應(yīng)用于高鐵座椅的疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)研究與開發(fā)

王朝杰，楊峰

（1.天津航天瑞萊科技有限公司，天津300222；2.北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京100068）

應(yīng)用于高鐵座椅的疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)研究與開發(fā)

王朝杰1，2，楊峰1，2

（1.天津航天瑞萊科技有限公司，天津300222；2.北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京100068）

提出了一種用于解決類似高鐵座椅結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)作壽命疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在常規(guī)疲勞機(jī)的基礎(chǔ)上根據(jù)運(yùn)動(dòng)部件的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)不同的動(dòng)力源并實(shí)現(xiàn)閉環(huán)高精度控制。根據(jù)研究與設(shè)計(jì)最終開發(fā)了一套設(shè)備，并成功應(yīng)用于某型高鐵座椅的靜力疲勞試驗(yàn)考核，彌補(bǔ)了該項(xiàng)試驗(yàn)裝備的空白。

高鐵座椅；動(dòng)作壽命；疲勞

結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度疲勞描述的是材料、零件和構(gòu)件在循環(huán)加載條件下，某點(diǎn)或某些點(diǎn)產(chǎn)生局部的永久性損傷。一般機(jī)械機(jī)構(gòu)和結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)部件在工作過程中也有疲勞，疲勞問題直接影響到機(jī)械部件的壽命[1]。動(dòng)作壽命疲勞試驗(yàn)就是考核運(yùn)動(dòng)部件循環(huán)完成某個(gè)動(dòng)作的疲勞試驗(yàn)方法，運(yùn)動(dòng)部件作為產(chǎn)品系統(tǒng)的一部分是要執(zhí)行某個(gè)特定的動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的功能，這個(gè)過程中運(yùn)動(dòng)部件會(huì)有自己的動(dòng)作和軌跡，根據(jù)產(chǎn)品功能的多樣化，運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)作也會(huì)表現(xiàn)出各種運(yùn)動(dòng)形式。目前，現(xiàn)有疲勞設(shè)備如萬能疲勞機(jī)多是針對(duì)材料或小樣標(biāo)準(zhǔn)件來設(shè)計(jì)，要對(duì)不同運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)作壽命考核，就需要有一套通用性強(qiáng)的疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)來滿足各種不同運(yùn)動(dòng)和動(dòng)作的需求。

目前在軌道交通以及汽車行業(yè)，對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的疲勞壽命試驗(yàn)都有著廣泛的需求[2-3]，包括座椅、艙門等內(nèi)外飾部件在壽命周期內(nèi)須經(jīng)歷上萬次、多個(gè)動(dòng)作如旋轉(zhuǎn)、收起、展開、按鈕、開關(guān)等機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的經(jīng)歷，在研制階段很有必要進(jìn)行疲勞考核。但尚沒有通用性的設(shè)備能夠直接對(duì)大多數(shù)運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)作壽命進(jìn)行考核，并且傳統(tǒng)的疲勞試驗(yàn)方法只能解決材料的強(qiáng)度疲勞和極少部分類似的動(dòng)作壽命問題。對(duì)于一般性的疲勞動(dòng)作壽命問題，也只能部分借助于先進(jìn)的機(jī)器人設(shè)備。但是機(jī)器人設(shè)備的成本投入較大，工作效率低下，并且也很難實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)動(dòng)作壽命的并行實(shí)施。

1　需求分析

由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的不同，疲勞動(dòng)作可能表現(xiàn)出各種不同的動(dòng)作形態(tài)。下面以座椅為例，描述各類型的疲勞動(dòng)作。直線運(yùn)動(dòng)的典型案例如小車座椅在滑槽內(nèi)前后的滑動(dòng)，以調(diào)整司機(jī)與方向盤之間的距離；繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的典型案例如列車座椅繞轉(zhuǎn)動(dòng)軸心360°的旋轉(zhuǎn)，以根據(jù)列車的行駛方向調(diào)整旅客座椅的朝向；座椅后背式餐桌的繞軸運(yùn)動(dòng)，以繞軸旋轉(zhuǎn)餐桌板來實(shí)現(xiàn)餐桌板的打開和折起功能等等。

運(yùn)動(dòng)部件動(dòng)作壽命疲勞試驗(yàn)問題的種類繁多，但各類型運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)作基本可以總結(jié)為以下幾種運(yùn)動(dòng)類型：往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)、繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)、按鈕動(dòng)作、開關(guān)動(dòng)作、彎曲動(dòng)作等，以及它們的組合運(yùn)動(dòng)。根據(jù)產(chǎn)品的功能以及運(yùn)動(dòng)類型的不同，產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)部件在動(dòng)作壽命疲勞試驗(yàn)過程中也會(huì)表現(xiàn)出各種不同的壽命問題，包括結(jié)構(gòu)的破損、性能的衰減和功能的失效等。通過以上分析，針對(duì)高鐵座椅進(jìn)行試驗(yàn)系統(tǒng)。

