全性[3][4]。

支撐座以及坐墊型材是自動(dòng)折疊座椅的重要組成部分，在自動(dòng)折疊座椅中，支撐座和坐墊型材占的重量比重最大，自動(dòng)折疊座椅的原設(shè)計(jì)方案為一根通長(zhǎng)的空心軸上安置5個(gè)支撐座，雖然滿足了使用的強(qiáng)度要求，但是重量為52.737kg，超出了50kg的設(shè)計(jì)配重。本文將支撐座以及坐墊型材的結(jié)構(gòu)優(yōu)化作為座椅輕量化設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要基于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)以及實(shí)物驗(yàn)證，隨著CAE以及CAD技術(shù)的發(fā)展，有限元仿真在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，大大提高設(shè)計(jì)效率以及合理性[5][6][7][8]。為了實(shí)現(xiàn)座椅的輕量化設(shè)計(jì)，首先在SolidWorks中建立座椅的三維模型，然后將幾何模型導(dǎo)入到有限元分析軟件ANSYS中，對(duì)座椅進(jìn)行強(qiáng)度及剛度分析，為輕量化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，最后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證座椅結(jié)構(gòu)的合理可靠性，從而最終確定座椅的結(jié)構(gòu)。

1 有限元建模

1.1 有限元模型

保留自動(dòng)折疊座椅主要的零部件，即坐墊型材、支撐座以及擋塊，由于座椅靠背為獨(dú)立安裝，不影響支撐座及擋塊的強(qiáng)度及剛度，因此模型中忽略座椅靠背的建模。在solidworks中完成模型的簡(jiǎn)化，轉(zhuǎn)換成parasolid格式后導(dǎo)入ansys中，有限元模型如圖1所示。

坐墊型材為鋁型材6063 T5，擋塊及支撐座的材料均為碳鋼Q235A，具體材料參數(shù)如表1所示。

坐墊型材采用六面體網(wǎng)格solid186單元掃掠劃分，擋塊及支撐采用四面體網(wǎng)格solid187單元自由劃分，最大單元尺寸為10mm，共生成173630個(gè)單元。支撐座的螺栓孔位移全約束，對(duì)于擋塊與車(chē)體骨架之間的接觸，采用接觸分析，以盡量減小模型簡(jiǎn)化以及約束情況對(duì)整個(gè)模型剛度及強(qiáng)度的影響。根據(jù)規(guī)定，6人座椅的承載可等效成對(duì)坐墊表面9000N的法向壓力，均布加載于坐墊表面中部位置。

1.2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[9][10]

對(duì)于座椅強(qiáng)度的判定，根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)《鐵道車(chē)輛車(chē)體結(jié)構(gòu)要求》（EN12663）的規(guī)定，座椅應(yīng)進(jìn)行靜態(tài)強(qiáng)度的驗(yàn)證，即在規(guī)定載荷作用下，計(jì)算其安全系數(shù)（即材料的許用應(yīng)力與計(jì)算等效應(yīng)力之比）大于規(guī)定的安全系數(shù)，即：S=≥S1，式中S為座椅的安全系數(shù)，Re為材料的計(jì)算等效應(yīng)力，S1為規(guī)定的安全系數(shù)。安全系數(shù)可依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)UIC566《客車(chē)車(chē)體及其零部件的載荷》選取，對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)和安全部件，電動(dòng)座椅的各零部件安全系數(shù)應(yīng)大于1.1。

對(duì)于座椅的剛度，應(yīng)確保座椅在使用過(guò)程中殘余形變小于1mm。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 轉(zhuǎn)軸部分優(yōu)化

圖2所示為座椅方案的轉(zhuǎn)軸采用一根直徑為30mm通長(zhǎng)空心軸，四個(gè)支撐座固定在坐墊上，在空心長(zhǎng)軸上設(shè)置六個(gè)鋼板，對(duì)座椅翻轉(zhuǎn)后進(jìn)行支撐。座椅坐墊組成重為52.737 kg，超出了設(shè)計(jì)要求。

針對(duì)原設(shè)計(jì)方案的不足，進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，如圖3的坐墊方案采用整體型材結(jié)構(gòu)，由支撐座轉(zhuǎn)內(nèi)置軸代替原有的空心長(zhǎng)軸，擋板設(shè)置在型材上，坐墊的重量為42.5kg，相較于原有的同軸設(shè)計(jì)，重量降低了10.237kg，輕量化效果明顯，符合設(shè)計(jì)要求。

