應用于高鐵座椅的疲勞試驗系統研究與開發

王朝杰，楊峰

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

應用于高鐵座椅的疲勞試驗系統研究與開發

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.北京強度環境研究所，北京100068）

提出了一種用于解決類似高鐵座椅結構運動部件的動作壽命疲勞試驗系統，該系統在常規疲勞機的基礎上根據運動部件的特點，設計不同的動力源并實現閉環高精度控制。根據研究與設計最終開發了一套設備，并成功應用于某型高鐵座椅的靜力疲勞試驗考核，彌補了該項試驗裝備的空白。

高鐵座椅；動作壽命；疲勞

結構的強度疲勞描述的是材料、零件和構件在循環加載條件下，某點或某些點產生局部的永久性損傷。一般機械機構和結構的運動部件在工作過程中也有疲勞，疲勞問題直接影響到機械部件的壽命[1]。動作壽命疲勞試驗就是考核運動部件循環完成某個動作的疲勞試驗方法，運動部件作為產品系統的一部分是要執行某個特定的動作來實現產品的功能，這個過程中運動部件會有自己的動作和軌跡，根據產品功能的多樣化，運動部件的動作也會表現出各種運動形式。目前，現有疲勞設備如萬能疲勞機多是針對材料或小樣標準件來設計，要對不同運動部件的動作壽命考核，就需要有一套通用性強的疲勞試驗系統來滿足各種不同運動和動作的需求。

目前在軌道交通以及汽車行業，對運動部件的疲勞壽命試驗都有著廣泛的需求[2-3]，包括座椅、艙門等內外飾部件在壽命周期內須經歷上萬次、多個動作如旋轉、收起、展開、按鈕、開關等機構運動的經歷，在研制階段很有必要進行疲勞考核。但尚沒有通用性的設備能夠直接對大多數運動部件的動作壽命進行考核，并且傳統的疲勞試驗方法只能解決材料的強度疲勞和極少部分類似的動作壽命問題。對于一般性的疲勞動作壽命問題，也只能部分借助于先進的機器人設備。但是機器人設備的成本投入較大，工作效率低下，并且也很難實現多項動作壽命的并行實施。

1　需求分析

由于產品結構的不同，疲勞動作可能表現出各種不同的動作形態。下面以座椅為例，描述各類型的疲勞動作。直線運動的典型案例如小車座椅在滑槽內前后的滑動，以調整司機與方向盤之間的距離；繞軸轉動的典型案例如列車座椅繞轉動軸心360°的旋轉，以根據列車的行駛方向調整旅客座椅的朝向；座椅后背式餐桌的繞軸運動，以繞軸旋轉餐桌板來實現餐桌板的打開和折起功能等等。

運動部件動作壽命疲勞試驗問題的種類繁多，但各類型運動部件的動作基本可以總結為以下幾種運動類型：往復直線運動、繞軸轉動、按鈕動作、開關動作、彎曲動作等，以及它們的組合運動。根據產品的功能以及運動類型的不同，產品的運動部件在動作壽命疲勞試驗過程中也會表現出各種不同的壽命問題，包括結構的破損、性能的衰減和功能的失效等。通過以上分析，針對高鐵座椅進行試驗系統。

2　疲勞試驗系統設計

高鐵座椅的疲勞試驗系統設計思路：平臺化、模塊化、通用化。

（1）平臺化。系統的能夠實現高鐵座椅的往復直線運動、繞軸轉動、按鈕動作、開關動作、彎曲扽功能動作的平臺。

（2）模塊化。安裝平臺、加載系統、控制系統、輔助系統、安全防護系統等采用模塊化設計思路，便于操作和后續改進。

（3）通用化。除高鐵座椅外，系統針對外觀尺寸長度不超過1 200 mm，加載力不超過10 kN的各類零部件的各種直線動作、繞軸轉動及組合動作等均能夠通用。

2.1系統的構成

完整的動作壽命疲勞試驗系統主要包括四個功能模塊，分別是多功能的試驗臺架模塊、動力系統模塊、控制系統模塊、輔助系統模塊。以上四個模塊可以靈活的組合已實現疲勞試驗任務的需求。整個疲勞試驗系統的結構示意圖如圖1所示，圖中展示了各個模塊之間的關系以及它們在整個試驗系統中的作用。

