一种新型商务座椅结构及布置

2021-08-30万志华王伯春刘慧屏司志强

铁道车辆 2021年4期

万志华，王伯春，刘慧屏，周强，司志强

(中车唐山机车车辆有限公司产品研发中心，河北唐山 063035)

高速动车组作为快速铁路客运网络的主力车型，以其高效、快速、舒适的特点被越来越多的人所关注。由于长交路的存在,动车组运营时间有的需要10 h左右,容易造成乘客旅途疲劳。商务座椅可坐可躺，一定程度上能缓解乘客长途旅行的疲劳，具有一定的市场需求。

现有开行动车组大多车厢为二等座车，“复兴号”动车组仅在头车观光区有3个单人商务座椅和1个双人商务座椅，“和谐号”长编动车组仅在头车客室设置3个单人商务座椅和4个双人商务座椅，观光区设2个单人商务座椅，商务座椅占整车定员比例均不足5%，而且票价相对二等座高出数倍。因此，从市场需求看，急需一种大定员、舒适性高、私密性好、经济型的商务座椅来满足乘客日益增长的旅行需求。

1 新型商务座椅方案设计

国内现有动车组的商务座椅形式基本上是一致的，舒适的软垫外包宽大的私密罩，私密罩为睡眠乘客的肩膀区域提供凹形空间，通过电机驱动实现坐卧躺功能转换(图1)。商务座椅可180°旋转，座椅上设置餐桌板、杂志袋、视频影音系统、阅读灯等。商务座椅分为单人和双人2种，客室布置每排最多可容纳3人乘坐。

图1 现有商务座椅及布置

现有商务座椅躺姿状态下乘客可整个身体都在椅面上，躺姿状态座椅全长1 890 mm，考虑座椅躺姿状态不能与前排座椅发生接触，前后排座椅布置现车间距为1 980 mm，如此大的间距限制了列车定员的增加。由于餐桌板及视频设备均安装在商务座椅扶手内，就餐或观看视频均需要打开扶手取出餐桌板或视频设备，一定程度上增加了操作复杂性和乘客挤手的风险，也增加了零部件损坏概率，此外，餐桌板和视频设备需放在乘客胸腹前，一定程度上限制了乘客的腰部活动空间，使得餐桌板和视频影音系统的功能不能最大限度的发挥。双人商务座椅靠侧墙侧座位上的旅客如离开座位需要过道侧旅客让开，会影响过道侧乘客休息及其私密性。

新型商务座椅能在坐姿与躺姿间自由切换，且可以在任意角度锁定；座椅上设有桌箱、插座、杂志袋、视频设备、小储物盒等设施；座椅采用交错布置，每个坐席空间独立(图2)。

图2 新型商务座椅及布置

新型商务座椅每个座椅占用一排空间，座位和桌箱一体，桌箱尺寸不需要太宽，且扶手内不需要设置电视及餐桌板，增加了座宽尺寸，乘坐空间大，座椅具有全自动坐姿调节系统以及配套视频影音系统。座位旁边桌箱下部为脚窝，上部为小桌，用于就餐、放置水杯等小物品，桌箱上设置小储物盒，用于小物品的临时存放。该种商务座椅躺姿的实现需要满足后排座位正对着前排脚窝，门口端部区域受门开度的影响，此排座椅不设置脚窝，设置面向客室的固定式座椅，躺姿通过后排座位对接前排座位实现。这种交替座椅布置方案打破了传统座椅布置方式，是座椅布置的一种创新。

2 商务座椅方案分析评估

2.1 人机工程学分析

新型商务座椅设计从座宽、座高、座深、脚窝尺寸、躺姿角度、储物盒设置、扶手设置、头靠位置、灯的照度等诸多方面进行了人机工程学设计[1]。

新型动车组商务座椅布置方案需考虑座椅伸展开后后排坐垫不能与前排座椅桌箱下部的脚窝干涉，且有效衔接，按照GB 10000—1988《中国成年人人体尺寸》的要求，以成年男性99百分位为依据，身高为1 814 mm，考虑6 mm修正量后身高为1 820 mm，躺姿状态头部和脚部与座椅各留20 mm间距，座椅私密罩造型厚度40 mm，脚窝厚度25 mm,计算得出前排座椅最前端到后排座椅最后端尺寸为1 925 mm，减去一个座椅前端到后端尺寸780 mm，得出前后排座椅间距1 145 mm。可见，相对现有商务座椅间距的1 980 mm，节省了大量空间，可增加座椅排数。

2.2 舒适性、私密性分析

新型商务座椅可坐可躺，可为乘客提供全方位视听享受及舒适的乘坐环境，满足不同乘客的乘坐需求，体现了以人为本的设计理念。桌箱方便乘客存放一些小物品，体现了人性化需求。新型商务座椅的设计，打破了铁路客车商务座椅的传统设计理念，可进一步推动铁路客室内饰部件的发展。

