可自动旋转的新型高铁座椅设计研究

李佳泓，王晓琳

(绵阳城市学院，四川 绵阳 621000)

1 国内外现状

在1964年日本出现了第一条高速铁路[1]，其次是法国、德国、意大利等国家。随着时代的发展，环境问题的日趋严峻，世界各国对于高速铁路的需求愈加趋大[2]。中国虽然相比较晚，但是目前来说中国高铁也名列前茅，需求量也是日渐增加。(图1)由于高铁具有输送能力大、速度快、安全性好、受气候变化影响小、能源消耗低、环境影响轻等诸多优势[3]，近几年以来，美国、俄罗斯、巴西等国纷纷制订了规模空前的高速铁路发展计划。即便是法国等“老牌高铁国家”也相继表示，将延长高铁里程、提升高铁品质[4]。预计未来的10年，全球高铁里程将至少增加一倍，全球正步入高速铁路发展的黄金年代[5]。

因此在目前自动化、机械化逐步向普遍性发展的趋势。对于人工繁琐的工作而言，实现自动化、机械化是一个节约人力、提高效率的一件事。高铁因为要进行换向行驶的原因，会进行一个方位上的一个转变。但是对于一辆高铁而言，需要将车厢内几十个座椅位置进行高效的换向是一件很繁琐的事情。目前国内外对于高铁座椅自动旋转的研究已经有了一些成果，一些人士已经对于自动旋转高铁座椅发表了相关的专利。例如：汤秀华发明的高铁或动车座椅用电动旋转台(专利号CN202021559464.3)、谢建英发明的一种高铁用可自动旋转的座椅(专利号CN2019210730583)。对于这两个现有的专利，其主要研究单一侧重如何进行旋转、单个座椅旋转及外观设计等方面，并不能够很好的、有效的去使用到目前的高铁座椅上去，因为据大家所知，高铁座椅至少都是以两个位置为一体的设计，因此需要突破即应该涉及到多排座椅的旋转。才能够符合目前高铁座椅的设计需求。

图1 2011-2019年中国铁路及高铁营运里程

2 可自动旋转的新型高铁座椅设计研究背景

中国内陆面积宽广，人口众多，幅员辽阔，经济发展与联系的跨度较大，铁路作为一种重要的基础设施，最为显著的特点就是运载量大、运行成本低、耗能少。对于大流量、长距离的客货运输有着绝对优势，也在大流量、高密度的城市中和短途旅客运输中具有强大的竞争力[6]。

我国高铁已经成为我国发展、我国成就、我国价值的一张独特靓丽的“名片”[7]，在各大城市承载了极高的客流量(图2)，相应的人们对高铁的服务质量要求也越来越高。据目前调查研究发现客流量的增加也使铁路班次增多，与之矛盾的在于没有过量的车辆数来提供相应的服务。再加上每天的车辆行驶路线客流量和往返量是不同的，因此每条路线上所需要的车辆数和同一条线路往返量数也是有差异的，如果说单纯的去增加车的数量是不现实的，其中经济问题以及路线容量问题是必不可少的。所以对于在同一个时间空间内反向客流量不断增加，正向车次就需要进行一个换向。对于高铁车辆本身而言在设计的时候设计师已经考虑到了车辆会为了高频率的、高效的使用，已经解决了车辆反向行驶的问题。因此车子正反两边都分别有驾驶舱可以进行行驶。所以只需要对于车上乘车人的乘坐方位进行一个改变就可以了。有人会说倒着走其实也是可以的、人可以接受，但是如果说车上的人员一直以同样的方式来坐，反向的时候就将给人带来不舒服的感觉特别是长途而言。所以在反向的时候座椅也要进行一个换向。

图2 部分大城市高铁通流度与连通度

目前具有的转向方式就是通过人工的一个加持，在座椅侧方有一个按钮，人通过踩住按钮依靠上半身的力量用双手旋转座椅来达到座椅旋转。由于调节的空间有限，再加上乘客的身形的不同，因此坐座位时就会对座椅的靠背进行一个调整，所以在旋转座椅的时候对于部分座椅靠背较倾斜的来说需要在进行旋转座椅动作前进行座椅靠背的一个调整动作，待座椅靠背都调整为最初始状态之后再完成座椅的一个旋转。这无疑不是一个既消耗人力又耗时的一项工作。再来对于座椅而言夹缝中难免都会有灰尘需定期清洁以及座椅底部旋转装置也需要进行一个定期的维护，这也是一个又耗时又耗力的工作。

