動(dòng)車組座椅坐墊墊材研究現(xiàn)狀與優(yōu)化提升*

賈旭 李福正 戰(zhàn)雪 周鑫弘 豐亞超

(1.中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司 吉林長(zhǎng)春 130062) (2.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 山東青島 266111)

動(dòng)車組座椅是車上的重要設(shè)施之一，良好的墊材能夠緩解列車行駛過(guò)程中人和座椅之間的振動(dòng)和穩(wěn)定坐姿。目前墊材材質(zhì)是聚氨酯高回彈泡沫材料，長(zhǎng)期服役后墊材存在塌陷變形嚴(yán)重、支撐力不足的問(wèn)題。汽車行業(yè)研究人員對(duì)座椅用聚氨酯高回彈泡沫墊材相關(guān)性能進(jìn)行了大量的研究[1-4]，民航業(yè)相關(guān)人員對(duì)飛機(jī)座椅墊用聚氨酯高回彈泡沫墊材發(fā)展現(xiàn)狀及適航標(biāo)準(zhǔn)也進(jìn)行了研究[5]。

國(guó)內(nèi)動(dòng)車組座椅聚氨酯高回彈泡沫墊材的阻燃性、舒適性和耐久性等性能指標(biāo)有待進(jìn)一步提高。對(duì)比各行業(yè)座椅墊材相關(guān)的要求，差異主要在于其阻燃性。汽車行業(yè)執(zhí)行汽車內(nèi)飾阻燃標(biāo)準(zhǔn)GB 8410—2006，民航執(zhí)行運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)CCAR-25，動(dòng)車組執(zhí)行歐盟防火測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)EN 45545-2-2013，其中汽車對(duì)墊材阻燃性要求最低，民航和動(dòng)車組要求較高。CCAR-25中對(duì)座椅的阻燃要求包括垂直燃燒試驗(yàn)和油燃燒試驗(yàn)，為滿足嚴(yán)格阻燃要求，往往在墊材外表面包裹一層凱夫拉和碳纖維擋火層來(lái)提高坐墊的阻燃性[5]。動(dòng)車組除要求座椅整體阻燃，還單獨(dú)要求墊材阻燃需滿足鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 3237—2010《動(dòng)車組用內(nèi)裝材料阻燃技術(shù)條件》，阻燃標(biāo)準(zhǔn)極高。

1 坐墊墊材性能要求

用作動(dòng)車組座椅墊材的聚氨酯高回彈泡沫具有透氣性能好、質(zhì)量輕、成型工藝簡(jiǎn)單、硬度易調(diào)、回彈性好及吸振性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。此類墊材泡沫的25%壓陷硬度根據(jù)體感設(shè)置在350 N左右(按輕工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QB/T 2080—2018《高回彈軟質(zhì)聚氨酯泡沫塑料》執(zhí)行)，其余性能按TB/T 3138—2006《機(jī)車車輛阻燃材料技術(shù)條件》的要求執(zhí)行，項(xiàng)目包括材料的密度、拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、75%壓縮永久變形、回彈率和阻燃性能，未對(duì)其余性能進(jìn)行規(guī)定。

2 坐墊服役性能分析

目前墊材壽命要求滿足動(dòng)車組“五級(jí)修”(五級(jí)檢修周期為8年或480萬(wàn)km)。墊材在長(zhǎng)期服役后會(huì)產(chǎn)生塌陷，變形嚴(yán)重，硬度降低，且拐角處有不同程度的開(kāi)裂、粉末化現(xiàn)象。

為研究其服役性能，選取1年～8年之間不同服役周期的聚氨酯高回彈泡沫坐墊各10組，分別對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。首先測(cè)試各服役期坐墊不同位置的尺寸，并計(jì)算其尺寸變化率等性能參數(shù)；其次測(cè)試25%壓陷硬度及350 N恒定載荷坐墊壓縮量(以下同)。

2.1 不同服役期坐墊塌陷尺寸分析

選取坐墊的6個(gè)典型位置(圖1)，對(duì)不同服役期的坐墊同位置尺寸變化程度進(jìn)行測(cè)試分析，結(jié)果見(jiàn)圖2和圖3。

圖1 坐墊塌陷程度測(cè)試點(diǎn)

圖2 坐墊塌陷量隨服役時(shí)間的變化

圖3 坐墊塌陷率隨服役時(shí)間的變化

從圖2和圖3的結(jié)果看，塌陷程度與服役時(shí)間呈正相關(guān)，其中座盆區(qū)(點(diǎn)5)塌陷程度最為嚴(yán)重，明顯高于其他點(diǎn)，坐墊腿部承載區(qū)(點(diǎn)1、2、4)次之。五級(jí)修時(shí)座盆區(qū)塌陷量約27 mm，塌陷率約為25%，腿部承載區(qū)塌陷量約18 mm，塌陷率約為15%。