針對(duì)此設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行仿真分析，擋塊的應(yīng)力云圖如圖4所示

由圖可知，擋塊最大應(yīng)力發(fā)生在中間左側(cè)支撐座擋板上，為391MPa，擋塊的材料為Q235，其屈服強(qiáng)度為235MPa，超出了支承座屈服強(qiáng)度。故使用4個(gè)支承座進(jìn)行固定的方案不可行。

針對(duì)4個(gè)支撐座方案的情況，對(duì)于坐墊的支撐進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)，如圖5的折疊座椅設(shè)計(jì)采用的是5處支撐座設(shè)計(jì)，使用5個(gè)支承座分散坐墊表面的壓力比4個(gè)支撐座更加穩(wěn)固。使用5個(gè)支撐座的坐墊重量為46.074kg，相較于原有設(shè)計(jì)重量減輕6.663kg，滿足坐墊的設(shè)計(jì)要求。

同樣進(jìn)行有限元分析，可知支撐座及擋塊最大應(yīng)力為89MPa，發(fā)生在支撐座與擋塊連接內(nèi)側(cè)拐角處如圖6，材料為Q235A，安全系數(shù)S=235/89=2.64，大于安全系數(shù)1.1。即支承座和擋塊的滿足強(qiáng)度要求。

故相較于原有的通軸連接設(shè)計(jì)，新方案的使用5個(gè)轉(zhuǎn)軸固定在型材面端的設(shè)計(jì)更優(yōu)，達(dá)到輕量化目的的同時(shí)也滿足了設(shè)計(jì)要求。

2.2 坐墊型材截面優(yōu)化

坐墊型材的優(yōu)化，如圖7原有的坐墊型材采用內(nèi)置鋁合金長(zhǎng)方形型材和鋁合金支撐座設(shè)計(jì)，強(qiáng)度以及剛度都滿足坐墊的使用要求，原有設(shè)計(jì)重量為37.46kg，具有進(jìn)一步輕量化的優(yōu)化空間。

在不改變坐墊承載能力的同時(shí)減輕型材重量，本方案重新設(shè)計(jì)了型材的截面如圖8，采用三角型加強(qiáng)筋穩(wěn)定支撐設(shè)計(jì)，三角型支撐結(jié)構(gòu)能夠分解型材表面的壓力，單一的垂直方向力分解為多個(gè)方向。相對(duì)于原先的垂直結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，且達(dá)到同一強(qiáng)度下三角型結(jié)構(gòu)所需的材料更少。新設(shè)計(jì)的型材重量為26.221kg，通過(guò)型材截面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得單個(gè)自動(dòng)折疊坐墊減重11.239kg，新結(jié)構(gòu)的座椅在9000N的乘客載荷作用下，其變形云圖如圖9所示，最大變形為1.63mm，發(fā)生在型材的邊緣處，在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，滿足剛度要求。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)輕量化設(shè)計(jì)結(jié)果，進(jìn)行座椅試制，圖10為輕量化設(shè)計(jì)后的座椅型材截面。對(duì)試制的自動(dòng)折疊座椅進(jìn)行加載試驗(yàn)。圖11為靜載試驗(yàn)，在坐墊上放置約為9000N沙袋，采用WXZ6-2型距離測(cè)量?jī)x測(cè)量座椅的形變量，以判定坐墊的殘余形變量是否滿足設(shè)計(jì)需求。

由圖12可知，在承載9000N的壓力并靜置10min后，坐墊的殘余變形量為0.2mm，小于1mm的殘余變形要求，因此針對(duì)坐墊型材、支撐座的輕量化設(shè)計(jì)是切實(shí)可行的。

圖12坐墊形變量

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)優(yōu)化自動(dòng)折疊座椅的轉(zhuǎn)軸支撐座布局以及坐墊型材的支撐結(jié)構(gòu)，確保座椅在強(qiáng)度不變的同時(shí)達(dá)到輕量化的要求。降低了自動(dòng)折疊座椅的生產(chǎn)成本，同時(shí)減輕了列車(chē)的負(fù)載，減小能源消耗。

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