经调查研究发现，目前市场上能够有效实现自动旋转，并使座椅旋转后支撑架仍良好的契合，且综合自动清理、自动维护、防震减震功能的座椅方面的研究较少。且现有的自动旋转的高铁座椅，在座椅与旋转后的支撑架契合度较低，在高铁行驶时或人体运动时容易产生晃动，影响乘坐舒适度。因此基于解决以上实际问题和大幅提高列车座椅清洁服务效率，有效提高服务员工作便利度，利用自动旋转座椅与旋转后的支撑架高效契合技术，解决高铁行驶时或人体运动时容易产生晃动的问题，设置气缸、活塞杆并对座椅底部设置清理刷及放置槽，可实现自动清理与维护，设置限位块、弹簧及减震组件等起到防震减震作用，提高乘客舒适性，降低安全隐患、维护成本，提升整体服务水平。

3 设计研究

3.1 座椅连接结构

可自动旅转的高铁座椅，通过气缸与架体固定连接，活塞杆与气缸固定连接，连接板与活塞杆固定连接，第一电机与连接板固定连接，座椅与第一电机固定连接，外筒与架体固定连接，弹簧与外筒固定连接，内筒与弹簧固定连接，内筒与外筒滑动连接，固定柱与座椅固定连接，固定柱与内筒的固定槽滑动连接，软垫与座椅固定连接，连接环与第一电机固定连接，第二电机与连接环固定连接，转动轴与第二电机固定连接，清理刷与转动轴固定连接，气缸驱动活塞杆缩短带动座椅上的固定柱与固定槽[8]。

图3 自动旋转的高铁座椅侧背方向结构示意图

3.2 自动旋转和清洁

对可自动旋转的新型高铁座椅设计，是在目前相关研究基础上进行改进，将原有的单排座椅变换为多座联排座椅的自动旋转。与常规的自动旋转座椅相比，其底部外筒内的弹簧对内筒向上的压力，使得固定柱与内筒上的固定槽连接更紧密，座椅旋转完毕，三个所述软垫将座椅分为三个座位，可提供三个乘客乘坐，形成与现有高铁座椅座位数相似的联排座椅[9]。在自动旋转的同时并完成自动清洁维护功能。在座椅自动旋转时，第二电机驱动转动轴转动，清理刷跟随转动轴转动，座椅旋转完毕的同时，清理刷对内筒表面清理完毕，解决了座椅在乘客乘坐期间所携带的东西、食用的食物残渣或灰尘容易从座椅之间的落至难以清理的内筒表面，对内筒造成污染的问题。

3.3 减震功能

高铁在行驶过程中会存在一些不可避免的颠簸和轻微晃动。为了提高乘客乘坐的舒适性，在座位设计方面还考虑到了减震的问题。在座椅的内筒下有若干弹簧来吸收压力进行减震，保证所座椅在乘坐时的平稳性[10]，座椅上方的软垫座椅晃动时也会起一定的减震效果，以此来解决自动旋转的高铁座椅与支撑架的契合度较低容易产生晃动的问题，提高乘坐舒适度。

图4 座椅下部构造图

3.4 座椅主要工作原理

列车到站后换向时可通过列车中控或者车厢控制按键对座椅自动转动装置进行启动，随后座椅底部的装置将随着电机上升，气缸驱动活塞杆及电机等结构上升，至座椅的固定柱滑出内筒上的固定槽。清洁刷随着底部装置的上升放置在槽外，自动旋转工作就准备完成了。之后由主电机驱动座椅旋转180°，从动第二电机带动清洁刷同时进行内筒的清洁工作。完成之后气缸驱动电机等装置下降，清洁刷放回槽内，外筒内的弹簧给内筒弹簧一个向上的压力，使得固定柱与内筒上的固定槽连接更加紧密。

图5 座椅主要工作原理简单流程图

3.5 座椅目前研究进程

对于可自动旋转高铁座椅的研究主要获得了实用性新型专利授权，并且在四川省大学生学科专业科技竞赛中获得了奖项。当前正在申报2022年大学生创新创业训练项目，进一步开展产品实验与检测工作，同时也涉及高铁座椅相关系列产品的研究设计。

4 发展前景

近几年随着中国高铁营运里程的数量不断增加，客运量加大，中国铁路动车组的数量也显著上升。因高铁载客量大、时速高、不受雨雾天气影响、绿色节能，所以高铁的需求量呈上升趋势，故而对高铁座椅的需求量也比较可观。依据《2020-2026年中国高铁座椅行业全面调研与发展趋势预测报告》级“十四五”规划，未来我国的高铁座椅行业将总体保持相对稳定的增长态势，预计到2025年，高铁网规模网实现3.8万里公里，根据中国铁道建筑报数据统计，2020-2025年动车组列车需求量逐年上涨。高铁座椅需求预测将新增一等座182 000座、二等座349 700座、商务座6 500座。可自动旋转高铁座椅与现有的座椅相比，实现了多座联排自动旋转、高契合度底部连接减震、自动清洁维护功能，座椅使用寿命上更长，维修费用也较低。经调查研究，目前市面上没有类似产品，因此发展前景较为良好。