王興偉， 袁利康， 周 洲， 齊玉文， 林立鈿

(1.株洲時代新材料科技股份有限公司, 湖南株洲 412007；2.中車長春軌道客車股份有限公司，長春 130062)

0 前言

隨著軌道交通行業(yè)的發(fā)展和時代的進步，人們對鐵路車輛的舒適度、美觀度要求越來越高，造型優(yōu)美、裝備高端的車型越來越受到追捧。車頭設(shè)計作為最能體現(xiàn)車輛美學(xué)和產(chǎn)生視覺沖擊的部分，在追求車輛提速及個性化的前提下，車頭形狀變得更加流線化與曲面化。這樣給司機室內(nèi)裝，尤其給司機室操縱臺人機互動與結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了新的要求與挑戰(zhàn)。同時，隨著軌道車輛提速要求車身輕量化、安全環(huán)保等性能的提升，傳統(tǒng)的金屬與玻璃鋼材料不再適用于新的司機室操縱臺要求。新型復(fù)合材料的應(yīng)用給司機室操縱臺人機互動與輕量化設(shè)計制造提供了更多的可能性[1-5]。

筆者分析了現(xiàn)有司機室操縱臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計與材料應(yīng)用特點，針對具體案例，提出新材料設(shè)計與應(yīng)用，實現(xiàn)司機室操縱臺的輕量化與人機互動設(shè)計，為后續(xù)司機室操縱臺的設(shè)計與發(fā)展提供一定參考。

1 司機室操縱臺人機互動

司機室操縱臺是機車最直接的人機交換設(shè)備，司機通過操縱臺上各裝置發(fā)出控制機車指令，完成機車牽引、制動等各項工作，并通過操縱臺上各個儀表、顯示器等觀測機車運行狀態(tài)。司機室操縱臺和內(nèi)裝通過工業(yè)設(shè)計將車體鋼結(jié)構(gòu)、管線、電氣機械設(shè)備、隔音保溫材料等進行有效封裝，給司機提供舒適、美觀的工作環(huán)境。司機室空間小、部件多，需要考慮骨架、電氣設(shè)備、除霜器、管線等部件的接口和尺寸布局，司機室內(nèi)部裝飾件尤其是操縱臺的設(shè)計成為了內(nèi)裝設(shè)計的難點[6]。司機室操縱臺屬于多個部件的結(jié)合，在考慮各部件受力工況與工業(yè)設(shè)計的前提下，利用多材料技術(shù)實現(xiàn)司機室操縱臺最大輕量化成為了研究熱點。

1.1 結(jié)構(gòu)類型

從外形上司機室操縱臺可分成包廂式結(jié)構(gòu)、半包廂式結(jié)構(gòu)和無包廂結(jié)構(gòu)，見圖1。

(a) 無包廂結(jié)構(gòu)

(b) 半包廂結(jié)構(gòu)

(c) 包廂式結(jié)構(gòu)

司機室操縱臺的整體結(jié)構(gòu)一般由帽檐、臺面和柜體組成。柜體一般又可以分成左柜組成、右柜組成、中間柜組成和前罩板[7]。

帽檐主要為司機室操縱臺的造型部件，也是整個工業(yè)設(shè)計的重點。除造型作用外，帽檐還起到遮光作用，使臺面控制按鈕在視線范圍內(nèi)更加清晰。有時，帽檐與臺面整合一體，無單獨結(jié)構(gòu)，使司機室操縱臺外觀更加一體化。

臺面集成了司機室控制器、制動控制器、開關(guān)、按鈕，以及參數(shù)、信號顯示的液晶顯示屏等，屬于主要承力部分，通過螺栓連接在柜體或柜體骨架上。各種面板和顯示部分一般采用下沉式安裝方式，既能保證操作舒適性，又能保證整體美觀性。

