周立剛 陳太曉 唐龍和

摘要：近幾年，伴隨著各個城市地鐵建設(shè)的興盛，地鐵運營安全問題越來越受到各個方面的關(guān)注，因此給設(shè)計研究人員提出了更高的要求，使得相關(guān)研究領(lǐng)域有了更加廣闊的發(fā)展空間。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛座椅;骨架結(jié)構(gòu);強度;優(yōu)化

目前，軌道列車行業(yè)發(fā)展迅速，在地鐵車輛眾多的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，車輛座椅骨架是其中一個重要的組成部分。座椅是一個復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，座椅骨架設(shè)計直接關(guān)系到乘客在乘坐地鐵時的安全性和舒適性，如果座椅骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理則會引起座椅在承載情況下出現(xiàn)強烈振動，存在安全隱患，所以各大軌道車輛公司對地鐵車輛座椅骨架的輕量化和安全性等方面的要求越來越高，同時對座椅骨架的設(shè)計、研究與開發(fā)也越來越重視。

1.建立座椅骨架的有限元模型

1.1建立座椅骨架模型

地鐵車輛座椅骨架為3人位，由鋁合金6063-T5材料制成的座椅框架總成和靠背框架總成等組成。座椅骨架材料為6063-T5鋁合金，其屈服強度為145MPa，彈性模量為69000MPa，泊松比為0.33，密度為2700kg/m3，抗剪模量為25800MPa。采用ANSYS之中的智能劃分網(wǎng)格的方式（SmartSize）劃分網(wǎng)格，選用標(biāo)準(zhǔn)實體網(wǎng)格，雅可比點為4，單元巨細(xì)為15.9437mm，公差為0.797187mm，最大高寬比為155.03。在螺栓毗鄰處以及靠背框架背面與側(cè)筋板后面施加固定約束進行有限元分析。

1.2載荷分析

車輛座椅為3人位，因此按3個人的總重量考慮，再考慮到地鐵的運動狀態(tài)，所以動載荷每個人按照3倍載荷進行計算。每個人的重量按照65kg計算，重力加速度按照10m/s2計算，則施加在座椅骨架上的靜載荷為1950N、動載荷為5850N。座椅結(jié)構(gòu)設(shè)計時在座椅框架上均布有8個墊片，將此載荷均勻地加在這8個墊片上。

1.3評定標(biāo)準(zhǔn)

本文車輛座椅骨架強度評定標(biāo)準(zhǔn)采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)《鐵道車輛車體結(jié)構(gòu)要求》（EN12663）。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN12663，地鐵車輛座椅骨架在載荷綜合作用下材料的許用應(yīng)力Rρ0.2與計算等效應(yīng)力σc之比應(yīng)不小于EN12663中規(guī)定的安全系數(shù)St[3-5]，即：

Rρ0.2/σc≥St.

2.座椅骨架有限元仿真及結(jié)構(gòu)修改

2.1原座椅骨架強度

利用ANSYSWorkbench軟件導(dǎo)入igs格式模型，針對座椅骨架結(jié)構(gòu)進行強度校核設(shè)計。施加靜、動載荷來模擬實際情況，以檢驗座椅結(jié)構(gòu)在施加載荷的情況下是否滿足結(jié)構(gòu)強度要求。最大變形位于座椅對稱中心處，最大位移達到3.0303mm，該處位于兩個支架桿跨度最大的位置，產(chǎn)生的彎矩最大，變形最大。按照座椅的結(jié)構(gòu)特點，骨架的背部與車體連接，而下部則處于懸空狀態(tài)，因此當(dāng)受到載荷作用時會發(fā)生最大變形。

2.2座椅骨架結(jié)構(gòu)修改

上述分析結(jié)果表明，危險部位的應(yīng)力值大于材料的許用應(yīng)力，遂增加側(cè)面筋板數(shù)量，由4個增加到8個，這樣可使每個座椅靠背左右兩側(cè)均有筋板加持。分析得到結(jié)構(gòu)修改后的座椅骨架等效應(yīng)力分布云圖。結(jié)構(gòu)修改后的座椅骨架最大應(yīng)力位于連接件支架桿的彎曲處，最大應(yīng)力值為64.592MPa。修改后的座椅骨架應(yīng)力值小于材料的許用應(yīng)力，且在安全范圍之內(nèi)，結(jié)構(gòu)強度完全滿足要求。為了優(yōu)化座椅骨架的整體結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)改良后構(gòu)架強度不變且質(zhì)量減輕，對其進行了拓?fù)鋬?yōu)化分析。經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化后在滿足強度要求的條件下其質(zhì)量減少了30%。