2　疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高鐵座椅的疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路：平臺(tái)化、模塊化、通用化。

（1）平臺(tái)化。系統(tǒng)的能夠?qū)崿F(xiàn)高鐵座椅的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)、繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)、按鈕動(dòng)作、開關(guān)動(dòng)作、彎曲扽功能動(dòng)作的平臺(tái)。

（2）模塊化。安裝平臺(tái)、加載系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、安全防護(hù)系統(tǒng)等采用模塊化設(shè)計(jì)思路，便于操作和后續(xù)改進(jìn)。

（3）通用化。除高鐵座椅外，系統(tǒng)針對(duì)外觀尺寸長(zhǎng)度不超過1 200 mm，加載力不超過10 kN的各類零部件的各種直線動(dòng)作、繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)及組合動(dòng)作等均能夠通用。

2.1系統(tǒng)的構(gòu)成

完整的動(dòng)作壽命疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括四個(gè)功能模塊，分別是多功能的試驗(yàn)臺(tái)架模塊、動(dòng)力系統(tǒng)模塊、控制系統(tǒng)模塊、輔助系統(tǒng)模塊。以上四個(gè)模塊可以靈活的組合已實(shí)現(xiàn)疲勞試驗(yàn)任務(wù)的需求。整個(gè)疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，圖中展示了各個(gè)模塊之間的關(guān)系以及它們?cè)谡麄€(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)中的作用。

圖1　疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2系統(tǒng)的特點(diǎn)

該試驗(yàn)系統(tǒng)與常規(guī)的疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)有著較大的差別，并且各模塊可以根據(jù)需求合理的搭配組合使用。系統(tǒng)的每個(gè)模塊都有各自的特點(diǎn)和功能，以保證整個(gè)疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)的完整性。以下分別詳細(xì)介紹各模塊的功能和特點(diǎn)。

（1）平臺(tái)系統(tǒng)

作為試驗(yàn)系統(tǒng)的整體骨架，平臺(tái)系統(tǒng)直接關(guān)系整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的通用性。試驗(yàn)臺(tái)架的功能主要是為了提供空間內(nèi)任意一點(diǎn)的支撐能力，以滿足動(dòng)力系統(tǒng)的定位不確定性。同時(shí)試驗(yàn)臺(tái)架在滿足強(qiáng)度要求的情況下，還要求可以靈活地拆裝。綜合多方面因素，試驗(yàn)臺(tái)架的搭建采用了型鋼底座，以保證試驗(yàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定和強(qiáng)度；多功能鋁型材做上層骨架[4]，以保證系統(tǒng)的通用性和輕便性，同時(shí)鋁型材的多樣化搭接特性，可以為動(dòng)力系統(tǒng)提供空間任意的安裝支點(diǎn)。

（2）動(dòng)力系統(tǒng)

動(dòng)力系統(tǒng)模塊是整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的核心，由于動(dòng)作壽命疲勞試驗(yàn)的特殊性，需要將動(dòng)力系統(tǒng)的體積控制在一定的范圍內(nèi)，同時(shí)疲勞載荷量級(jí)一般不大，本系統(tǒng)采用了氣動(dòng)系統(tǒng)和電動(dòng)系統(tǒng)來提供動(dòng)力源。電動(dòng)和氣動(dòng)系統(tǒng)可以靈活安裝在試驗(yàn)臺(tái)架內(nèi)空間任意支持點(diǎn)，以保障產(chǎn)品動(dòng)作的復(fù)雜性和多樣化。

（3）控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)模塊作為本試驗(yàn)系統(tǒng)的靈魂，采用的是多功能時(shí)間繼電器的組合搭建。該控制系統(tǒng)不僅控制靈活而且成本低，最重要的是保證控制系統(tǒng)的可移植性強(qiáng)、搭建快，可以快速高效的搭建多套系統(tǒng)以滿足多項(xiàng)試驗(yàn)的同時(shí)進(jìn)行，很好地解決了PLC控制系統(tǒng)在并行工作下復(fù)雜的搭建與編程過程[5]。控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2　PLC控制帶載荷動(dòng)作方案圖

（4）輔助系統(tǒng)