柜體部分一般由框架式骨架和面板組成，骨架承受一定的抗變形力，面板主要起到裝飾作用。框架式骨架通過螺栓連接在車體骨架上，面板通過螺栓連接在框架式骨架上。在下柜體的立面上，設(shè)計有可以打開的檢修門，滿足柜體中電氣元件、管線的安裝和維護。對于客戶的定制化要求，柜體部分還可以增設(shè)冰箱、飲水機、食品加熱箱等人性化設(shè)備。

1.2 設(shè)計要點

司機室操縱臺設(shè)計最需要體現(xiàn)人機工程學(xué)，除了使司機操作盡可能方便舒適外，還要考慮在遇到意外情況時能第一時間作出正確的操作。因此，需要合理布局各種開關(guān)、按鍵、顯示屏幕等設(shè)備。其中,優(yōu)先考慮司機的近身作業(yè)空間，即當(dāng)司機以立姿或坐姿進行作業(yè)時，手和腳在水平面和垂直平面內(nèi)所能完成作業(yè)的空間范圍。除了根據(jù)車頭形狀和司機室內(nèi)裝配合關(guān)系進行結(jié)構(gòu)設(shè)計外，還要滿足3項設(shè)計原則。

1.2.1 易操作原則

使用頻率最高、重要的器件要布置在最佳位置上。最大活動范圍為手臂盡量伸直的作業(yè)空間，一般活動范圍為手臂自然彎曲的作業(yè)空間(見圖2)。在布置司機室操縱臺設(shè)備時，對于一些常用的操作裝置和控制器應(yīng)布置在一般活動范圍內(nèi)，如司機操控器、列車制動控制器、單獨制動控制器等，最好設(shè)置在與肩平行的位置附近，以便于施力，減少司機操作疲勞[8-10]。對于一些不常用的器件則可布置在最大活動范圍內(nèi)。

圖2 一般男性平面作業(yè)范圍

1.2.2 防誤操作布局原則

類似功能的器件布置在同一范圍內(nèi)，實現(xiàn)功能分區(qū)。一般從左到右布局為制動區(qū)、運行區(qū)、牽引區(qū)。同時，對于同一功能區(qū)的按鈕，按照重要程度和使用頻率，進行分色顯示，如：紅色表示危險、告急；黃色表示臨界狀態(tài)；綠色表示安全；藍色表示按需要指定用意；白色表示無特定含義。

1.2.3 可視角度原則

為了保證司乘人員舒適地觀測機車運行信息和操作機車，對于司機室操縱臺操作界面的設(shè)計，操作裝置的布置平面一般設(shè)計成與水平面夾角≤20°，信號裝置布置平面一般設(shè)計成與垂直面夾角為20°～40°(見圖3)。司機室操縱臺高度設(shè)計不能擋住司機視野。

圖3 司機坐姿操縱時的推薦值

2 司機室操縱臺用新材料發(fā)展及特點

2.1 司機室操縱臺用材料發(fā)展

在較早的司機室操縱臺產(chǎn)品中，大多采用多孔鋁板，該材料結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，但是存在很多缺點：(1) 在面對多重曲面造型時，成型難度大；(2) 配裝時，需要切割，加工不方便；(3) 隔熱性能差，容易受到室外溫度影響；(4) 多孔結(jié)構(gòu)清潔不方便，檔次低，不美觀。

隨著材料的發(fā)展，聚碳酸酯(PC)板和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)塑料應(yīng)用較多，但受當(dāng)時的技術(shù)限制，這些材料老化性能和防火性能差，不適合軌道機車行業(yè)要求。目前，隨著復(fù)合材料發(fā)展，玻璃纖維增強復(fù)合材料、碳纖維增強復(fù)合材料，以及與其組合使用的聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)泡沫、芳綸蜂窩等輕量化材料的應(yīng)用，使得司機室操縱臺既能滿足復(fù)雜曲面設(shè)計，又能滿足輕量化、阻燃與環(huán)保的高需求，并具有較好的耐疲勞、隔熱等優(yōu)良性能，越來越受到軌道行業(yè)的重視。