圖1　疲勞試驗系統結構示意圖

2.2系統的特點

該試驗系統與常規的疲勞試驗系統有著較大的差別，并且各模塊可以根據需求合理的搭配組合使用。系統的每個模塊都有各自的特點和功能，以保證整個疲勞試驗系統的完整性。以下分別詳細介紹各模塊的功能和特點。

（1）平臺系統

作為試驗系統的整體骨架，平臺系統直接關系整個試驗系統的通用性。試驗臺架的功能主要是為了提供空間內任意一點的支撐能力，以滿足動力系統的定位不確定性。同時試驗臺架在滿足強度要求的情況下，還要求可以靈活地拆裝。綜合多方面因素，試驗臺架的搭建采用了型鋼底座，以保證試驗系統的穩定和強度；多功能鋁型材做上層骨架[4]，以保證系統的通用性和輕便性，同時鋁型材的多樣化搭接特性，可以為動力系統提供空間任意的安裝支點。

（2）動力系統

動力系統模塊是整個試驗系統的核心，由于動作壽命疲勞試驗的特殊性，需要將動力系統的體積控制在一定的范圍內，同時疲勞載荷量級一般不大，本系統采用了氣動系統和電動系統來提供動力源。電動和氣動系統可以靈活安裝在試驗臺架內空間任意支持點，以保障產品動作的復雜性和多樣化。

（3）控制系統

控制系統模塊作為本試驗系統的靈魂，采用的是多功能時間繼電器的組合搭建。該控制系統不僅控制靈活而且成本低，最重要的是保證控制系統的可移植性強、搭建快，可以快速高效的搭建多套系統以滿足多項試驗的同時進行，很好地解決了PLC控制系統在并行工作下復雜的搭建與編程過程[5]。控制系統的結構示意圖如圖2所示。

圖2　PLC控制帶載荷動作方案圖

（4）輔助系統

要保證整個疲勞試驗系統能夠正常工作還需要完成輔助系統模塊的搭建，輔助系統模塊主要包括計數系統、直流電源系統、壓力穩定氣源、力電氣的傳遞系統和相關的安全預案及措施。在輔助系統模塊的配合下，才可以完成多功能動作壽命疲勞試驗系統的搭建。

2.3疲勞試驗系統實現及應用

該疲勞試驗系統基本上可以完成軌道交通和汽車等零部件的大部分常規動作壽命疲勞試驗。該試驗系統在性能指標上可以滿足：往返0~500 mm的直線疲勞運動；0~360°的旋轉疲勞運動；多按鈕時序觸發疲勞動作等。并且該系統的靈活性、可復制和可移植性可以保證多項疲勞試驗項目的高效低成本的快速搭建和并行實施。

目前該試驗系統，能夠解決各類型常規的動作壽命疲勞試驗問題，其中典型的試驗案例就是某高列客室座椅的整體旋轉動作壽命疲勞試驗、內藏式餐桌的各類型動作壽命疲勞試驗和微小濾網壓力動作壽命疲勞試驗等，其中客室座椅的旋轉疲勞試驗動作主要是完成客室座椅在解鎖狀態下繞轉軸中心來回旋轉360°，以考核旋轉機構的旋轉疲勞壽命。

2.4系統指標

基本性能指標：

產品尺寸：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；

直線運動：0~500 mm往返，最高頻率1 Hz；

旋轉運動：0~360°，最高頻率1 Hz；

可實現多按鈕時序觸發疲勞動作組合等。

3　結束語

本文根據高鐵行業對結構運動部件動作壽命的疲勞試驗需求，對各類型運動部件的動作進行了分析和總結，提出了一種多功能動作壽命疲勞試驗系統，用于解決各類型常規的動作壽命疲勞試驗問題。通過系統的構成和功能設計，開發疲勞試驗設備一套，并應用于某高鐵座椅靜力疲勞鑒定試驗，充分的體現了該試驗系統的通用性。

[1]李春玲.發動機連桿疲勞強度有限元分析[J].柴油機設計與制造，2007，2（15）：65-67.

[2]高鎮同，熊峻江.疲勞可靠性[M].北京：航空航天大學出版社，2000.

[3]原宇光，于波.關于時間繼電器的應用分析[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度和疲勞強度分析[D].吉林：吉林大學，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].塑性工程學報，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，從事環境可靠性試驗技術研究。