一種新型商務(wù)座椅結(jié)構(gòu)及布置

萬志華，王伯春，劉慧屏，周 強，司志強

(中車唐山機車車輛有限公司 產(chǎn)品研發(fā)中心，河北 唐山 063035)

高速動車組作為快速鐵路客運網(wǎng)絡(luò)的主力車型，以其高效、快速、舒適的特點被越來越多的人所關(guān)注。由于長交路的存在,動車組運營時間有的需要10 h左右,容易造成乘客旅途疲勞。商務(wù)座椅可坐可躺，一定程度上能緩解乘客長途旅行的疲勞，具有一定的市場需求。

現(xiàn)有開行動車組大多車廂為二等座車，“復(fù)興號”動車組僅在頭車觀光區(qū)有3個單人商務(wù)座椅和1個雙人商務(wù)座椅，“和諧號”長編動車組僅在頭車客室設(shè)置3個單人商務(wù)座椅和4個雙人商務(wù)座椅，觀光區(qū)設(shè)2個單人商務(wù)座椅，商務(wù)座椅占整車定員比例均不足5%，而且票價相對二等座高出數(shù)倍。因此，從市場需求看，急需一種大定員、舒適性高、私密性好、經(jīng)濟型的商務(wù)座椅來滿足乘客日益增長的旅行需求。

1 新型商務(wù)座椅方案設(shè)計

國內(nèi)現(xiàn)有動車組的商務(wù)座椅形式基本上是一致的，舒適的軟墊外包寬大的私密罩，私密罩為睡眠乘客的肩膀區(qū)域提供凹形空間，通過電機驅(qū)動實現(xiàn)坐臥躺功能轉(zhuǎn)換(圖1)。商務(wù)座椅可180°旋轉(zhuǎn)，座椅上設(shè)置餐桌板、雜志袋、視頻影音系統(tǒng)、閱讀燈等。商務(wù)座椅分為單人和雙人2種，客室布置每排最多可容納3人乘坐。

圖1 現(xiàn)有商務(wù)座椅及布置

現(xiàn)有商務(wù)座椅躺姿狀態(tài)下乘客可整個身體都在椅面上，躺姿狀態(tài)座椅全長1 890 mm，考慮座椅躺姿狀態(tài)不能與前排座椅發(fā)生接觸，前后排座椅布置現(xiàn)車間距為1 980 mm，如此大的間距限制了列車定員的增加。由于餐桌板及視頻設(shè)備均安裝在商務(wù)座椅扶手內(nèi)，就餐或觀看視頻均需要打開扶手取出餐桌板或視頻設(shè)備，一定程度上增加了操作復(fù)雜性和乘客擠手的風(fēng)險，也增加了零部件損壞概率，此外，餐桌板和視頻設(shè)備需放在乘客胸腹前，一定程度上限制了乘客的腰部活動空間，使得餐桌板和視頻影音系統(tǒng)的功能不能最大限度的發(fā)揮。雙人商務(wù)座椅靠側(cè)墻側(cè)座位上的旅客如離開座位需要過道側(cè)旅客讓開，會影響過道側(cè)乘客休息及其私密性。

新型商務(wù)座椅能在坐姿與躺姿間自由切換，且可以在任意角度鎖定；座椅上設(shè)有桌箱、插座、雜志袋、視頻設(shè)備、小儲物盒等設(shè)施；座椅采用交錯布置，每個坐席空間獨立(圖2)。

圖2 新型商務(wù)座椅及布置

新型商務(wù)座椅每個座椅占用一排空間，座位和桌箱一體，桌箱尺寸不需要太寬，且扶手內(nèi)不需要設(shè)置電視及餐桌板，增加了座寬尺寸，乘坐空間大，座椅具有全自動坐姿調(diào)節(jié)系統(tǒng)以及配套視頻影音系統(tǒng)。座位旁邊桌箱下部為腳窩，上部為小桌，用于就餐、放置水杯等小物品，桌箱上設(shè)置小儲物盒，用于小物品的臨時存放。該種商務(wù)座椅躺姿的實現(xiàn)需要滿足后排座位正對著前排腳窩，門口端部區(qū)域受門開度的影響，此排座椅不設(shè)置腳窩，設(shè)置面向客室的固定式座椅，躺姿通過后排座位對接前排座位實現(xiàn)。這種交替座椅布置方案打破了傳統(tǒng)座椅布置方式，是座椅布置的一種創(chuàng)新。