2.2 復(fù)合材料的應(yīng)用優(yōu)勢

復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、強度高、剛性大的特點。表1是復(fù)合材料與金屬材料的力學(xué)性能參數(shù)對比。由表1可以看出，復(fù)合材料的比強度和比模量大多都比一般金屬材料高,且線脹系數(shù)小。通過多種材料的復(fù)合應(yīng)用和鋪層設(shè)計，可獲得理想的強度、剛性和輕量化效果；同時，產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定性好，利于安裝和裝配。

復(fù)合材料由于成型工藝特性，更加適合于司機室操縱臺這種具有復(fù)雜曲面的設(shè)計，而且由于司機室內(nèi)裝的研配性，復(fù)合材料易修補、易切割，能滿足各種復(fù)雜的裝配要求，降低產(chǎn)品裝配難度和工人的勞動強度。

3 動車組司機室操縱臺新材料應(yīng)用

某型動車組為了滿足更高速度運行的需要，對整車的輕量化提出了更高的要求。司機室操縱臺原型產(chǎn)品總質(zhì)量為172.2 kg，其中金屬件質(zhì)量為20 kg，復(fù)合材料部分質(zhì)量為152 kg，復(fù)合材料部件質(zhì)量占比88.4%，現(xiàn)需要將總體質(zhì)量控制在120 kg以內(nèi)。

3.1 產(chǎn)品材料設(shè)計

根據(jù)原型產(chǎn)品的質(zhì)量、形狀和尺寸信息，不同的產(chǎn)品類型材料初步設(shè)計方案見表2。

表1 復(fù)合材料與金屬材料力學(xué)性能對比

表2 材料方案初步選型

對于蒙皮材料的選擇，主要考慮材料的密度和性能(見表3)。碳纖維增強復(fù)合材料在力學(xué)性能和密度方面的優(yōu)勢比玻璃纖維增強復(fù)合材料更加突出，在設(shè)計三明治結(jié)構(gòu)材料方案時，可以將碳纖維復(fù)合層設(shè)計得更薄，使同樣結(jié)構(gòu)的部件在低密度和低厚度的情況下，輕量化效果更好。對于夾心材料的選擇，主要考慮適用范圍和密度(見表4)。對于大曲率造型的薄壁部件，強心氈易于彎曲，更適合作為該類產(chǎn)品的夾心材料；對于厚度較厚，并有階差變化的形狀復(fù)雜部件，PET泡沫易加工，對于該類產(chǎn)品更加適合；對于大平面需要最大限度降低質(zhì)量的部件，采用芳綸蜂窩更加適合。

表3 碳纖維和玻璃纖維復(fù)合材料性能對比

表4 夾心材料的性能對比

3.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計

帽檐外形設(shè)計成異形曲面結(jié)構(gòu)，外形更加有流線感(見圖4)。所有接口采用金屬預(yù)埋，與帽檐一體成型，減少了零部件的數(shù)量和種類。整個安裝無螺栓凸起，外觀簡潔大方。為了最大程度輕量化，蒙皮采用碳纖維增強復(fù)合材料；由于異形曲面外形，中間夾心采用強心氈。

圖4 帽檐結(jié)構(gòu)示意圖

桌面由于需要布局各種控制按鈕，大體外形設(shè)計成平面結(jié)構(gòu)，所有接口通過金屬預(yù)埋在底部，安裝均為隱藏式安裝，無外露螺栓的問題(見圖5)。蒙皮采用碳纖維增強復(fù)合材料，桌面后端由于存在圓弧結(jié)構(gòu)，中間夾心采用強心氈。