3.故障提出及調(diào)查

某地鐵項目業(yè)主日檢時發(fā)現(xiàn)客室座椅有多處裂紋，發(fā)現(xiàn)故障后，立即成立專項查小組挑選任意兩列車輛的客室座椅進行調(diào)查，調(diào)查結(jié)果如下：

3.1橫向兩人座椅

每列48個，共有6個裂紋，占比6%。

3.2縱向一人座椅

每列12個，共有5個裂紋，占比20.8%。

3.3縱向二人座椅

每列6個，共有4個裂紋，占比33.3%。

3.4縱向三人座椅

每列6個，共有7個裂紋，占比58.3%。

3.5縱向四人座椅

每列1個，共有1個裂紋，占比50%;

3.6縱向五人座椅：

每列1個，共有1個裂紋，占比50%。

從調(diào)查結(jié)果看，縱向座椅裂紋數(shù)量較多。現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，座椅裂紋位置絕大部分位于座面的中前位置。經(jīng)過試乘坐，該項目全線運行距離較長，大部分線路為地表行駛，運行時速較其他項目地鐵速度快，感受到車輛全線運行過程中一直處于上下振動、顛簸狀態(tài)。

4.解決方案

4.1糾正處置措施

對于運行車輛上表面膠衣層裂紋及炸紋的座椅，單獨對運行的車中選取一輛車進行改進驗證。為了更具代表性選取中間一輛車進行驗證其中包含四人五人座椅。

4.1.1原件修復(fù)

將部分二人座椅，一個三人座椅，四人座椅中有裂紋的座椅進行裂紋修復(fù)，修復(fù)完成后增加彈性結(jié)構(gòu)，重新安裝。此方案主要是為了驗證座椅面原件修復(fù)后在增加彈性連接的情況下是否會再次裂紋。

4.1.2新制座椅和增加彈性連接

新制座椅面，新制橫向二人座椅兩個，一個三人座椅，一個五人座椅及一個一人座椅，更換原裂紋座椅并且增加彈性連接，此方案主要是為了驗證新制座椅面在增加彈性連接的情況下是否會再次裂紋，新制座椅面時將彈性結(jié)構(gòu)直接加到原座椅結(jié)構(gòu)中。

4.2增加彈性連接方案

4.2.1縱排三人、五人座椅

首先修復(fù)座椅面，然后座椅面前端與座椅骨架連接的地方增加橡膠墊厚度為4mm，橡膠墊硬度60左右。如圖黃色零件，最后增加補強件以增加接觸面積，增大受力面分散局部的集中應(yīng)力。其次在座椅骨架上用與支撐座椅面的橡膠塊原硬度60-70，現(xiàn)將原橡膠塊硬度降為40硬度。

4.2.2縱排一人二人座椅

在座椅安裝座與座椅安裝梁之間加上厚度4mm硬度60的橡膠墊。

4.2.3橫排二人座椅

在安裝骨架與座椅安裝梁之間增加4mm硬度60的橡膠墊。

4.2.4膠黏劑改為彈性膠粘劑

新制的座椅將座椅面上支撐座椅及固定座椅的座椅連接件膠黏劑改為彈性膠粘劑以緩沖來自車體的震動。

以上方案均需要拆卸座椅面，原座椅骨架無需拆卸，增加橡膠墊后為了能達到更好的緊固作用，所有緊固件都需要加螺紋緊固劑。

參考文獻：

[1]王亦金.動車組旋轉(zhuǎn)座椅有限元計算分析[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014，28（4）：33-36.

[2]潘小雨.基于有限元分析的地鐵座椅結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及其實驗研究[D].武漢：武漢工程大學(xué)，2014：23-24.