无论坐姿躺姿，每个乘客单独占用一排空间，乘坐空间加大，出入座位自由，且不影响旁边乘客，从心理上保护了乘客私密性。

2.3 列车定员分析

新型商务座椅布置方式增加了列车定员，以头车为例，不包含观光区及端部设施尺寸，客室8.94 m长度为商务座椅布置空间，布置现有商务座椅定员11人，布置新型商务座椅定员14人。标准动车组车长25 m，客室区域长18.22 m，布置现有商务座椅定员23人，布置新型商务座椅定员30人。可见，采用新型商务座椅，在提高乘坐舒适性、私密性的基础上，可较大提高运能及经济效益，节约运行成本及能耗。

2.4 材料及结构分析

商务座椅包括私密罩、桌箱、座椅骨架、底座、外包覆以及座椅附件。

2.4.1 私密罩

私密罩为商务座椅外壳，使用新型的碳纤维材料。碳纤维是一种含碳量95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料，密度是钢铁的1/4，强度高于钢铁，具有耐腐蚀、高模量、防火等级高的优异特性[2]，高性能的碳纤维是航空航天、能源和石化等重大工程必不可少的关键材料，目前已经在航空航天、风电、油气、体育休闲等各领域得到了广泛的应用。目前，随着碳纤维成本的降低，碳纤维的应用领域有了进一步扩大[3],已开始应用到高速动车组上。

2.4.2 桌箱

桌箱为ABS树脂成型。ABS树脂是将PB、PAN、PS的各种性能有机地统一起来，兼具韧、硬、刚相均衡的优良力学性能，具有优良的综合物理和机械性能及较好的低温抗冲击性能，且尺寸稳定性、耐磨性、抗化学药品性、染色性、成品加工及机械加工性较好。桌箱为书报夹、阅读灯、控制面板、视频影音系统、抽屉式小桌板提供安装接口，同时提供桌面、储物箱、脚窝脚踏等空间。

2.4.3 座椅骨架

座椅骨架为铝合金材料，为座椅承重和动作部件。座椅骨架由坐垫、靠背和主体机构组成，骨架主体通过底盘与底座连接，并连接座椅靠背和坐垫，是靠背和坐垫的动作机构。骨架主体集成滑轨，通过机械结构实现座椅靠背下移与坐垫一起沿滑轨滑动。骨架上安装MCU电机，控制座椅动作，实现坐姿躺姿变换、腰靠角度调节等功能。

2.4.4 底座

座椅底座承接座椅与车体地板连接，连接稳固与否直接影响座椅的旋转及姿势变换的平稳性。底座通过8个M10螺栓连接在地板上，底座上需开孔，用于列车为座椅配电需求。底座与座椅骨架间靠旋转机构连接，通过轴承旋转。

2.4.5 外包覆

座椅外包覆包括坐垫、靠背、头枕、脚垫等。外包覆通过尼龙搭扣固定在座椅主体骨架上，内部为发泡材料，表面缝合真皮。发泡采用分层结构，确保硬度及舒适性。发泡和面料需满足防火及环保要求。

2.4.6 座椅附件

座椅附件包括视频影音系统、阅读灯、书报网、衣帽钩等。书报网、阅读灯均安装在桌箱上，视频影音系统、插座、衣帽钩、抽屉式小桌板设置在座椅私密罩后部。

3 商务座椅方案验证

对商务座椅模型通过网格建模进行有限元分析。商务座椅所用材料的物理属性如表1。

表1 商务座椅所用材料的物理属性

商务座椅模型网格尺寸为3～6 mm，网格总数量约为260×104，网格分布如图3所示。

图3 商务座椅模型网格分布

3.1 模态分析

约束底座4个安装孔，中心6个自由度为边界条件，计算了座椅的8阶模态。结果显示：一阶模态频率最低，坐姿为17.8 Hz，躺姿为20.4 Hz。一阶模态振型见图4。

3.2 振动强度分析

根据TB/T 3451—2016《动车组车体结构强度设计及试验》，振动强度分析时，向列车车长X方向施加3g加速度，车宽Y方向施加1g加速度，车高Z方向施加1.5g加速度。为验证更恶劣工况下座椅的振动强度，分别将向三方向施加的加速度增大到5g、3g、3g，具体方向如图5所示。

根据TB/T 3451—2016，三方向载荷单独施加。三方向加载应力及变形云图分别如图6、图7所示。计算结果显示：X方向最大应力为147.2 MPa,最大变形量为5.440 mm；Y方向最大应力为122.5 MPa,最大变形量为3.247 mm；Z方向最大应力为40.89 MPa,最大变形量为2.668 mm。