圖5 桌面結(jié)構(gòu)示意圖

前罩板與前擋風(fēng)玻璃和帽檐銜接，采用大曲面設(shè)計，保證與帽檐、前擋風(fēng)玻璃配合間隙，所有安裝接口通過預(yù)埋布局在底面，整個可視面無外露連接點，整體美觀簡潔(見圖6)。蒙皮采用碳纖維增強復(fù)合材料，中間夾心采用強心氈。

圖6 前罩板結(jié)構(gòu)示意圖

圍板由于銜接了帽檐和桌面，承受較大的載荷，因此厚度較厚，最大厚度達到32 mm，并且增加了加強筋結(jié)構(gòu)，所有金屬預(yù)埋一體成型，隱藏式安裝(見圖7)。為降低質(zhì)量，蒙皮仍然采用碳纖維增強復(fù)合材料；由于厚度階差變化，PET泡沫更加適合加工成不同形狀的芯材，因此圍板的中間夾心采用PET泡沫。

圖7 圍板結(jié)構(gòu)示意圖

柜體的面板主要用于遮蓋司機室各種設(shè)備及管線，并且?guī)в袡z修功能，因此外形結(jié)構(gòu)主要根據(jù)車體外形四周布局設(shè)計，采用平面結(jié)構(gòu)(見圖8)。所有面板均采用可拆卸式結(jié)構(gòu)，保證各種設(shè)備的檢修。所有接口采用一體式預(yù)埋結(jié)構(gòu)，面板采用插接式和鉸鏈連接，保證檢修的方便。蒙皮材料采用碳纖維增強復(fù)合材料，由于結(jié)構(gòu)為大平面，夾心采用芳綸蜂窩材料，最大限度降低質(zhì)量。

圖8 柜體結(jié)構(gòu)示意圖

綜上所述，產(chǎn)品材料采用碳纖維增強復(fù)合材料和夾心結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同的外形采用不同的材料，最大程度實現(xiàn)輕量化；所有接口采用預(yù)埋結(jié)構(gòu)，布局在非可視區(qū)域，減少零件數(shù)量和種類，外表面簡潔、無外露螺栓。整體外形與車頭隨型，曲面與曲面配合平順，保證美學(xué)效果。

3.3 產(chǎn)品材料厚度分布設(shè)計

由于產(chǎn)品部件的總厚度無法更改，根據(jù)所選材料的性能，在保證力學(xué)性能和工藝性的基礎(chǔ)上，盡量減低蒙皮厚度，提高夾心厚度，最大實現(xiàn)輕量化，具體材料厚度方案見表5。

表5 材料厚度設(shè)計方案

3.4 產(chǎn)品成型及試驗測試

在結(jié)構(gòu)及材料優(yōu)化設(shè)計完成后，根據(jù)優(yōu)選的結(jié)構(gòu)和材料方案，該型動車組司機室操縱臺產(chǎn)品部件采用真空輔助樹脂傳遞模塑工藝(VARTM)成型(見圖9)。

圖9 某型動車組操縱臺效果及材料應(yīng)用

上下蒙皮采用400 g/m2雙軸碳纖維布，各鋪2層，中間層根據(jù)產(chǎn)品類型采用不同的夾心材料，各夾心材料應(yīng)用如下：50 kg/m3的芳綸紙蜂窩，50 kg/m3的PET泡沫，600 kg/m3的強心氈。樹脂采用無鹵阻燃低黏度環(huán)氧樹脂，黏度控制在350 mPa·s，通過真空泵設(shè)備輔助、加熱固化與脫模，最終經(jīng)過后處理，產(chǎn)品總體質(zhì)量(包括油漆)為114.8 kg(見表6)，減重33.3%，達到總質(zhì)量小于120 kg的設(shè)計目標(biāo)。

