轨道车辆座椅裂纹分析及改善措施仿真研究

2022-03-09郑晓倩王世博杜彦品

铁道车辆 2022年1期

郑晓倩，王世博，杜彦品

(中车南京浦镇车辆有限公司，江苏南京 210031)

1 客室座椅分类

根据轨道车辆布置方式不同，客室座椅一般分为纵向布置座椅和横向布置座椅，如图1所示，国内城市的轨道车辆为保证其载客量的最大化[1]，客室座椅一般沿车体侧墙纵向布置。纵向布置座椅为一个整体结构，主要由椅面、骨架、端板等部分组成。横向布置座椅因其方式新颖，且能够转变为纵向布置座椅，也越来越受到业主的欢迎。

图1 纵向布置座椅及横向布置座椅分布示意图

根据座椅的安装方式分类，可以分为落地式座椅和悬臂式座椅。另外，作为对座椅功能性的延伸，北方或者沿海城市的轨道车辆中，客室座椅下安装了电加热器。悬臂式座椅的座椅骨架一般采用铝合金焊接结构，与车体侧墙通过螺栓连接，焊接牢固可靠，具有质量轻、耐用的特点，座椅面罩与座椅骨架之间通过螺栓连接，上部靠背通过背卡与座椅骨架连接，座椅下空间开阔便于打扫。

2 客室座椅裂纹

2.1 客室座椅布置

客室座椅的设计应符合人体工程学并体现现代气息[2]，某轨道车辆客室座椅布置有双人横排座椅、单人纵排座椅、双人纵排座椅、三人纵排座椅、四人纵排座椅、五人纵排座椅，如图2所示。

图2 客室座椅布置图

双人横排座椅、双人纵排座椅、三人纵排座椅、四人纵排座椅、五人纵排座椅整体成型，椅面采用玻璃钢材料，具有耐涂性、耐刻划、易于保养和清洁的特点。

2.2 客室座椅裂纹统计

地铁上线运行一段时间后，在日常例行检查时，发现客室座椅出现多处裂纹，如图3所示，针对客室座椅裂纹现象，随机抽取两列车进行统计，数据见表1。

图3 客室座椅裂纹示意图

表1 客室座椅裂纹统计表

从表1中可以看出，出现裂纹的以纵排客室座椅偏多。

经过随车调查统计发现，客室座椅裂纹位置绝大部分位于座椅面罩的中前位置，如图4所示。

图4 座椅裂纹区域位置

3 客室座椅裂纹原因分析

3.1 轨道车辆运行情况

某轨道车辆设计的运营速度为120 km/h，一般轨道车辆的运营速度为80 km/h，速度的增加势必会产生高频率的振动，并且该轨道车辆项目中座椅的安装结构上未做相应的减振措施。车辆在实际运行过程当中产生的振动颠簸力作用到座椅骨架上，再传递到座椅面罩的安装连接点处，在人员乘坐加载的情况下，座椅面罩产生长时间、不间断的振动与疲劳，座椅底部的安装件与座椅面罩之间形成剪切力，玻璃钢经此剪切、疲劳的作用，易产生裂纹。

3.2 客室座椅切割检查

随机抽取某轨道车辆有裂纹的座椅面罩，切割后发现，个别切割位置存在气孔现象，该缺陷若处于连接、受力处，会导致局部位置强度降低，在受力情况下易产生裂纹或炸纹现象。

3.3 座椅裂纹原因分析

根据上述情况分析可得出该轨道车辆运行的复杂路况产生了较大的振动及颠簸，将产生的力作用到了座椅底部的安装件与座椅面罩之间，形成剪切与疲劳作用；同时，在制造过程中辊压不实，局部个别位置产生气孔，均可导致车辆运行一段时间后，座椅产生裂纹现象。

4 客室座椅裂纹改善措施及仿真分析

4.1 座椅裂纹改善措施

为了有效地改善座椅裂纹产生，经过分析后，使用增加弹性连接的方式来降低座椅应力集中。

4.1.1 纵排三人、四人、五人座椅改善措施

在座椅面前端与座椅骨架连接处增加厚度为4 mm、邵氏硬度为60的橡胶垫，以便分散局部的应力集中，如图5所示。

图5 增加橡胶垫示意图

4.1.2 单人纵排、双人纵排座椅改善措施

在座椅安装座与座椅安装梁之间增加厚度为4 mm、邵氏硬度为60的橡胶垫，如图6所示。

图6 增加橡胶垫示意图

4.1.3 双人横排座椅改善措施

在座椅骨架与座椅安装梁之间增加厚度为4 mm、邵氏硬度为60的橡胶垫，如图7所示。

图7 增加橡胶垫示意图

4.2 座椅裂纹改善措施仿真分析

选取双人座椅及三人座椅作为研究对象，使用Abaqus软件对于座椅裂纹改善措施进行仿真分析。

4.2.1 座椅模型建立

由于玻璃钢的参数很难获得，定量分析无法实现，因此本次分析为定性对比分析。其中橡胶垫的材质为橡胶材料EPDM。由于橡胶材料的参数极其复杂，如需得到更准确的数值，需要针对橡胶垫分别进行单轴拉伸试验、双轴拉伸试验和平面剪切试验[3]。在此次仿真分析过程中，所使用的橡胶模型为Mooney-Rivlin本构模型。轨道车辆双人座椅及三人座椅的座椅面罩及座椅骨架有限元模型如图8所示。