軌道車輛座椅裂紋分析及改善措施仿真研究

鄭曉倩，王世博，杜彥品

(中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇 南京 210031)

1 客室座椅分類

根據(jù)軌道車輛布置方式不同，客室座椅一般分為縱向布置座椅和橫向布置座椅，如圖1所示，國(guó)內(nèi)城市的軌道車輛為保證其載客量的最大化[1]，客室座椅一般沿車體側(cè)墻縱向布置。縱向布置座椅為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，主要由椅面、骨架、端板等部分組成。橫向布置座椅因其方式新穎，且能夠轉(zhuǎn)變?yōu)榭v向布置座椅，也越來越受到業(yè)主的歡迎。

圖1 縱向布置座椅及橫向布置座椅分布示意圖

根據(jù)座椅的安裝方式分類，可以分為落地式座椅和懸臂式座椅。另外，作為對(duì)座椅功能性的延伸，北方或者沿海城市的軌道車輛中，客室座椅下安裝了電加熱器。懸臂式座椅的座椅骨架一般采用鋁合金焊接結(jié)構(gòu)，與車體側(cè)墻通過螺栓連接，焊接牢固可靠，具有質(zhì)量輕、耐用的特點(diǎn)，座椅面罩與座椅骨架之間通過螺栓連接，上部靠背通過背卡與座椅骨架連接，座椅下空間開闊便于打掃。

2 客室座椅裂紋

2.1 客室座椅布置

客室座椅的設(shè)計(jì)應(yīng)符合人體工程學(xué)并體現(xiàn)現(xiàn)代氣息[2]，某軌道車輛客室座椅布置有雙人橫排座椅、單人縱排座椅、雙人縱排座椅、三人縱排座椅、四人縱排座椅、五人縱排座椅，如圖2所示。

圖2 客室座椅布置圖

雙人橫排座椅、雙人縱排座椅、三人縱排座椅、四人縱排座椅、五人縱排座椅整體成型，椅面采用玻璃鋼材料，具有耐涂性、耐刻劃、易于保養(yǎng)和清潔的特點(diǎn)。

2.2 客室座椅裂紋統(tǒng)計(jì)

地鐵上線運(yùn)行一段時(shí)間后，在日常例行檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)客室座椅出現(xiàn)多處裂紋，如圖3所示，針對(duì)客室座椅裂紋現(xiàn)象，隨機(jī)抽取兩列車進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)見表1。

圖3 客室座椅裂紋示意圖

表1 客室座椅裂紋統(tǒng)計(jì)表

從表1中可以看出，出現(xiàn)裂紋的以縱排客室座椅偏多。

經(jīng)過隨車調(diào)查統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，客室座椅裂紋位置絕大部分位于座椅面罩的中前位置，如圖4所示。

圖4 座椅裂紋區(qū)域位置

3 客室座椅裂紋原因分析

3.1 軌道車輛運(yùn)行情況

某軌道車輛設(shè)計(jì)的運(yùn)營(yíng)速度為120 km/h，一般軌道車輛的運(yùn)營(yíng)速度為80 km/h，速度的增加勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生高頻率的振動(dòng)，并且該軌道車輛項(xiàng)目中座椅的安裝結(jié)構(gòu)上未做相應(yīng)的減振措施。車輛在實(shí)際運(yùn)行過程當(dāng)中產(chǎn)生的振動(dòng)顛簸力作用到座椅骨架上，再傳遞到座椅面罩的安裝連接點(diǎn)處，在人員乘坐加載的情況下，座椅面罩產(chǎn)生長(zhǎng)時(shí)間、不間斷的振動(dòng)與疲勞，座椅底部的安裝件與座椅面罩之間形成剪切力，玻璃鋼經(jīng)此剪切、疲勞的作用，易產(chǎn)生裂紋。

3.2 客室座椅切割檢查

隨機(jī)抽取某軌道車輛有裂紋的座椅面罩，切割后發(fā)現(xiàn)，個(gè)別切割位置存在氣孔現(xiàn)象，該缺陷若處于連接、受力處，會(huì)導(dǎo)致局部位置強(qiáng)度降低，在受力情況下易產(chǎn)生裂紋或炸紋現(xiàn)象。

3.3 座椅裂紋原因分析

根據(jù)上述情況分析可得出該軌道車輛運(yùn)行的復(fù)雜路況產(chǎn)生了較大的振動(dòng)及顛簸，將產(chǎn)生的力作用到了座椅底部的安裝件與座椅面罩之間，形成剪切與疲勞作用；同時(shí)，在制造過程中輥壓不實(shí)，局部個(gè)別位置產(chǎn)生氣孔，均可導(dǎo)致車輛運(yùn)行一段時(shí)間后，座椅產(chǎn)生裂紋現(xiàn)象。

