基于标准的AZ31B镁合金座椅载荷及安装强度分析_于春洋.pdf

第 卷 第 期 年 月大连交通大学学报 文章编号：（）基于标准的 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）摘 要：从载荷类型、载荷数值等方面对比分析国内外 种轨道交通车辆座椅标准，并采用 种标准对 镁合金座椅的安装强度进行分析。通过对比分析，标准的静载荷类型最多为 种。各标准扶手桌台载荷的差异性最大，最大值与最小值的倍数关系为。座椅安装强度结果表明：最小静强度安全系数、抗滑移系数、抗剪切系数分别为、，满足 标准要求。座椅横向载荷对抗滑移系数、抗剪切系数影响较大。关键词：座椅标准；静载荷；疲劳载荷；安装强度文献标识码：随着上海轨道交通“三个 公里”、成都“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。赵慧等、张丽博等从舒适性、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 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。座椅结构介绍 镁合金是一种轻质金属材料，其密度为，约为钢材的 倍。弹性模量为，泊松比为，屈服强度为 。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。座椅结构示意图见图。座椅骨架、座椅腿材质为 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 座椅结构示意图 座椅安装结构局部示意图见图。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 规格的 材质螺栓连接。安装中心距为 ，拧紧力矩为 。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收稿日期：基金项目：中国中车股份有限公司重大科技研究开发计划资助项目（）第一作者：于春洋（），男，工程师。：大连交通大学学报第 卷体与车体，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 座椅安装结构局部示意图 座椅载荷分析 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 、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。图 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。从载荷类型方面看，标准载荷种类最多，有 种载荷类型；标准和 标准载荷种类均为 种；标准仅有 种载荷类型。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 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 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 类载荷的最大值与最小值的倍数关系为、。从载荷加载位置看，标准和 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 各标准静载荷大小及加载位置载荷位置及代号各标准静载荷大小及加载位置或尺寸 座位 前沿 坐垫中心 座位 前沿 前沿座位 边角靠背 靠背正面 靠背正面靠背 靠背侧面头靠 头靠正面 头靠正面 调整手柄 手柄 第 期于春洋，等：基于标准的 镁合金座椅载荷及安装强度分析 续表载荷位置及代号各标准静载荷大小及加载位置或尺寸 调整手柄 手柄扶手 扶手前沿 扶手中心扶手 扶手前沿（仅限两侧扶手）扶手中心 扶手前沿扶手 扶手前沿 扶手中心 扶手前沿扶手桌台 桌台中心 任意位置 桌台中心小腿靠 腿靠前沿后部脚踏 脚踏中心 脚踏边缘 任意位置后部桌台 桌台中心 桌台边缘 桌台中心 桌台中心 标准将座椅分为三类，包括承受乘客站立等载荷的高负荷型座椅、承受过道乘客扶持等载荷的中负荷型座椅、城市干线车的型舒适座椅。该标准的附录 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。座椅疲劳载荷 为考察座椅的耐久性，标准、标准、标准给出了座椅的疲劳载荷。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 倍、倍。上述 个标准的疲劳载荷循环次数均为 万次。标准和 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 标准对载荷次数的测试更为苛刻。表 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 各标准疲劳载荷加载位置、载荷大小及次数 头靠 万次靠背 万次靠背 万次座位 万次座位 万次座位 万次脚踏、扶手、小腿靠等活动部件使用负荷 万次旋转机构 绕轴旋转 万次可折叠桌 打开收起 万次坐姿调节系统 靠背上部任意位置 万次后部脚踏 打开收起 万次 座椅安装强度分析 座椅载荷工况 根据 标准对座椅的分类，镁合金座椅为型舒适座椅。参考 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。座椅在头靠、座位、靠背位置的疲劳载荷按照表 加载。有限元模型及边界条件 本文以双排座椅为研究对象，图 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 标准进行校核，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 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。大连交通大学学报第 卷表 座椅静载荷组合工况组合工况 注：“”代表标准文件与组合工况具有对应关系。图 双排座椅安装强度分析有限元模型 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、拧紧系数 取.、传递横向力界面数取、传递扭矩界面数取、夹紧件总厚 取 、总嵌入量 取 、有效扭转半径 取 、夹紧件界面摩擦系数取、最小边缘距离 取 、最大边缘距离 取 。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 、设计预紧力、螺栓许用预紧力 应满足式（）：（）上述预紧力分别根据 标准的式（）、式（）、式（）确定。其中螺栓许用预紧力是根据螺栓最小屈服强度的 确定的，充分发挥了螺栓材料的使用潜力。（）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（）：（）螺栓的最大应力与屈服强度的比值不小于。螺栓的最大应力根据 标准的式（）式（）计算。（）螺栓的疲劳强度校核。标准中式（）给出了不少于 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 万次，因此需要根据 标准中式（）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（）：（）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。（）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 应大于，标准推荐抗滑移系数 不小于。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 为螺栓的许用剪切强度与最大剪切应力的比值，标准推荐抗剪安全系数不小于。（）（）经计算，双排座椅联接螺栓的各项安全系数均大于 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。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，座椅静载荷对螺栓的静强度安全系数影响较小。、工况最小抗滑移系数、抗剪切系数分别为、，其余工况的最小抗滑移系数、抗剪切系数分别为、。、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 第 期于春洋，等：基于标准的 镁合金座椅载荷及安装强度分析 系数影响很小。座椅螺栓疲劳强度安全系数最小为，为 标准的疲劳工况，该标准的疲劳载荷也是最大的。表 座椅安装强度校核结果组合工况座椅螺栓最小静强度安全系数、抗滑移系数、抗剪切系数 工况座椅螺栓最小疲劳强度安全系数疲劳工况 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：（）标准的静载荷类型为 种，标准、标准为 种，标准仅为 种。标准的载荷类型最为全面。（）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，最大值为 中标准所规定的值。（）对于疲劳载荷，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 倍、倍。对于座椅功能性结构的疲劳性能测试，标准对载荷次数的要求更为苛刻。（）座椅的安装强度满足 标准要求且安全余量较大。所有工况下静强度安全系数为；对于包含横向载荷、的工况，抗滑移系数、抗剪切系数最小分别为、，其余工况对应系数分别为、。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。参考文献：贾旭，战雪，周鑫弘 动车组客室座椅椅腿开裂试验研究 城市轨道交通研究，（）：刘客，谭晓东，徐欣，等地铁车辆座椅骨架结构强度分析及其优化 机械工程与自动化，（）：赵慧，王成强，王剑博，等 标准动车组座椅人机工程分析及性能仿真 大连交通大学学报，（）：张丽博，刘小霞，王大朋，等 高速铁路动车组二等座座椅的防火标准对比分析及优化座椅的防火性能测试 城市轨道交通研究，（）：高云凯，林典，余海燕，等 镁合金在座椅骨架轻量化设计中的应用 同济大学学报（自然科学版），（）：，中华人民共和国铁道部 动车组乘客座椅：北京：中国铁道出版社，：，：，：，李晓峰，孙瑞，颜楷晨标准化动车组设备舱螺栓强度分析方法大连交通大学学报，（）：（下转第 页）大连交通大学学报第 卷葛威 基于人体姿态识别的跌倒检测 上海：东华大学，：，（）：马敬奇，雷欢，陈敏翼 基于 优化模型的老人跌倒行为检测算法计算机应用，（）：，（，）：，：；（上接第 页），（，）：，：；