基于CRH6型城际动车组的座椅研究

刘银生 刘 伟 王冰松 郭小峰 秦国永 安春雷

(中车青岛四方机车车辆股份有限公司， 青岛 266000)

基于CRH6型城际动车组的座椅研究

刘银生 刘 伟 王冰松 郭小峰 秦国永 安春雷

(中车青岛四方机车车辆股份有限公司， 青岛 266000)

随着城际轨道交通的快速发展， CRH6型城际动车组成功研制并载客运营[1]。座椅作为乘客在乘车过程中最重要的设备之一，其舒适性和安全性至关重要。既有高速动车组座椅适用于长时间的旅程，功能齐全，但成本较高；城轨地铁车辆座椅适用于较短途的旅程，结构简单，但舒适性较差。因此，需开发一种不同于动车组和地铁车辆的新型座椅以适用于CRH6型城际动车组，满足城际动车组的运营需求，借以推动城际轨道交通的发展。文章从座椅设计的舒适性、安全性等方面进行了全面分析和验证，最终研制出满足CRH6型城际动车组载客需求的新型座椅，该座椅的研制对未来城际动车组座椅的进一步创新提供了平台和基础。

城际动车组； 座椅； 舒适性； 安全性； 人机

1 引言

随着我国区域经济的快速发展，新型城镇化建设步伐不断加快，人们居住、工作观念日渐转变，辐射半径100～200 km左右、旅行时间1～2h左右的都市圈/区域经济圈应运而生。到2020年，京津冀、长江三角洲、珠江三角洲三大城市群基本建成城际轨道交通网络，相邻核心城市之间、核心城市与周边节点城市之间实现1～2 h通达[2]。

随着城际铁路网的铺开，乘坐城际动车出行的人将会越来越多。车辆在运行过程中，乘客以自己座椅为中心的活动占90%以上，因而座椅是影响城际动车组乘坐舒适性最重要的乘客设备，其舒适性及安全性至关重要。本文主要从座椅的舒适性及安全性两个方面进行分析，阐述座椅的设计原则及方法。

2 座椅舒适性分析

乘坐舒适性主要取决于车辆—座椅系统和人体的人机界面能否为乘客提供舒适的坐姿，能否有效地隔离或衰减来自路面不平度的激励而产生的振动，使乘员所承受的全身振动负荷低于规定的极限。根据车内乘员的活动状态及舒适性所研究和解决问题的不同，舒适性可分为静态舒适性、振动舒适性和活动舒适性[3]。

由表1可知，乘客座椅的乘坐舒适性主要是研究静态舒适性，是依据人体舒适坐姿的要求和人体测量数据，着重研究乘客舒适坐姿所需要的座椅结构、尺寸等。

表1 舒适性分类

2.1 对坐姿的探讨

坐姿是一种人体的自然姿势。它有很多的优点，可免除肌力疲劳，减少人体的耗能，比立姿更有利于血液的循环，也有助于操作者采取更为稳定的姿势，以进行各种精巧精细动作的任务。虽然如此，坐姿在某些方面也有其缺点存在，其中最重要的是它限制了人体的活动性，尤其是在旅行时，我们以什么样的坐姿在缓解疲劳成为我们关注的焦点问题。此外，长时间的坐姿对人体健康也有许多的不利，脊柱的不正常弯曲、人体主要支撑面上的压力等将产生不舒适感[4]。

当人坐在座椅上时，支撑人体处于固定形势的主要结构是脊柱、骨盆和腿足等。从座椅的设计观点而言，人体的脊椎最为重要，承受着坐姿对人体的大部分体重负荷。因此良好的坐姿，其必要条件是能产生最适当的压力分布于各脊椎骨之间的椎间盘上，以及最适当、最均匀的静负荷量于所附着的肌肉组织上。研究分析人体处于各种不同姿势下(包括立姿、躺姿坐姿等34种)腰椎所产生的曲线变化发现，当人体舒适地侧躺着，大腿与小腿适度地弯曲时，脊柱即维持其自然的形势，此时背部肌肉群即可处于其最佳的轻松状态[5]。

2.2 座椅的人机分析

根据对坐姿的探讨，人体主要靠脊椎支撑，乘坐状态下脊椎的相应位置应该得到力量的支撑，否则人就会产生疲劳感。因此可以简单得出人体受力对靠背曲线的要求，需支撑的部位如图1所示，其中深色箭头表示人体的自重，浅色箭头表示座椅的支撑力。

