基于标准的AZ31B镁合金座椅载荷及安装强度分析

于春洋,程亚军,薛宁鑫,姜春龙

(中车长春轨道客车股份有限公司 国家轨道客车系统集成工程技术研究中心,吉林 长春 130062)

随着上海轨道交通“三个1 000公里”、成都“2022年全面建成智慧交通体系”等城市轨道交通规划的出台,轨道交通公交化运营成为未来发展的新趋势。乘坐轨道交通出行时,乘客主要以座椅为活动中心,座椅的安全性与舒适性直接影响公众对轨道交通工具的评价。贾旭等[1]对动车组座椅腿开裂现象进行了普查,同时开展了静强度、耐久性测试、盐雾试验等性能分析与模拟试验。分析表明,座椅腿的开裂是清洗剂导致的高强度铝合金腐蚀开裂,对座椅腿实施喷塑处理可解决腐蚀问题。刘客等[2]对地铁座椅骨架的强度进行仿真分析及结构优化,优化后座椅骨架的强度满足要求并且质量减少30%。赵慧等[3]、张丽博等[4]从舒适性、耐火性等方面入手,对动车组座椅进行了评估和优化,优化后动车组座椅的各项指标均满足标准要求。本文依据轨道车辆座椅强度的相关标准,对座椅载荷进行了归纳总结。以一种AZ31B镁合金座椅为研究对象,分析不同座椅载荷对安装强度的影响。

1 座椅结构介绍

AZ31B镁合金是一种轻质金属材料,其密度为1.8×103kg/m3,约为钢材的0.23倍。弹性模量为45 GPa,泊松比为0.35,屈服强度为220 MPa。镁合金在比强度、延伸率等方面的优良性能使其在座椅减重领域发挥重要作用[5]。座椅结构示意图见图1。座椅骨架、座椅腿材质为AZ31B镁合金,座椅面为玻璃钢材质,座椅面与座椅骨架通过黏接的方式连接。

图1 座椅结构示意图

座椅安装结构局部示意图见图2。客室地板设有座椅安装座,安装座与客室地板通过焊接方式固结。每个座椅腿与安装座由两个M10 mm×25 mm规格的A4-80材质螺栓连接。安装中心距为135 mm,拧紧力矩为29 N·m。安装座椅时,首先将座椅定位板嵌入坐椅腿内部,再将座椅整体嵌入座椅安装座, 利用固结螺栓连接座椅整体与车体,最后安装座椅侧板,保证座椅安装结构的美观性。座椅整体均布于客室内部。

图2 座椅安装结构局部示意图

2 座椅载荷分析

2.1 座椅静载荷

国内外研究机构对轨道车辆座椅的载荷均进行了研究,并形成了NF F 31—119[6]、TB/T 3236—2011[7]、JIS E 7104—2002[8]、UIC 566—1990[9]标准。各标准规定了座椅在座位、靠背、扶手、桌台等位置的载荷大小及加载面积或加载位置。座椅载荷的加载位置及载荷代号见图3。

图3 座椅加载示意图

本文对上述标准的静载荷进行分类统计,统计结果见表1。从载荷类型方面看,NF F 31—119标准载荷种类最多,有15种载荷类型;TB/T 3263—2011标准和JIS E 7104—2002标准载荷种类均为9种;UIC 566—1990标准仅有5种载荷类型。NF F 31—119标准的载荷类型最全面。座椅座位边缘、调整手柄、小腿靠位置的载荷是NF F 31—119标准独有的,其他标准没有对上述位置做出载荷规定。部分载荷类型由2～3个标准共有,如后部脚踏载荷、桌台载荷。从载荷大小方面看,各标准在座椅座位、扶手位置的载荷大小较为接近。在靠背、头靠、扶手桌台、后部脚踏位置的载荷有较大的差异性,上述4类载荷的最大值与最小值的倍数关系为3.06、3.06、6.00、2.04。从载荷加载位置看,TB/T 3263—2011标准和UIC 566—1990标准对个别载荷给出了具体的加载面积,其他载荷的加载位置则以区域位置的形式给出。

表1 各标准静载荷大小及加载位置

续表

NF F 31—119标准将座椅分为三类,包括承受乘客站立等载荷的高负荷Ⅰ型座椅、承受过道乘客扶持等载荷的中负荷Ⅱ型座椅、城市干线车的Ⅲ型舒适座椅。该标准的附录A针对不同类型的座椅给出了具体的静载荷组合方式,其他标准没有对静载荷的组合方式做出规定。

2.2 座椅疲劳载荷

为考察座椅的耐久性,NF F 31—119标准、TB/T 3263—2011标准、JIS E 7104—2002标准给出了座椅的疲劳载荷。NF F 31—119标准的载荷数值最大,在头靠、座位位置的载荷分别是其他标准的1.22倍、2.04倍。上述3个标准的疲劳载荷循环次数均为10万次。NF F 31—119标准和TB/T 3263—2011标准同时给出了座椅功能性结构的疲劳性能测试准则,其中TB/T 3263—2011标准对载荷次数的测试更为苛刻。表2给出了各标准疲劳载荷加载位置、载荷大小及次数的具体信息。

表2 各标准疲劳载荷加载位置、载荷大小及次数

3 座椅安装强度分析

3.1 座椅载荷工况

根据NF F 31—119标准对座椅的分类,AZ31B镁合金座椅为Ⅲ型舒适座椅。参考NF F 31—119标准的载荷组合方式、座椅结构及使用情况,对各标准的座椅静载荷进行组合,组合方式见表3。座椅在头靠、座位、靠背位置的疲劳载荷按照表3加载。

