賈旭 李福正 戰(zhàn)雪 周鑫弘 豐亞超

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

動車組座椅是車上的重要設施之一，良好的墊材能夠緩解列車行駛過程中人和座椅之間的振動和穩(wěn)定坐姿。目前墊材材質是聚氨酯高回彈泡沫材料，長期服役后墊材存在塌陷變形嚴重、支撐力不足的問題。汽車行業(yè)研究人員對座椅用聚氨酯高回彈泡沫墊材相關性能進行了大量的研究[1-4]，民航業(yè)相關人員對飛機座椅墊用聚氨酯高回彈泡沫墊材發(fā)展現(xiàn)狀及適航標準也進行了研究[5]。

國內動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有待進一步提高。對比各行業(yè)座椅墊材相關的要求，差異主要在于其阻燃性。汽車行業(yè)執(zhí)行汽車內飾阻燃標準GB 8410—2006，民航執(zhí)行運輸類飛機適航標準CCAR-25，動車組執(zhí)行歐盟防火測試標準EN 45545-2-2013，其中汽車對墊材阻燃性要求最低，民航和動車組要求較高。CCAR-25中對座椅的阻燃要求包括垂直燃燒試驗和油燃燒試驗，為滿足嚴格阻燃要求，往往在墊材外表面包裹一層凱夫拉和碳纖維擋火層來提高坐墊的阻燃性[5]。動車組除要求座椅整體阻燃，還單獨要求墊材阻燃需滿足鐵道行業(yè)標準TB/T 3237—2010《動車組用內裝材料阻燃技術條件》，阻燃標準極高。

1 坐墊墊材性能要求

用作動車組座椅墊材的聚氨酯高回彈泡沫具有透氣性能好、質量輕、成型工藝簡單、硬度易調、回彈性好及吸振性能強等優(yōu)點。此類墊材泡沫的25%壓陷硬度根據(jù)體感設置在350 N左右(按輕工行業(yè)標準QB/T 2080—2018《高回彈軟質聚氨酯泡沫塑料》執(zhí)行)，其余性能按TB/T 3138—2006《機車車輛阻燃材料技術條件》的要求執(zhí)行，項目包括材料的密度、拉伸強度、斷裂伸長率、75%壓縮永久變形、回彈率和阻燃性能，未對其余性能進行規(guī)定。

2 坐墊服役性能分析

目前墊材壽命要求滿足動車組“五級修”(五級檢修周期為8年或480萬km)。墊材在長期服役后會產(chǎn)生塌陷，變形嚴重，硬度降低，且拐角處有不同程度的開裂、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，分別對其進行測試。首先測試各服役期坐墊不同位置的尺寸，并計算其尺寸變化率等性能參數(shù)；其次測試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個典型位置(圖1)，對不同服役期的坐墊同位置尺寸變化程度進行測試分析，結果見圖2和圖3。

圖1 坐墊塌陷程度測試點

圖2 坐墊塌陷量隨服役時間的變化

圖3 坐墊塌陷率隨服役時間的變化

從圖2和圖3的結果看，塌陷程度與服役時間呈正相關，其中座盆區(qū)(點5)塌陷程度最為嚴重，明顯高于其他點，坐墊腿部承載區(qū)(點1、2、4)次之。五級修時座盆區(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)動車組檢修特點，更換坐墊只能在四級修(4年)或五級修(8年)執(zhí)行。對比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明顯高于后4年，總體約為后4年的兩倍。服役4年時塌陷程度最為嚴重區(qū)域為座盆區(qū)(點5)，塌陷量達到了17 mm、塌陷率達到了16%。

2.2 不同服役時間的壓陷性能

測試不同服役時間下，25%壓陷硬度初始值350 N的坐墊泡沫在350 N壓力載荷(壓盤直徑100 mm)下的25%的壓陷硬度和壓陷程度，結果見表1。

表1 壓陷硬度和壓陷率隨時間的變化

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

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

2.3 問題分析

隨著聚氨酯高回彈泡沫坐墊服役時間的增加，坐墊會產(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)標準QC/T 850—2011《乘用車座椅用聚氨酯泡沫》，對于耐久性測試，增加了40%壓陷硬度最大損失率和壓陷高度最大損失率，這兩項指標是疲勞性能最重要的力學指標。

從坐墊支撐穩(wěn)定感分析，引進了側傾穩(wěn)定系數(shù)指標。所謂側傾穩(wěn)定系數(shù)就是當乘員發(fā)生側傾時，坐墊支撐力使之恢復到平衡位置的能力。坐墊可以簡化成一個分布的彈簧系統(tǒng)，當發(fā)生傾斜時坐墊將產(chǎn)生一個恢復力矩使人體恢復平衡，穩(wěn)定性好的坐墊(一般剛性較大、形狀合理)產(chǎn)生的恢復力矩較大。若乘坐在變形量較大的坐墊上，會感到有傾斜的危險，不得不經(jīng)常調整自己以保持平衡，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，其側傾穩(wěn)定系數(shù)指標較差。原坐墊厚度較大時，側傾穩(wěn)定性系數(shù)偏大，特別是長時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，減少軟質墊材厚度。

3.1 結構優(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，通常認為坐墊承載后最大的凹陷出現(xiàn)在坐骨處，深度一般設置在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，將軟墊座盆部分設置在55 mm左右，坐墊墊材40%壓陷硬度選擇在400 N左右，對應25%壓陷硬度在280 N左右。

作為高速運行的封閉式公共交通工具，鐵路行標TB/T 3237—2010對動車組有較高的阻燃要求。標準中對坐墊墊材阻燃性能要求較高，尤其是氧指數(shù)指標，具體指標見表2。為達到阻燃要求，需要添加較多阻燃成分，而添加阻燃成分會影響其他物理性能的提升。

表2 動車組坐墊墊材阻燃指標要求

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

表3 聚氨酯高回彈軟質泡沫性能參數(shù)

發(fā)泡聚丙烯(EPP)是一種環(huán)保抗壓緩沖隔熱材料，具有耐用、質輕等特點[8]，其物理性能見表4。

表4 發(fā)泡聚丙烯材料的物理性能

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

3.2 泡沫墊材優(yōu)化試驗后的驗證

3.2.1 支撐性能驗證

采用高回彈軟質聚氨酯泡沫墊材測試樣件厚度100 mm，預埋聚丙烯墊材測試樣件厚度100 mm(45 mm聚氨酯軟泡+45 mm聚丙烯半硬泡+10 mm聚氨酯軟泡)。測量優(yōu)化前后坐墊的3次壓縮曲線與恢復曲線，見圖4和圖5。

圖4 優(yōu)化前墊材壓縮和恢復曲線

圖5 優(yōu)化后墊材壓縮和恢復曲線

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

3.2.2 疲勞性能驗證

對整椅驗證墊材疲勞特性。參照采用TB/T 3263中耐久試驗條件(垂向490 N，載荷10萬次)，試驗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。從疲勞試驗結果來看，優(yōu)化方案能夠有效提升坐墊的長時間服役的承載性能。

3.2.3 舒適感驗證

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)進行測試，分析坐墊優(yōu)化前后的靜態(tài)體感壓力，壓力數(shù)據(jù)對比見表5。

表5 優(yōu)化前后坐墊體壓數(shù)據(jù)對比

從體壓數(shù)據(jù)來看，優(yōu)化后的坐墊乘坐接觸面積增大，最小和最大角度時的總壓力、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 結論

通過分析坐墊墊材的結構特性，同時利用不同測試手段，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，建議墊材結合四級修(4年)更換。

(2)目前國內動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關鍵疲勞指標。

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

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