2 商務(wù)座椅方案分析評估

2.1 人機工程學(xué)分析

新型商務(wù)座椅設(shè)計從座寬、座高、座深、腳窩尺寸、躺姿角度、儲物盒設(shè)置、扶手設(shè)置、頭靠位置、燈的照度等諸多方面進行了人機工程學(xué)設(shè)計[1]。

新型動車組商務(wù)座椅布置方案需考慮座椅伸展開后后排坐墊不能與前排座椅桌箱下部的腳窩干涉，且有效銜接，按照GB 10000—1988《中國成年人人體尺寸》的要求，以成年男性99百分位為依據(jù)，身高為1 814 mm，考慮6 mm修正量后身高為1 820 mm，躺姿狀態(tài)頭部和腳部與座椅各留20 mm間距，座椅私密罩造型厚度40 mm，腳窩厚度25 mm,計算得出前排座椅最前端到后排座椅最后端尺寸為1 925 mm，減去一個座椅前端到后端尺寸780 mm，得出前后排座椅間距1 145 mm?？梢?，相對現(xiàn)有商務(wù)座椅間距的1 980 mm，節(jié)省了大量空間，可增加座椅排數(shù)。

2.2 舒適性、私密性分析

新型商務(wù)座椅可坐可躺，可為乘客提供全方位視聽享受及舒適的乘坐環(huán)境，滿足不同乘客的乘坐需求，體現(xiàn)了以人為本的設(shè)計理念。桌箱方便乘客存放一些小物品，體現(xiàn)了人性化需求。新型商務(wù)座椅的設(shè)計，打破了鐵路客車商務(wù)座椅的傳統(tǒng)設(shè)計理念，可進一步推動鐵路客室內(nèi)飾部件的發(fā)展。

無論坐姿躺姿，每個乘客單獨占用一排空間，乘坐空間加大，出入座位自由，且不影響旁邊乘客，從心理上保護了乘客私密性。

2.3 列車定員分析

新型商務(wù)座椅布置方式增加了列車定員，以頭車為例，不包含觀光區(qū)及端部設(shè)施尺寸，客室8.94 m長度為商務(wù)座椅布置空間，布置現(xiàn)有商務(wù)座椅定員11人，布置新型商務(wù)座椅定員14人。標(biāo)準(zhǔn)動車組車長25 m，客室區(qū)域長18.22 m，布置現(xiàn)有商務(wù)座椅定員23人，布置新型商務(wù)座椅定員30人?？梢?，采用新型商務(wù)座椅，在提高乘坐舒適性、私密性的基礎(chǔ)上，可較大提高運能及經(jīng)濟效益，節(jié)約運行成本及能耗。

2.4 材料及結(jié)構(gòu)分析

商務(wù)座椅包括私密罩、桌箱、座椅骨架、底座、外包覆以及座椅附件。

2.4.1 私密罩

私密罩為商務(wù)座椅外殼，使用新型的碳纖維材料。碳纖維是一種含碳量95%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料，密度是鋼鐵的1/4，強度高于鋼鐵，具有耐腐蝕、高模量、防火等級高的優(yōu)異特性[2]，高性能的碳纖維是航空航天、能源和石化等重大工程必不可少的關(guān)鍵材料，目前已經(jīng)在航空航天、風(fēng)電、油氣、體育休閑等各領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前，隨著碳纖維成本的降低，碳纖維的應(yīng)用領(lǐng)域有了進一步擴大[3],已開始應(yīng)用到高速動車組上。

2.4.2 桌箱

桌箱為ABS樹脂成型。ABS樹脂是將PB、PAN、PS的各種性能有機地統(tǒng)一起來，兼具韌、硬、剛相均衡的優(yōu)良力學(xué)性能，具有優(yōu)良的綜合物理和機械性能及較好的低溫抗沖擊性能，且尺寸穩(wěn)定性、耐磨性、抗化學(xué)藥品性、染色性、成品加工及機械加工性較好。桌箱為書報夾、閱讀燈、控制面板、視頻影音系統(tǒng)、抽屜式小桌板提供安裝接口，同時提供桌面、儲物箱、腳窩腳踏等空間。