4 客室座椅裂紋改善措施及仿真分析

4.1 座椅裂紋改善措施

為了有效地改善座椅裂紋產(chǎn)生，經(jīng)過分析后，使用增加彈性連接的方式來降低座椅應(yīng)力集中。

4.1.1 縱排三人、四人、五人座椅改善措施

在座椅面前端與座椅骨架連接處增加厚度為4 mm、邵氏硬度為60的橡膠墊，以便分散局部的應(yīng)力集中，如圖5所示。

圖5 增加橡膠墊示意圖

4.1.2 單人縱排、雙人縱排座椅改善措施

在座椅安裝座與座椅安裝梁之間增加厚度為4 mm、邵氏硬度為60的橡膠墊，如圖6所示。

圖6 增加橡膠墊示意圖

4.1.3 雙人橫排座椅改善措施

在座椅骨架與座椅安裝梁之間增加厚度為4 mm、邵氏硬度為60的橡膠墊，如圖7所示。

圖7 增加橡膠墊示意圖

4.2 座椅裂紋改善措施仿真分析

選取雙人座椅及三人座椅作為研究對(duì)象，使用Abaqus軟件對(duì)于座椅裂紋改善措施進(jìn)行仿真分析。

4.2.1 座椅模型建立

由于玻璃鋼的參數(shù)很難獲得，定量分析無法實(shí)現(xiàn)，因此本次分析為定性對(duì)比分析。其中橡膠墊的材質(zhì)為橡膠材料EPDM。由于橡膠材料的參數(shù)極其復(fù)雜，如需得到更準(zhǔn)確的數(shù)值，需要針對(duì)橡膠墊分別進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)、雙軸拉伸試驗(yàn)和平面剪切試驗(yàn)[3]。在此次仿真分析過程中，所使用的橡膠模型為Mooney-Rivlin本構(gòu)模型。軌道車輛雙人座椅及三人座椅的座椅面罩及座椅骨架有限元模型如圖8所示。

圖8 座椅有限元模型

分別給予雙人座椅及三人座椅施加約束以及施加載荷，施加約束情況如圖9所示，施加載荷情況如圖10所示。假定每個(gè)座椅上承重1人，人均質(zhì)量80 kg，雙人座椅表面施加載荷為1 600 N，三人座椅表面施加載荷為2 400 N。

圖9 施加固定約束

圖10 施加表面載荷

4.2.2 座椅裂紋改善措施模擬分析

模擬分析工況1：座椅骨架各支架與座椅面罩之間存在2 mm間隙，如圖11所示。

圖11 工況1模擬示意圖

模擬分析工況2：根據(jù)4.1所述的座椅裂紋改善措施，增加4 mm厚、邵氏硬度為60的橡膠墊，如圖12所示。

圖12 工況2模擬示意圖

4.2.3 模擬分析仿真計(jì)算結(jié)果

利用Abaqus軟件分別獲取雙人座椅以及三人座椅在模擬分析工況1和模擬分析工況2的座椅面罩表面的受力云圖進(jìn)行分析[4]，分別如圖13、圖14、圖15、圖16所示。

圖13 雙人座椅模擬分析工況1應(yīng)力云圖

圖14 雙人座椅模擬分析工況2應(yīng)力云圖

圖15 三人座椅模擬分析工況1應(yīng)力云圖

圖16 三人座椅模擬分析工況2應(yīng)力云圖

通過圖13—圖16的應(yīng)力云圖的對(duì)比可知，增加橡膠墊有利于降低座椅面罩的應(yīng)力。增加橡膠墊后，座椅面罩的應(yīng)力在各個(gè)支架處均有分布，有利于分散座椅面罩的應(yīng)力。

通過仿真分析，可得知通過增加橡膠墊的方式，有利于降低座椅面罩的應(yīng)力并可以平衡座椅面罩的應(yīng)力，可以有效地降低座椅裂紋出現(xiàn)的可能性。

在實(shí)際運(yùn)行中，某軌道車輛座椅面罩經(jīng)過本文所述改善措施中增加橡膠墊整改后，運(yùn)行一段時(shí)間后，原有的座椅面罩裂紋未再發(fā)現(xiàn)，從根本上解決了某軌道車輛座椅裂紋問題。