根據(jù)動(dòng)車組檢修特點(diǎn)，更換坐墊只能在四級(jí)修(4年)或五級(jí)修(8年)執(zhí)行。對(duì)比4年和8年服役期坐墊塌陷度，服役前4年坐墊的塌陷度和塌陷率增長(zhǎng)明顯高于后4年，總體約為后4年的兩倍。服役4年時(shí)塌陷程度最為嚴(yán)重區(qū)域?yàn)樽鑵^(qū)(點(diǎn)5)，塌陷量達(dá)到了17 mm、塌陷率達(dá)到了16%。

2.2 不同服役時(shí)間的壓陷性能

測(cè)試不同服役時(shí)間下，25%壓陷硬度初始值350 N的坐墊泡沫在350 N壓力載荷(壓盤(pán)直徑100 mm)下的25%的壓陷硬度和壓陷程度，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 壓陷硬度和壓陷率隨時(shí)間的變化

由表1可知，壓陷硬度隨服役時(shí)間增長(zhǎng)呈明顯下降趨勢(shì)，8年時(shí)壓陷硬度均值約為163 N，損失率為53%；長(zhǎng)期壓縮變形深度為46 mm(坐墊原厚度90 mm)，壓陷率約為51%。

從舒適性看，4年的坐墊已無(wú)法滿足舒適性要求，8年的坐墊更差，乘坐時(shí)變形量相當(dāng)于新造坐墊的2倍，造成臀部位置下陷，大腿上抬，產(chǎn)生塌陷感。通過(guò)服役壽命分析，建議結(jié)合四級(jí)修(4年)更換坐墊。

2.3 問(wèn)題分析

隨著聚氨酯高回彈泡沫坐墊服役時(shí)間的增加，坐墊會(huì)產(chǎn)生硬度下降、塌陷變形，因此需提升泡沫抗疲勞性能。為防止大幅度硬度下降、塌陷變形，參照汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 850—2011《乘用車座椅用聚氨酯泡沫》，對(duì)于耐久性測(cè)試，增加了40%壓陷硬度最大損失率和壓陷高度最大損失率，這兩項(xiàng)指標(biāo)是疲勞性能最重要的力學(xué)指標(biāo)。

從坐墊支撐穩(wěn)定感分析，引進(jìn)了側(cè)傾穩(wěn)定系數(shù)指標(biāo)。所謂側(cè)傾穩(wěn)定系數(shù)就是當(dāng)乘員發(fā)生側(cè)傾時(shí)，坐墊支撐力使之恢復(fù)到平衡位置的能力。坐墊可以簡(jiǎn)化成一個(gè)分布的彈簧系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生傾斜時(shí)坐墊將產(chǎn)生一個(gè)恢復(fù)力矩使人體恢復(fù)平衡，穩(wěn)定性好的坐墊(一般剛性較大、形狀合理)產(chǎn)生的恢復(fù)力矩較大。若乘坐在變形量較大的坐墊上，會(huì)感到有傾斜的危險(xiǎn)，不得不經(jīng)常調(diào)整自己以保持平衡，很容易疲勞[6]。所以太厚的或太軟的坐墊，即變形量太大的坐墊，其側(cè)傾穩(wěn)定系數(shù)指標(biāo)較差。原坐墊厚度較大時(shí)，側(cè)傾穩(wěn)定性系數(shù)偏大，特別是長(zhǎng)時(shí)間服役之后更為明顯。

3 坐墊性能優(yōu)化方案

已出廠的聚氨酯高回彈泡沫坐墊若支撐能力不足，須在原座椅上進(jìn)行優(yōu)化。首先，保證其他部位不受影響或較易更改；其次，乘坐體感不能低于優(yōu)化前坐墊。根據(jù)前述分析，坐墊墊材需提高疲勞特性，減少軟質(zhì)墊材厚度。

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化和參數(shù)選擇

人體與坐墊之間的接觸面積約為1 200 cm2左右，通常認(rèn)為坐墊承載后最大的凹陷出現(xiàn)在坐骨處，深度一般設(shè)置在20～30 mm之間比較適合，坐骨處最大壓力在30 kPa以下是合理的[7]。綜合考慮，將軟墊座盆部分設(shè)置在55 mm左右，坐墊墊材40%壓陷硬度選擇在400 N左右，對(duì)應(yīng)25%壓陷硬度在280 N左右。

作為高速運(yùn)行的封閉式公共交通工具，鐵路行標(biāo)TB/T 3237—2010對(duì)動(dòng)車組有較高的阻燃要求。標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)坐墊墊材阻燃性能要求較高，尤其是氧指數(shù)指標(biāo)，具體指標(biāo)見(jiàn)表2。為達(dá)到阻燃要求，需要添加較多阻燃成分，而添加阻燃成分會(huì)影響其他物理性能的提升。