2.4.3 座椅骨架

座椅骨架為鋁合金材料，為座椅承重和動作部件。座椅骨架由坐墊、靠背和主體機構(gòu)組成，骨架主體通過底盤與底座連接，并連接座椅靠背和坐墊，是靠背和坐墊的動作機構(gòu)。骨架主體集成滑軌，通過機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)座椅靠背下移與坐墊一起沿滑軌滑動。骨架上安裝MCU電機，控制座椅動作，實現(xiàn)坐姿躺姿變換、腰靠角度調(diào)節(jié)等功能。

2.4.4 底座

座椅底座承接座椅與車體地板連接，連接穩(wěn)固與否直接影響座椅的旋轉(zhuǎn)及姿勢變換的平穩(wěn)性。底座通過8個M10螺栓連接在地板上，底座上需開孔，用于列車為座椅配電需求。底座與座椅骨架間靠旋轉(zhuǎn)機構(gòu)連接，通過軸承旋轉(zhuǎn)。

2.4.5 外包覆

座椅外包覆包括坐墊、靠背、頭枕、腳墊等。外包覆通過尼龍搭扣固定在座椅主體骨架上，內(nèi)部為發(fā)泡材料，表面縫合真皮。發(fā)泡采用分層結(jié)構(gòu)，確保硬度及舒適性。發(fā)泡和面料需滿足防火及環(huán)保要求。

2.4.6 座椅附件

座椅附件包括視頻影音系統(tǒng)、閱讀燈、書報網(wǎng)、衣帽鉤等。書報網(wǎng)、閱讀燈均安裝在桌箱上，視頻影音系統(tǒng)、插座、衣帽鉤、抽屜式小桌板設(shè)置在座椅私密罩后部。

3 商務(wù)座椅方案驗證

對商務(wù)座椅模型通過網(wǎng)格建模進行有限元分析。商務(wù)座椅所用材料的物理屬性如表1。

表1 商務(wù)座椅所用材料的物理屬性

商務(wù)座椅模型網(wǎng)格尺寸為3～6 mm，網(wǎng)格總數(shù)量約為260×104，網(wǎng)格分布如圖3所示。

圖3 商務(wù)座椅模型網(wǎng)格分布

3.1 模態(tài)分析

約束底座4個安裝孔，中心6個自由度為邊界條件，計算了座椅的8階模態(tài)。結(jié)果顯示：一階模態(tài)頻率最低，坐姿為17.8 Hz，躺姿為20.4 Hz。一階模態(tài)振型見圖4。

3.2 振動強度分析

根據(jù)TB/T 3451—2016《動車組車體結(jié)構(gòu)強度設(shè)計及試驗》，振動強度分析時，向列車車長X方向施加3g加速度，車寬Y方向施加1g加速度，車高Z方向施加1.5g加速度。為驗證更惡劣工況下座椅的振動強度，分別將向三方向施加的加速度增大到5g、3g、3g，具體方向如圖5所示。

根據(jù)TB/T 3451—2016，三方向載荷單獨施加。三方向加載應(yīng)力及變形云圖分別如圖6、圖7所示。計算結(jié)果顯示：X方向最大應(yīng)力為147.2 MPa,最大變形量為5.440 mm；Y方向最大應(yīng)力為122.5 MPa,最大變形量為3.247 mm；Z方向最大應(yīng)力為40.89 MPa,最大變形量為2.668 mm。

圖6 三方向加載應(yīng)力云圖

圖7 三方向變形云圖

3.3 分析結(jié)果

座椅最低模態(tài)頻率為17.8 Hz，滿足不小于15 Hz的要求。座椅在3個方向最大沖擊下的應(yīng)力均小于材料屈服強度，不會出現(xiàn)塑性變形和破壞。

4 結(jié)束語

該種新型商務(wù)座椅私密性好，定員增多，舒適安全，經(jīng)濟性更好。隨著人們對物質(zhì)需求的日益增長，商務(wù)座椅會越來越受到廣大旅客的青睞，該種新型商務(wù)座椅正是迎合市場需求推出的一款創(chuàng)新型產(chǎn)品，具有廣闊的市場前景。