王雁東 李振陽 劉鵬飛 吳俊杰

(中車株洲電力機(jī)車有限公司工業(yè)設(shè)計(jì)研究所 湖南 株洲 412001)

近年來，自動(dòng)駕駛技術(shù)得到快速發(fā)展，逐漸成為城市軌道交通領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1-2]。南寧市軌道交通5號(hào)線項(xiàng)目線路全長20.2 km，共設(shè)地下車站17座，是南寧市首條采用全自動(dòng)駕駛技術(shù)的地鐵線路，車輛由中車株州電力機(jī)車有限公司提供，為6節(jié)編組的B型列車，最高速度80 km/h。與傳統(tǒng)地鐵車輛相比，全自動(dòng)駕駛車輛采用開放式司機(jī)室設(shè)計(jì)，乘客可自由進(jìn)入司機(jī)室內(nèi)，透過前擋風(fēng)玻璃飽覽車輛在隧道中穿行的畫面。但是，開放的司機(jī)室結(jié)構(gòu)導(dǎo)致傳統(tǒng)的大容量隔斷墻電氣柜不復(fù)存在，其中電氣設(shè)備需要重新尋找空間進(jìn)行布置，對(duì)車輛內(nèi)裝設(shè)計(jì)提出了更高的要求。傳統(tǒng)的地鐵座椅一般為懸臂安裝在側(cè)墻上，座椅下部的空間沒有被充分利用。因此，大多數(shù)全自動(dòng)駕駛車輛選擇在座椅下方增加落地安裝的座椅箱，并將電氣設(shè)備布置在座椅箱中。本文以南寧地鐵5號(hào)線項(xiàng)目為研究背景，介紹了一種不銹鋼活動(dòng)椅面座椅的設(shè)計(jì)，為今后同類項(xiàng)目的座椅方案提供設(shè)計(jì)參考和依據(jù)。

1 座椅構(gòu)造簡介

為滿足南寧市軌道交通5號(hào)線車輛全自動(dòng)駕駛功能的需求， Tc車大部分電器設(shè)備需布置在客室座椅下部， 且必須滿足密封、 防火、 防水和易檢修等要求。 因此， 針對(duì)上述項(xiàng)目要求， 在原有普通座椅結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上， 設(shè)計(jì)了一種活動(dòng)椅面座椅。 傳統(tǒng)的固定式座椅是由椅面、 骨架、 端板和底部蓋板等部件組合而成， 而下置座椅箱的活動(dòng)椅面座椅主要由椅面、 椅面支撐骨架，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、座椅箱、檢修門和端板等部件構(gòu)成，如圖1所示。該座椅的長度為2 670 mm，質(zhì)量約為95 kg，可同時(shí)滿足六人并排乘坐。椅面材料為厚度1.5 mm的304花紋不銹鋼板，通過膠黏劑粘接固定在支撐骨架上。座椅端板通過螺栓安裝于座椅的兩端，可將來自扶手桿的力傳遞到座椅箱，并最終傳遞到地板上去。支撐骨架和座椅箱的材料均為鋁合金，拼焊成為整體。椅面頂部內(nèi)置鉸鏈，可保證椅面至少打開70°，從而有足夠的操作空間。椅面前端設(shè)置有三把方孔鎖保證椅面關(guān)閉狀態(tài)時(shí)鎖閉緊固。座椅箱正面設(shè)置有2個(gè)可拆卸式檢修門，方便在不打開椅面的情況下對(duì)箱內(nèi)設(shè)備進(jìn)行操作。

圖1 座椅三維模型

如圖2所示，通過軟件對(duì)乘客腿部活動(dòng)空間進(jìn)行了驗(yàn)證，座椅箱正面設(shè)計(jì)有一定的傾角，以滿足乘坐時(shí)的舒適性要求。

圖2 人機(jī)工程學(xué)仿真驗(yàn)證模型

2 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)椅面順利開閉，并方便對(duì)內(nèi)部設(shè)備進(jìn)行檢修操作，經(jīng)過分析，將旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)置在座椅靠背頂部。由于該位置空間比較狹小，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)需考慮以下條件：首先，靠背頂部對(duì)應(yīng)座椅安裝的位置，需給安裝結(jié)構(gòu)留出空間；其次，為保證與其他普通座椅外觀一致，靠背頂部需伸入側(cè)墻凹坑約8 mm，同時(shí)需保證與凹坑頂部間隙5 mm；最后，還需考慮椅面與骨架的粘接結(jié)構(gòu)、鉸鏈安裝方式的設(shè)計(jì)、椅面運(yùn)動(dòng)過程中的干涉問題等。最終，經(jīng)過計(jì)算分析，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。椅面支撐骨架通過粘接固定在椅面上，鉸鏈的一端通過螺栓固定于支撐骨架頂部的長型材上，另一端通過T型螺栓固定在與側(cè)墻連接的座椅安裝型材上。

圖3 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意圖

如圖4所示，椅面打開后可用支撐桿對(duì)兩側(cè)進(jìn)行支撐固定，同時(shí)椅面兩側(cè)設(shè)置有防脫安全繩，可在椅面撐開時(shí)固定于座椅側(cè)扶手上，起到二次防護(hù)的作用。支撐桿材料為直徑8 mm的不銹鋼棒，如圖5所示，收起狀態(tài)時(shí)，支撐桿前端可牢固夾持在尼龍架中，防止在列車運(yùn)行過程中的晃動(dòng)和異響；支撐狀態(tài)時(shí)，支撐桿前端垂直插入椅面支撐骨架的孔中，另一端將力傳遞到箱體上，保證支撐穩(wěn)固、不滑脫。