表6 優(yōu)化前后質(zhì)量對比

同時，通過試驗測試[11]，整個司機室操縱臺在承受1 600 N的載荷下，產(chǎn)品無裂紋、破壞、無重大變形等問題，滿足設(shè)計載荷要求。

4 結(jié)語

通過充分分析產(chǎn)品的外形和結(jié)構(gòu)，選擇合適的蒙皮和夾心材料，并通過合理的層間厚度設(shè)計，復(fù)合材料產(chǎn)品也能實現(xiàn)深度輕量化目標(biāo)。隨著“中國制造2025”的提出，作為重點發(fā)展的先進軌道交通裝備行業(yè)，司機室操縱臺的發(fā)展也勢必隨著行業(yè)的發(fā)展而逐步升級。由于司機室操縱臺設(shè)計是一項系統(tǒng)性、綜合性很強的工作，需要了解人機工程學(xué)、結(jié)構(gòu)學(xué)、材料學(xué)等不同專業(yè)的知識，任何一項專業(yè)學(xué)科發(fā)展的最新成果均可以嘗試應(yīng)用于該行業(yè)。未來司機室操縱臺的發(fā)展還需要考慮以下幾點：

(1) 標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計。當(dāng)前不同主機廠對于司機室操縱臺上的操作按鈕會根據(jù)實際情況進行設(shè)計，因此不同的車型操作界面都會不一樣，司機熟悉操作界面需要時間，甚至?xí)?dǎo)致誤操作，因此將所有車型的操作界面進行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，形成規(guī)范性的設(shè)計，提高操作界面的通用性，具有較大的實用性。

(2) 舒適性設(shè)計。人們對美好生活的向往越來越體現(xiàn)在對工作場所的改善需求，越來越多的家裝式風(fēng)格的設(shè)計被引入到司機室操縱臺的設(shè)計中，更加舒適和人性化的設(shè)計(如皮革和水轉(zhuǎn)印技術(shù)的應(yīng)用)讓司乘人員從工作場所中解放出來，釋放他們的工作激情并減少壓迫感。

(3) 模塊化設(shè)計。為了縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，在設(shè)計中盡量考慮生產(chǎn)、安裝工藝、總體布局，讓產(chǎn)品呈現(xiàn)模塊化，所有的安裝工作只需要將模塊拼接在一起組成完整的操縱臺結(jié)構(gòu)，簡化了安裝工序并降低了安裝難度，同時提高維護的便利性和備件的互換性。

(4) 無骨架化設(shè)計。由于司機室操縱臺內(nèi)部設(shè)置有各種電氣部件、管線接口的金屬骨架，隨著輕量化的深入，設(shè)計時，在保證司機室操縱臺能承受1 600 N載荷不變形破壞的基礎(chǔ)上，金屬骨架可以通過其他填充材料替代，與纖維增強復(fù)合材料結(jié)合在一起組成產(chǎn)品，也可以將金屬骨架簡化后直接預(yù)埋在復(fù)合材料中，使產(chǎn)品本身具有足夠的剛度，節(jié)省司機室空間，降低整體產(chǎn)品質(zhì)量。

(5) 材料多樣化。從輕量化和高科技角度考慮，很多先進復(fù)合材料如碳纖維、芳綸蜂窩等，以及皮質(zhì)觸感材料如聚氨酯材料將會被大量使用，這也體現(xiàn)了一個國家的科技水平和制造能力。另外，從環(huán)境友好的角度考慮，天然纖維復(fù)合材料由于節(jié)能、污染少、可降解，越來越受到市場的認可，目前已經(jīng)有企業(yè)將麻纖維應(yīng)用于復(fù)合材料制造，這也為可持續(xù)發(fā)展提供了新的方向。

(6) 阻燃性能提升。隨著EN 45545-2—2013 《鐵路應(yīng)用—鐵路車輛的防火保護—第2部分:材料和元件的防火要求標(biāo)準(zhǔn)》的普及，很多材料逐步被排除在該標(biāo)準(zhǔn)范圍外，為了提高車輛運行的安全性,需要開發(fā)新的材料,并對現(xiàn)有材料進行更新升級。