动车组客室座椅模态特性及其优化策略

贾 旭，任延静，毕 凯，战 雪，丰亚超

(1.中车长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春 130062) (2.长春车辆监造项目部，吉林 长春 130062)

近年国内动车组发展迅速，给乘客带来了极大的便利性。在便利性得到解决的同时，越来越多乘客开始关注舒适性。振动作为舒适性的重要指标，对人体有着重要的影响[1]。本文选取与乘客接触最为紧密的动车组客室座椅作为对象，进行了模态仿真计算和台架试验研究，通过分析座椅空载模态和承载模态，获得了座椅的振动特性及影响因素，并提出了优化措施。

1 模态分析

如图1,2所示，根据座椅种类的不同，对二等2人座椅和二等3人座椅进行模态仿真计算，计算结果见表1。

图1 二等2人座椅 图2 二等3人座椅

表1 座椅模态仿真计算结果 单位：Hz

由表1可以看出，两种类型座椅的模态特性均较好，一阶模态频率均在20 Hz以上，能够满足NF F 31-119《铁路车辆.在静电应力、疲劳应力、振动和冲击应力下铁路车辆座位的特性》中规定的一阶谐振频率不低于15 Hz的要求，且有较大的余量。

2 模态测试分析

2.1 空载模态特性

在座椅底架、扶手、座垫、靠背等多处设置测量点进行空载模态台架试验，如图3所示。试验测试条件见表2。

图3 空载模态台架试验

表2 模态试验测试条件

通过测试得到空载座椅前3阶模态，见表3。

表3 空载模态试验数据 单位：Hz

由表3可见，座椅在垂向和横向模态频率较高，但纵向的1阶和2阶模态频率较低，纵向容易引发共振或被激发出振动。纵向振动的振型图如图4所示，主要为靠背的前后振动。

图4 纵向振型图

对比分析模态仿真计算和台架试验测试数据发现，纵向振动的计算数据与测试数据偏差较大，因此结合纵向振型图分析座椅靠背结构。靠背调节机构如图5所示，通过气弹簧伸缩连杆机构实现靠背角度调整，调节机构之间连接通过轴孔铰接组装，为保证装配的便利性，必须保证轴孔具有一定的间隙。机构各零部件之间的配合间隙见表4。

表4 各零部件配合间隙 单位：mm

图5 靠背调节机构

通常情况下，间隙的存在将导致结构的连接刚度降低[2-5]，而模态仿真模型并未考虑各结构之间的间隙，因此仿真分析结果与试验结果具有一定的偏差。

为进一步验证靠背调节机构之间间隙的影响，先验证座椅底架设计是否合理。拆除座椅靠背，单独对座椅底架进行测试，测试结果见表5，模态频率均在28 Hz以上，可知底架刚度较好，模态特性较优，底架设计较为合理。

表5 测试结果 单位：Hz

2.2 靠背晃动量

座椅调节机构轴孔的配合间隙较难测量，可通过测量座椅靠背顶端的晃动来分析间隙情况，晃动量是各间隙的综合体现。在气弹簧锁定状态下，分别使用20 N、50 N、100 N的力推拉靠背顶端中部(前后方向)，测量座椅靠背的前后总位移量，测量结果见表6。

表6 晃动量测量结果

2.3 优化间隙

对调节机构各间隙进行优化，座椅组装操作难度明显增加，优化后的配合间隙和靠背晃动量分别见表7和表8。

表7 优化后配合间隙 单位：mm

表8 优化后晃动量测量结果

对优化后的座椅进行空载模态试验，测试数据见表9。

表9 空载模态试验数据 单位：Hz

从数据看，优化间隙能够有效改进座椅的模态特性，但由于靠背是悬臂结构，在保证结构不变的前提下优化间隙的贡献也是有限的。另外，间隙过小导致组装难度增加，不利于批量生产。同时，考虑实际的可操作性，可以以靠背的晃动量替代间隙的累积，当超过某一定的数值就可初步认为模态特性不满足要求。这也是靠背可调座椅的一种具有可操作性的检查方式。

2.4 承载模态特性

模拟真实承载工况，研究其模态特性。由于座椅乘坐了乘客，根据ISO 2631《机械振动和冲击.人体处于全身震动的评估 第1部分:一般要求》中规定，需识别出0～80 Hz对人体影响较大的共振频率[6]。测试点的布置如图6，7所示，座椅承载模态试验如图8所示。

图8 座椅承载模态试验

图6 二等2人座椅测试点布置

经测量，两种座椅的模态试验数据见表10，11。可见，横向和垂向两个方向稍有降低，纵向明显增加。

图7 二等3人座椅测试点布置

表10 二等2人座椅模态试验数据 单位：Hz

表11 二等3人座椅模态试验数据 单位：Hz

振动特性的简化理论公式如下：

(1)

式中：f为固有频率；k为系统刚度；m为系统质量。在刚度值不变的情况下，增加质量，模态频率降低。由于座椅在纵向上为靠背可调，承载后相当于给座椅的靠背施加了一个推力，使座椅此方向的刚度有所增加，进一步验证了座椅的间隙导致连接刚度不足。在现有结构及间隙配合情况下，承载后有利于座椅的模态参数提升。

3 结论

本文通过座椅模态仿真计算和试验测试，掌握了动车组客室座椅的模态特性，并利用理论和试验手段提出了降低振动的优化措施，结论如下：

1)轴孔装配间隙对座椅的模态特性影响较大，间隙过大导致连接刚度降低。由于座椅结构的原因，轴孔配合精度增加，座椅组装难度将加大，需采用有效的工装提高组装的便利性。

2)座椅承载后，靠背所受推力使靠背各部分间隙配合的轴孔的相对关系受到约束，在增加质量的同时，也一定程度上相当于增加了刚度，但对刚度的贡献量要大于对质量的贡献量。

3)基于目前座椅结构，靠背晃动量是各种间隙和刚度最直观的总体体现，控制靠背的晃动量，能够有效控制振动特性。

车辆运营后，座椅各机构的间隙不可避免会增加，座椅振动特性将会恶化，因此如何结合动车组的修程，对此问题进行解决，将是进一步研究此结构座椅振动特性的重点。