图1 乘坐状态下人体受力情况

参考人体在乘坐状态下的受力情况，可将座椅的靠背曲线设计的如图2所示，以满足支撑的要求。

图2 座椅靠背的参考曲线

以乘客为本，就座椅而言，无论长途或短途乘客就座，都应该坐得舒适。根据对京广高速铁路列车乘客跟踪调研分析，共采集到了105份调研问卷，为了便于统计，随机抽取了100份，将调研结果进行统计汇总，得出调研对象信息统计如图3所示，乘客对座椅的需求结论如图4所示。

图3 调研对象基本信息统计图

图4 乘客乘坐需求

(1)在乘坐的2 h内，乘客认为头部、脚部需要有支撑。

(2)在乘坐的2.5～4 h阶段，乘客会做一些活动、变换坐姿或者睡觉。

(3)在乘坐4～6 h阶段，乘客认为座椅整体上感觉都不是很舒适；乘客心理感觉疲劳，有改变乘坐整体姿势的要求。

因城际动车组大多运行时间在2 h以内，乘客对头部和脚部有支撑需求，对坐姿的变换需求不大。

2.3 座椅设计的基本原则

根据对坐姿理论的探讨，我们可以得出座椅设计的一般原则：

(1)座椅的形式和尺度与坐者的目的或动机有关；

(2)座椅的尺度必须与相对的人体测量值配合；

(3)座椅的设计必须能提供坐者足够的支撑与稳定；

(4)座椅的设计必须能使坐者改变其姿势，其椅垫必须足以防止坐姿行为中的滑脱现象；

(5)靠背，特别是在腰部的支撑，可降低脊柱所产生的紧张压力；

(6)座垫必须有充分的衬垫和适当的硬度，使之有助于将人体的压力分布于坐骨结节附近。

2.4 座椅的功能及设计尺寸

根据以上分析和探讨，可将城际动车座椅设定为固定式座椅，靠背有固定倾角但不可调，不设旋转功能。座椅基本部件包括坐垫、靠背、扶手、骨架及固定腿等，坐垫及靠背采用聚氨酯发泡+纺织蒙面布，座椅两侧为固定式扶手，中部扶手可翻起与靠背平齐，座椅靠背顶部设抓手、后部设书报网袋。座椅的具体参数见表2，样式如图5所示。

表2 座椅规格与参数

图5 CRH6城际车座椅

3 座椅的安全性分析

为全面了解新开发的新型城际动车座椅结构的静载、抗疲劳、抗冲击等力学性能，保证这些结构的可靠性和安全性，对座椅进行以下研究：

(1)用有限元软件对座椅进行数值仿真分析，对座椅的强度、变形情况进行分析；

(2)对座椅进行振动测试，查看振动后座椅是否存在机械损伤及紧固件松动、脱落等现象；

(3)对座椅所选取部件进行耐久性试验，查看座椅各部件是否存在损坏情况；

(4)对座椅进行冲击测试，查看测试后座椅各部件是否发生机械损伤、紧固件松动、脱落以及产生永久变形或裂痕等现象；

(5)对座椅施加静载荷，查看座椅各部件是否存在永久变形或裂痕。

3.1 仿真分析

3.1.1 静力分析模型

利用ANSYS Spaceclaim对原始三维模型进行编辑处理，在ANSYS Workbench环境中导入编辑后的几何部件共计105个，进行模型装配后共形成155个绑定和光滑接触对。采用高阶SOILD单元对模型进行网格剖分，得到的有限元分析模型共包含169 329个节点，64 523个单元，整体分析模型如图6所示。为了看到内部结构，左边的座椅隐藏了外包部件。

图6 整体分析模型

3.1.2 载荷工况

按UIC566-1990[6]中规定的试验方法，对座椅坐垫作用力、靠背作用力、扶手作用力及把手作用力的5个工况进行仿真计算。具体参数见表3；相关材料的力学性能计算参数见表4；施加载荷工况见图7。