圖4 椅面打開狀態(tài)

圖5 支撐桿兩種狀態(tài)示意圖

3 防水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

座椅箱內(nèi)布置有多種電器設(shè)備，若乘客誤將水或飲料等液體不慎傾倒進(jìn)箱內(nèi)，可能會(huì)引發(fā)起火或緊急制動(dòng)等安全事故。因此，座椅箱的防水性能是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須滿足的重要要求。

(1)側(cè)部防水。相對(duì)于椅面和兩側(cè)端板緊貼的固定式座椅，為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)過程中流暢無干涉，活動(dòng)椅面座椅的椅面和兩側(cè)端板之間留有3 mm的間隙。但是，這也對(duì)側(cè)部的防水性提出了要求。如圖6所示，在端板內(nèi)側(cè)增加低于椅面輪廓的“L”形彎槽，椅面的折邊搭接在該側(cè)部導(dǎo)水槽上，可以將椅面?zhèn)炔康乃鲗?dǎo)入其中。同時(shí)，在導(dǎo)水槽的最低點(diǎn)(座椅和端板處于正確安裝位置)開孔，可將水流進(jìn)一步排至靠近側(cè)墻的地板處，從而實(shí)現(xiàn)座椅側(cè)部的防水，水流方向如圖7所示。

圖6 側(cè)部導(dǎo)水槽與椅面配合關(guān)系示意圖

圖7 側(cè)部導(dǎo)水槽及水流示意圖

(2)頂部防水。因?yàn)榭勘稠敹伺c側(cè)墻凹坑之間留有5 mm的間隙，若有水從該處流入，同樣易對(duì)箱內(nèi)設(shè)備造成威脅。因此，在該縫隙的下方安裝通長的背部導(dǎo)水槽，如圖8所示，可盛接頂部滲入的水滴，并將其引入兩端的側(cè)部導(dǎo)水槽中，最終同樣排至地板上，實(shí)現(xiàn)頂部的防水。

圖8 頂部導(dǎo)水槽

(3)正面防水。為了進(jìn)一步方便檢修，座椅箱正面設(shè)計(jì)有2個(gè)檢修門，每個(gè)檢修門上方兩側(cè)設(shè)置2把方孔鎖，下方通過2個(gè)圓柱銷插接在門框型材的銷孔內(nèi)。檢修門板背面四周粘有膨脹密封膠條，在鎖緊時(shí)可以保證門板能始終壓緊門框，起到防水的作用。

(4)底部防水。安裝完成后，座椅箱完全落地，在箱體周圍與地板的縫隙處通過打膠進(jìn)行密封，同時(shí)地板內(nèi)側(cè)留有向上的折邊結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步保證座椅箱底部的防水性能。

4 樣機(jī)試制

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性，對(duì)活動(dòng)椅面座椅進(jìn)行了樣機(jī)試制。如圖9所示，座椅樣機(jī)可實(shí)現(xiàn)椅面翻轉(zhuǎn)打開、支撐桿穩(wěn)固支撐固定的功能，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，無卡頓。同時(shí)，經(jīng)過驗(yàn)證，導(dǎo)水槽結(jié)構(gòu)能夠有效防止水流進(jìn)入座椅箱內(nèi)部。

圖9 座椅樣機(jī)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證活動(dòng)椅面座椅的承載性能，對(duì)座椅樣機(jī)進(jìn)行了載荷試驗(yàn)，并將試驗(yàn)結(jié)果與傳統(tǒng)的固定式座椅(長沙5號(hào)線座椅)進(jìn)行對(duì)比。如圖10所示，試驗(yàn)方法是在六人座椅的每個(gè)座位上，使用鐵砂袋提供1 000 N的載荷(每個(gè)鐵砂袋重25 kg，每個(gè)座位4袋)，加載5 min，卸載3 min后，運(yùn)用百分表測量座椅端部點(diǎn)和中央點(diǎn)2個(gè)位置的變形量。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

圖10 載荷試驗(yàn)

表1 載荷試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比 /mm

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在靜態(tài)載荷作用下，活動(dòng)椅面座椅的椅面變形量稍大于傳統(tǒng)的固定式座椅，承載性能稍有降低。在卸載后，活動(dòng)椅面座椅樣機(jī)骨架無開裂現(xiàn)象，膠黏劑無開縫和錯(cuò)位，椅面變形量小于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(1 mm)，因此該座椅滿足使用要求。

5 結(jié)束語

上文以南寧5號(hào)線全自動(dòng)駕駛地鐵項(xiàng)目為研究背景，介紹了一種新型不銹鋼活動(dòng)椅面座椅的設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)介紹了其旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和防水結(jié)構(gòu)。通過樣機(jī)試制驗(yàn)證了座椅結(jié)構(gòu)的可行性，并與固定式座椅的承載性能進(jìn)行了對(duì)比。經(jīng)過分析，這種活動(dòng)椅面座椅可以滿足南寧5號(hào)線項(xiàng)目的要求，同時(shí)也對(duì)今后同類型項(xiàng)目的座椅設(shè)計(jì)具有積極的參考意義。