動(dòng)車組客室座椅模態(tài)特性及其優(yōu)化策略

賈 旭，任延靜，畢 凱，戰(zhàn) 雪，豐亞超

(1.中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062) (2.長春車輛監(jiān)造項(xiàng)目部，吉林 長春 130062)

近年國內(nèi)動(dòng)車組發(fā)展迅速，給乘客帶來了極大的便利性。在便利性得到解決的同時(shí)，越來越多乘客開始關(guān)注舒適性。振動(dòng)作為舒適性的重要指標(biāo)，對(duì)人體有著重要的影響[1]。本文選取與乘客接觸最為緊密的動(dòng)車組客室座椅作為對(duì)象，進(jìn)行了模態(tài)仿真計(jì)算和臺(tái)架試驗(yàn)研究，通過分析座椅空載模態(tài)和承載模態(tài)，獲得了座椅的振動(dòng)特性及影響因素，并提出了優(yōu)化措施。

1 模態(tài)分析

如圖1,2所示，根據(jù)座椅種類的不同，對(duì)二等2人座椅和二等3人座椅進(jìn)行模態(tài)仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表1。

圖1 二等2人座椅 圖2 二等3人座椅

表1 座椅模態(tài)仿真計(jì)算結(jié)果 單位：Hz

由表1可以看出，兩種類型座椅的模態(tài)特性均較好，一階模態(tài)頻率均在20 Hz以上，能夠滿足NF F 31-119《鐵路車輛.在靜電應(yīng)力、疲勞應(yīng)力、振動(dòng)和沖擊應(yīng)力下鐵路車輛座位的特性》中規(guī)定的一階諧振頻率不低于15 Hz的要求，且有較大的余量。

2 模態(tài)測(cè)試分析

2.1 空載模態(tài)特性

在座椅底架、扶手、座墊、靠背等多處設(shè)置測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行空載模態(tài)臺(tái)架試驗(yàn)，如圖3所示。試驗(yàn)測(cè)試條件見表2。

圖3 空載模態(tài)臺(tái)架試驗(yàn)

表2 模態(tài)試驗(yàn)測(cè)試條件

通過測(cè)試得到空載座椅前3階模態(tài)，見表3。

表3 空載模態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù) 單位：Hz

由表3可見，座椅在垂向和橫向模態(tài)頻率較高，但縱向的1階和2階模態(tài)頻率較低，縱向容易引發(fā)共振或被激發(fā)出振動(dòng)?？v向振動(dòng)的振型圖如圖4所示，主要為靠背的前后振動(dòng)。

圖4 縱向振型圖

對(duì)比分析模態(tài)仿真計(jì)算和臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，縱向振動(dòng)的計(jì)算數(shù)據(jù)與測(cè)試數(shù)據(jù)偏差較大，因此結(jié)合縱向振型圖分析座椅靠背結(jié)構(gòu)?？勘痴{(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)如圖5所示，通過氣彈簧伸縮連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)靠背角度調(diào)整，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)之間連接通過軸孔鉸接組裝，為保證裝配的便利性，必須保證軸孔具有一定的間隙。機(jī)構(gòu)各零部件之間的配合間隙見表4。

表4 各零部件配合間隙 單位：mm

圖5 靠背調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

通常情況下，間隙的存在將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的連接剛度降低[2-5]，而模態(tài)仿真模型并未考慮各結(jié)構(gòu)之間的間隙，因此仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果具有一定的偏差。

為進(jìn)一步驗(yàn)證靠背調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)之間間隙的影響，先驗(yàn)證座椅底架設(shè)計(jì)是否合理。拆除座椅靠背，單獨(dú)對(duì)座椅底架進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表5，模態(tài)頻率均在28 Hz以上，可知底架剛度較好，模態(tài)特性較優(yōu)，底架設(shè)計(jì)較為合理。

表5 測(cè)試結(jié)果 單位：Hz

2.2 靠背晃動(dòng)量

座椅調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)軸孔的配合間隙較難測(cè)量，可通過測(cè)量座椅靠背頂端的晃動(dòng)來分析間隙情況，晃動(dòng)量是各間隙的綜合體現(xiàn)。在氣彈簧鎖定狀態(tài)下，分別使用20 N、50 N、100 N的力推拉靠背頂端中部(前后方向)，測(cè)量座椅靠背的前后總位移量，測(cè)量結(jié)果見表6。