3.2 有限元模型及边界条件

本文以双排座椅为研究对象,图4为双排座椅安装强度分析的有限元模型。边界条件为在局部底架端部进行全位移约束。座椅安装强度采用VDI 2230—2014标准[10]进行校核,采用该标准校核螺栓强度时,计算所需的螺栓轴力为工作拉力而非工作总拉力,因此有限元模型中采用BEAM 188单元模拟螺栓连接,后处理时提取螺栓载荷进行安装强度校核[11]。

表3 座椅静载荷组合工况

图4 双排座椅安装强度分析有限元模型

3.3 座椅安装强度分析

根据座椅安装结构、安装工艺等因素选取计算参数。螺栓孔直径取11 mm、拧紧系数αA取1.4、传递横向力界面数qF取1、传递扭矩界面数qM取1、夹紧件总厚LK取7 mm、总嵌入量fZ取11 μm、有效扭转半径ra取8.92 mm、夹紧件界面摩擦系数μTmin取0.21、最小边缘距离DA取28 mm、最大边缘距离DA′取37 mm。

开展螺栓强度校核前,需要确认拧紧力矩是否合适。座椅的最大装配预紧力FM max、设计预紧力FM、螺栓许用预紧力FM zul应满足式(1):

FM max

(1)

上述预紧力分别根据VDI 2230—2014标准的式(R6/1)、式(127)、式(R7/2)确定。其中螺栓许用预紧力是根据螺栓最小屈服强度的90%确定的,充分发挥了螺栓材料的使用潜力。

(a)螺栓的静强度校核。在静载荷作用下螺栓的静强度需满足式(2):

SF=RP 0.2 min/σZ max≥1.0

(2)

螺栓的最大应力与屈服强度的比值不小于1.0。螺栓的最大应力根据VDI 2230—2014标准的式(R8/1)～式(R8/4)计算。

(b)螺栓的疲劳强度校核。VDI 2230—2014标准中式(R9/5)给出了不少于200万次载荷作用下螺栓的疲劳强度许用值。座椅在头靠、座位、靠背位置的疲劳载荷均为10万次,因此需要根据VDI 2230—2014标准中式(R9/6)对螺栓的疲劳强度许用值进行修正。螺栓的疲劳强度应满足式(3):

SD=σAS/σa/ab≥1.0

(3)

在动态载荷作用下,螺栓的应力变化应小于螺栓的疲劳强度许用值。标准推荐螺栓的疲劳强度安全系数不小于1.2。

(c)螺栓抗滑移及抗剪强度校核。在外载荷作用下,螺栓的残余预紧力应保证被夹紧件不发生分离,确保螺栓连接可靠。最小残余预紧力与被夹紧件不发生分离,最小载荷的比值SG应大于1.0,VDI 2230—2014标准推荐抗滑移系数SG不小于1.2。螺栓在横向载荷作用下,还要具备一定的抗剪能力。抗剪安全系数SA为螺栓的许用剪切强度与最大剪切应力的比值,VDI 2230—2014标准推荐抗剪安全系数不小于1.1。

SG=FKR min/FKQ erf>1.0

(4)

SA=τB/τQ max≥1.1

(5)

经计算,双排座椅联接螺栓的各项安全系数均大于VDI 2230—2014标准的推荐值且有较大安全余量,满足标准设计要求。座椅安装强度校核结果见表4。不同标准的座椅静载荷虽有较大差异,但所有工况下螺栓连接的最小静强度安全系数为2.01～2.10,座椅静载荷对螺栓的静强度安全系数影响较小。B3、H1、H2工况最小抗滑移系数、抗剪切系数分别为30、421,其余工况的最小抗滑移系数、抗剪切系数分别为237、4 637。B3、H1、H2工况均为横向载荷工况,可使座椅产生横向力及翻转力矩,对座椅的抗滑移系数、抗剪切系数影响较大。其余载荷主要为垂向载荷或等大反向的组合载荷,对座椅的抗滑移系数、抗剪切系数影响很小。座椅螺栓疲劳强度安全系数最小为179.2,为NF F 31—119标准的疲劳工况,该标准的疲劳载荷也是最大的。

表4 座椅安装强度校核结果

4 结论

本文对国内外轨道车辆座椅载荷的相关标准进行了研究,并根据标准对双排座椅的安装强度进行了分析,得到以下结论:

(1)NF F 31—119标准的静载荷类型为15种,TB/T 3236—2011标准、JIS E 7104—2002标准为9种,UIC 566—1990标准仅为5种。NF F 31—119标准的载荷类型最为全面。

(2)各标准在座椅座位、扶手位置的静载荷大小较为接近。其余位置静载荷有较大的差异性,其扶手桌台载荷的最大值与最小值的倍数关系为6.00,最大值为NF F 31—119中标准所规定的值。

(3)对于疲劳载荷,NF F 31—119标准的疲劳载荷最大,在头靠、座位位置的载荷分别是其他标准的1.22倍、2.04倍。对于座椅功能性结构的疲劳性能测试,TB/T 3263—2011标准对载荷次数的要求更为苛刻。

(4)座椅的安装强度满足VDI 2230—2014标准要求且安全余量较大。所有工况下静强度安全系数为2.01～2.10;对于包含横向载荷B3、H1、H2的工况,抗滑移系数、抗剪切系数最小分别为30、421,其余工况对应系数分别为237、4637。座椅载荷对静强度安全系数影响较小,座椅横向载荷对抗滑移系数、抗剪切系数影响较大,其余载荷对其影响较小。