表2 動(dòng)車組坐墊墊材阻燃指標(biāo)要求

參照高回彈軟質(zhì)聚氨酯泡沫塑料標(biāo)準(zhǔn)QB/T 2080—2018的管控項(xiàng)，在滿足阻燃要求的前提下多次調(diào)整配方后發(fā)現(xiàn)，最為關(guān)心的40%壓陷硬度最大損失率和高度損失率兩項(xiàng)指標(biāo)提升空間有限，調(diào)整優(yōu)化后的泡沫最佳性能參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 聚氨酯高回彈軟質(zhì)泡沫性能參數(shù)

發(fā)泡聚丙烯(EPP)是一種環(huán)?？箟壕彌_隔熱材料，具有耐用、質(zhì)輕等特點(diǎn)[8]，其物理性能見(jiàn)表4。

表4 發(fā)泡聚丙烯材料的物理性能

EPP可以用于補(bǔ)充墊材其余部分，即墊材上層為45 mm厚的軟質(zhì)聚氨酯高回彈泡沫，中層為半硬質(zhì)發(fā)泡聚丙烯材料，下層為10 mm軟質(zhì)聚氨酯高回彈泡沫，此結(jié)構(gòu)即使軟質(zhì)墊材性能降低，還有半硬質(zhì)的泡沫材料支撐。

3.2 泡沫墊材優(yōu)化試驗(yàn)后的驗(yàn)證

3.2.1 支撐性能驗(yàn)證

采用高回彈軟質(zhì)聚氨酯泡沫墊材測(cè)試樣件厚度100 mm，預(yù)埋聚丙烯墊材測(cè)試樣件厚度100 mm(45 mm聚氨酯軟泡+45 mm聚丙烯半硬泡+10 mm聚氨酯軟泡)。測(cè)量?jī)?yōu)化前后坐墊的3次壓縮曲線與恢復(fù)曲線，見(jiàn)圖4和圖5。

圖4 優(yōu)化前墊材壓縮和恢復(fù)曲線

圖5 優(yōu)化后墊材壓縮和恢復(fù)曲線

由圖4和圖5可知，優(yōu)化后坐墊支撐性能更強(qiáng)，既能在小變形時(shí)提供柔軟的舒適體感，又能在大變形時(shí)提供較大支撐力。

3.2.2 疲勞性能驗(yàn)證

對(duì)整椅驗(yàn)證墊材疲勞特性。參照采用TB/T 3263中耐久試驗(yàn)條件(垂向490 N，載荷10萬(wàn)次)，試驗(yàn)后坐墊的高度變形為4.47 mm，軟墊疲勞后25%壓陷硬度損失為15 N。從疲勞試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，優(yōu)化方案能夠有效提升坐墊的長(zhǎng)時(shí)間服役的承載性能。

3.2.3 舒適感驗(yàn)證

分析優(yōu)化前后的坐墊體壓分布。按GB 10000—1988選取身高50百分位女性(身高在全體女性群體的中間位)進(jìn)行測(cè)試，分析坐墊優(yōu)化前后的靜態(tài)體感壓力，壓力數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表5。

表5 優(yōu)化前后坐墊體壓數(shù)據(jù)對(duì)比

從體壓數(shù)據(jù)來(lái)看，優(yōu)化后的坐墊乘坐接觸面積增大，最小和最大角度時(shí)的總壓力、最大壓力、平均壓力均減小，優(yōu)化后坐墊的體感明顯好于優(yōu)化前。

4 結(jié)論

通過(guò)分析坐墊墊材的結(jié)構(gòu)特性，同時(shí)利用不同測(cè)試手段，分析了坐墊塌陷變形、硬度損失的現(xiàn)狀和原因并制定優(yōu)化方案。

(1)服役性能分析后發(fā)現(xiàn)，既有墊材的塌陷和硬度損失較大?？紤]舒適性，建議墊材結(jié)合四級(jí)修(4年)更換。

(2)目前國(guó)內(nèi)動(dòng)車組坐墊墊材的管控缺少40%壓陷損失率和壓陷高度最大損失率這兩個(gè)關(guān)鍵疲勞指標(biāo)。

(3)泡沫過(guò)厚導(dǎo)致側(cè)傾穩(wěn)定系數(shù)較高，在硬度疲勞損失后尤為顯著?；谀壳敖Y(jié)構(gòu)，主承載部分高回彈泡沫厚度可選擇在45 mm左右。

(4)建議參照民航對(duì)坐墊整體阻燃性能的要求和處理方式，避免因單純強(qiáng)調(diào)動(dòng)車用坐墊的阻燃性能而阻礙墊材其他性能的提升。