表6 晃動(dòng)量測(cè)量結(jié)果

2.3 優(yōu)化間隙

對(duì)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)各間隙進(jìn)行優(yōu)化，座椅組裝操作難度明顯增加，優(yōu)化后的配合間隙和靠背晃動(dòng)量分別見表7和表8。

表7 優(yōu)化后配合間隙 單位：mm

表8 優(yōu)化后晃動(dòng)量測(cè)量結(jié)果

對(duì)優(yōu)化后的座椅進(jìn)行空載模態(tài)試驗(yàn)，測(cè)試數(shù)據(jù)見表9。

表9 空載模態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù) 單位：Hz

從數(shù)據(jù)看，優(yōu)化間隙能夠有效改進(jìn)座椅的模態(tài)特性，但由于靠背是懸臂結(jié)構(gòu)，在保證結(jié)構(gòu)不變的前提下優(yōu)化間隙的貢獻(xiàn)也是有限的。另外，間隙過小導(dǎo)致組裝難度增加，不利于批量生產(chǎn)。同時(shí)，考慮實(shí)際的可操作性，可以以靠背的晃動(dòng)量替代間隙的累積，當(dāng)超過某一定的數(shù)值就可初步認(rèn)為模態(tài)特性不滿足要求。這也是靠背可調(diào)座椅的一種具有可操作性的檢查方式。

2.4 承載模態(tài)特性

模擬真實(shí)承載工況，研究其模態(tài)特性。由于座椅乘坐了乘客，根據(jù)ISO 2631《機(jī)械振動(dòng)和沖擊.人體處于全身震動(dòng)的評(píng)估 第1部分:一般要求》中規(guī)定，需識(shí)別出0～80 Hz對(duì)人體影響較大的共振頻率[6]。測(cè)試點(diǎn)的布置如圖6，7所示，座椅承載模態(tài)試驗(yàn)如圖8所示。

圖8 座椅承載模態(tài)試驗(yàn)

圖6 二等2人座椅測(cè)試點(diǎn)布置

經(jīng)測(cè)量，兩種座椅的模態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表10，11?？梢?，橫向和垂向兩個(gè)方向稍有降低，縱向明顯增加。

圖7 二等3人座椅測(cè)試點(diǎn)布置

表10 二等2人座椅模態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù) 單位：Hz

表11 二等3人座椅模態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù) 單位：Hz

振動(dòng)特性的簡(jiǎn)化理論公式如下：

(1)

式中：f為固有頻率；k為系統(tǒng)剛度；m為系統(tǒng)質(zhì)量。在剛度值不變的情況下，增加質(zhì)量，模態(tài)頻率降低。由于座椅在縱向上為靠背可調(diào)，承載后相當(dāng)于給座椅的靠背施加了一個(gè)推力，使座椅此方向的剛度有所增加，進(jìn)一步驗(yàn)證了座椅的間隙導(dǎo)致連接剛度不足。在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)及間隙配合情況下，承載后有利于座椅的模態(tài)參數(shù)提升。

3 結(jié)論

本文通過座椅模態(tài)仿真計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)試，掌握了動(dòng)車組客室座椅的模態(tài)特性，并利用理論和試驗(yàn)手段提出了降低振動(dòng)的優(yōu)化措施，結(jié)論如下：

1)軸孔裝配間隙對(duì)座椅的模態(tài)特性影響較大，間隙過大導(dǎo)致連接剛度降低。由于座椅結(jié)構(gòu)的原因，軸孔配合精度增加，座椅組裝難度將加大，需采用有效的工裝提高組裝的便利性。

2)座椅承載后，靠背所受推力使靠背各部分間隙配合的軸孔的相對(duì)關(guān)系受到約束，在增加質(zhì)量的同時(shí)，也一定程度上相當(dāng)于增加了剛度，但對(duì)剛度的貢獻(xiàn)量要大于對(duì)質(zhì)量的貢獻(xiàn)量。

3)基于目前座椅結(jié)構(gòu)，靠背晃動(dòng)量是各種間隙和剛度最直觀的總體體現(xiàn)，控制靠背的晃動(dòng)量，能夠有效控制振動(dòng)特性。

車輛運(yùn)營后，座椅各機(jī)構(gòu)的間隙不可避免會(huì)增加，座椅振動(dòng)特性將會(huì)惡化，因此如何結(jié)合動(dòng)車組的修程，對(duì)此問題進(jìn)行解決，將是進(jìn)一步研究此結(jié)構(gòu)座椅振動(dòng)特性的重點(diǎn)。