表3 对座椅施加载荷

表4 相关材料的力学性能计算参数

图7 座椅施加载客工况图

3.1.3 仿真分析结果

上述5个载荷工况下最大应力值见表5。

表5 最大应力值

从表5可以看出，5种工况作用下座椅各部件的最大应力值均满足材料许用应力要求。

3.1.4 结论

通过上述分析结果可以得出如下几点结论：

(1)座椅在各工况下的变形均不大，总体刚度较好；

(2)座椅在各工况荷载作用下应力水平较低，整个骨架结构受力合理，有足够的安全裕量。

3.2 试验验证

3.2.1 试验加载条件

为了进一步验证座椅的安全性，对座椅进行强度、冲击振动[7]、耐久性[8]实物测试，加载条件见表6，试验验证见图8。

表6 加载条件

图8 座椅实物验证

3.2.2 试验结论

(1)静载试验后，座椅各部件未发现明显损坏和永久裂痕及变形；

(2)冲击振动试验后，座椅各部件未发现机械损伤及紧固件松动、脱落等现象；

(3)耐久性试验后，座椅各部件均未发现损坏情况。

4 载客运营考核

2014年，中国首列城际动车组CRH6A-4002列车开始在成灌线(成都至都江堰)、成达线(成都到达州)投入载客试运营。已完成30万公里运营考核，运营期间座椅使用状态良好； 2015年，CRH6F-4003列城际动车组开始在南宁局进行载客运行，截止10月15日，已完成30万公里运营考核，运营期间座椅使用状态良好。

通过载客运营调研发现，乘客对座椅的使用满意度较高，使用状态良好。

5 结束语

CRH6型城际动车组座椅设计现代、简洁、新颖，以人体工程学的理念，通过对座椅舒适性的探讨及人机分析，确定座椅的功能及设计尺寸，最大限度的提高了旅客乘坐的舒适性。通过仿真计算及试验验证，完全可以满足座椅的安全性和可靠性要求。通过载客运营考核，乘客对座椅的使用满意度较高，运营状态良好。同时，座椅的研制对未来城际动车组座椅的进一步创新提供了平台和基础。

[1] 王学亮,马云双.和谐号CRH6型城际动车组简介[J].高速铁路技术,2013,4(S1): 196-201. Wang Xueliang, Ma Yun Shuang. Introduction to the CRH6 type intercity EMU [J]. high-speed rail technology, 2013,4(S1): 196-201.

[2] 何丹炉,梁君海,丁叁叁.CRH6F型城际动车组研制[J].铁道车辆,2014,52(12):14-17. Liang Junhai, He Danlu, Ding San. CRH6F type intercity EMU developed [J]. railway vehicle, 2014,52 (12): 14-17.

[3] 刘志勇,王冰松.列车客室座椅乘坐舒适性研究[J].沿海企业与科技,2012，17(1):46-48. Liu Zhiyong,Wang Bingsong.The Study on Seat Comfort of the Train[J].Coastal Enterprises and Science&Technology,2012,17(1):46-48.

[4] 李力涛,薛红军.基于L4-L5 椎体受力分析对坐姿舒适性与时间关系研究[J].科学技术与工程,2009,9(9):2424-2428. Li Litao,Xue Hongjun.Investigation on The Relation between Sitting Posture Comfort and Times by Stress Distribution Analysis of L4-L5 Centrum[J].Science Technology and Engineering,2009,9(9):2424-2428.

[5] 国云鹏，宋桂秋.基于高速铁路随机振动环境对人体腰椎影响的人机工程座椅设计[J].中国机械工程, 2015，26(3):389-393. GUO Yunpeng, SONG Guiqiu, A ergonomic seat design based on random vibration environment of high speed railway influenced on the human lumbar , 2015,26 (3): 389-393.

[6] UIC566-1990 客车车体及其零部件的载荷[S]. UIC566-1990 the load of the car body and its components[S].

[7] GB/T 21563-2008 轨道交通机车车辆设备冲击和振动试验[S]. GB/T 21563-2008 Impact and vibration test of rail transportation vehicle equipment [S].

[8] TB/T 3263-2011 动车组乘客座椅 [S]. TB/T 3263-2011 EMU passenger seat[S].

Research on Seat of CRH6 Intercity EMU

LIU Yinsheng LIU Wei WANG Bingsong GUO Xiaofeng QIN Guoyong AN Chunlei

(CRRC Qingdao Sifang Co.,Ltd.，QingDao 266000， China)

With the rapid development of intercity rail transportation, the CRH6 type intercity EMU has been successfully developed and carried in the passenger traffic. As one of the most important equipment in the process of traveling, the seat is very important for its comfort and safety. The existing high speed EMU seat is suitable for long time journey because of its complete functions, but the cost is high; urban rail vehicle seat is suitable for short distance, the structure is simple, but the comfort is poor. Therefore, it is necessary to develop a new type of seat which is different from EMU and metro vehicles. A new type seat suitable for CRH6 type intercity EMU to meet the operational requirements of the intercity EMU is developed, so as to promote the development of intercity rail transit. Based on the comfort, safety and other aspects of the design and verification, a new type of seat to meet the needs of the CRH6 type intercity emu is finally developed.

intercity EMU； seat； comfort； safety； man-machine

2015-11-11

刘银生(1981-)，男，工程师。

1674—8247(2016)02—0076—04

U267.9

A