要保證整個(gè)疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)能夠正常工作還需要完成輔助系統(tǒng)模塊的搭建，輔助系統(tǒng)模塊主要包括計(jì)數(shù)系統(tǒng)、直流電源系統(tǒng)、壓力穩(wěn)定氣源、力電氣的傳遞系統(tǒng)和相關(guān)的安全預(yù)案及措施。在輔助系統(tǒng)模塊的配合下，才可以完成多功能動(dòng)作壽命疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)的搭建。

2.3疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

該疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)基本上可以完成軌道交通和汽車等零部件的大部分常規(guī)動(dòng)作壽命疲勞試驗(yàn)。該試驗(yàn)系統(tǒng)在性能指標(biāo)上可以滿足：往返0~500 mm的直線疲勞運(yùn)動(dòng)；0~360°的旋轉(zhuǎn)疲勞運(yùn)動(dòng)；多按鈕時(shí)序觸發(fā)疲勞動(dòng)作等。并且該系統(tǒng)的靈活性、可復(fù)制和可移植性可以保證多項(xiàng)疲勞試驗(yàn)項(xiàng)目的高效低成本的快速搭建和并行實(shí)施。

目前該試驗(yàn)系統(tǒng)，能夠解決各類型常規(guī)的動(dòng)作壽命疲勞試驗(yàn)問題，其中典型的試驗(yàn)案例就是某高列客室座椅的整體旋轉(zhuǎn)動(dòng)作壽命疲勞試驗(yàn)、內(nèi)藏式餐桌的各類型動(dòng)作壽命疲勞試驗(yàn)和微小濾網(wǎng)壓力動(dòng)作壽命疲勞試驗(yàn)等，其中客室座椅的旋轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)動(dòng)作主要是完成客室座椅在解鎖狀態(tài)下繞轉(zhuǎn)軸中心來回旋轉(zhuǎn)360°，以考核旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)疲勞壽命。

2.4系統(tǒng)指標(biāo)

基本性能指標(biāo)：

產(chǎn)品尺寸：最大外觀尺寸不大于1 200 mm；

加載力：加載力大小不大于10 kN；

加載力精度：0.1 N；

直線運(yùn)動(dòng)：0~500 mm往返，最高頻率1 Hz；

旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：0~360°，最高頻率1 Hz；

可實(shí)現(xiàn)多按鈕時(shí)序觸發(fā)疲勞動(dòng)作組合等。

3　結(jié)束語

本文根據(jù)高鐵行業(yè)對(duì)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)部件動(dòng)作壽命的疲勞試驗(yàn)需求，對(duì)各類型運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)作進(jìn)行了分析和總結(jié)，提出了一種多功能動(dòng)作壽命疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)，用于解決各類型常規(guī)的動(dòng)作壽命疲勞試驗(yàn)問題。通過系統(tǒng)的構(gòu)成和功能設(shè)計(jì)，開發(fā)疲勞試驗(yàn)設(shè)備一套，并應(yīng)用于某高鐵座椅靜力疲勞鑒定試驗(yàn)，充分的體現(xiàn)了該試驗(yàn)系統(tǒng)的通用性。

[1]李春玲.發(fā)動(dòng)機(jī)連桿疲勞強(qiáng)度有限元分析[J].柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造，2007，2（15）：65-67.

[2]高鎮(zhèn)同，熊峻江.疲勞可靠性[M].北京：航空航天大學(xué)出版社，2000.

[3]原宇光，于波.關(guān)于時(shí)間繼電器的應(yīng)用分析[J].黑龍江科技信息，2007，2（01）：36-37.

[4]劉波，胡平，于多年.軌道交通車輛座椅的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度分析[D].吉林：吉林大學(xué)，2014.

[5]金淼，周賢賓，李曉星，等.大尺寸封閉截面鋁型材拉彎工藝研究[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2013，10（6）：46-48.

Research and Construction of Fatigue Test System for High-Speed Rail Seat

WANG Chao-jie，YANG Feng
（1.Aerospace Technology Co.Ltd.，Tianjin 300222，China；2.Beijing Institute of Environmental Research，Beijing 100068，China）

This paper presents a multi-function fatigue test system for operating life of structural components.The new fatigue test system make up the defects of conventional fatigue test system which could not bear the fatigue test for component operating life.This system introduced some new power modules and control module that could solve specific problems of fatigue test for component operating life.Finally，the function of the whole system was described，and several application cases were presented.

high-speed rail seat；operating life；fatigue

TK403

B

1672-545X（2016）10-0147-03

2016-07-16

王朝杰（1980-），男，北京人，碩士，工程師，從事環(huán)境可靠性試驗(yàn)技術(shù)研究。