一種新型商務座椅結構及布置

萬志華，王伯春，劉慧屏，周 強，司志強

(中車唐山機車車輛有限公司 產品研發中心，河北 唐山 063035)

高速動車組作為快速鐵路客運網絡的主力車型，以其高效、快速、舒適的特點被越來越多的人所關注。由于長交路的存在,動車組運營時間有的需要10 h左右,容易造成乘客旅途疲勞。商務座椅可坐可躺，一定程度上能緩解乘客長途旅行的疲勞，具有一定的市場需求。

現有開行動車組大多車廂為二等座車，“復興號”動車組僅在頭車觀光區有3個單人商務座椅和1個雙人商務座椅，“和諧號”長編動車組僅在頭車客室設置3個單人商務座椅和4個雙人商務座椅，觀光區設2個單人商務座椅，商務座椅占整車定員比例均不足5%，而且票價相對二等座高出數倍。因此，從市場需求看，急需一種大定員、舒適性高、私密性好、經濟型的商務座椅來滿足乘客日益增長的旅行需求。

1 新型商務座椅方案設計

國內現有動車組的商務座椅形式基本上是一致的，舒適的軟墊外包寬大的私密罩，私密罩為睡眠乘客的肩膀區域提供凹形空間，通過電機驅動實現坐臥躺功能轉換(圖1)。商務座椅可180°旋轉，座椅上設置餐桌板、雜志袋、視頻影音系統、閱讀燈等。商務座椅分為單人和雙人2種，客室布置每排最多可容納3人乘坐。

圖1 現有商務座椅及布置

現有商務座椅躺姿狀態下乘客可整個身體都在椅面上，躺姿狀態座椅全長1 890 mm，考慮座椅躺姿狀態不能與前排座椅發生接觸，前后排座椅布置現車間距為1 980 mm，如此大的間距限制了列車定員的增加。由于餐桌板及視頻設備均安裝在商務座椅扶手內，就餐或觀看視頻均需要打開扶手取出餐桌板或視頻設備，一定程度上增加了操作復雜性和乘客擠手的風險，也增加了零部件損壞概率，此外，餐桌板和視頻設備需放在乘客胸腹前，一定程度上限制了乘客的腰部活動空間，使得餐桌板和視頻影音系統的功能不能最大限度的發揮。雙人商務座椅靠側墻側座位上的旅客如離開座位需要過道側旅客讓開，會影響過道側乘客休息及其私密性。

新型商務座椅能在坐姿與躺姿間自由切換，且可以在任意角度鎖定；座椅上設有桌箱、插座、雜志袋、視頻設備、小儲物盒等設施；座椅采用交錯布置，每個坐席空間獨立(圖2)。

圖2 新型商務座椅及布置

新型商務座椅每個座椅占用一排空間，座位和桌箱一體，桌箱尺寸不需要太寬，且扶手內不需要設置電視及餐桌板，增加了座寬尺寸，乘坐空間大，座椅具有全自動坐姿調節系統以及配套視頻影音系統。座位旁邊桌箱下部為腳窩，上部為小桌，用于就餐、放置水杯等小物品，桌箱上設置小儲物盒，用于小物品的臨時存放。該種商務座椅躺姿的實現需要滿足后排座位正對著前排腳窩，門口端部區域受門開度的影響，此排座椅不設置腳窩，設置面向客室的固定式座椅，躺姿通過后排座位對接前排座位實現。這種交替座椅布置方案打破了傳統座椅布置方式，是座椅布置的一種創新。

2 商務座椅方案分析評估

2.1 人機工程學分析

新型商務座椅設計從座寬、座高、座深、腳窩尺寸、躺姿角度、儲物盒設置、扶手設置、頭靠位置、燈的照度等諸多方面進行了人機工程學設計[1]。

新型動車組商務座椅布置方案需考慮座椅伸展開后后排坐墊不能與前排座椅桌箱下部的腳窩干涉，且有效銜接，按照GB 10000—1988《中國成年人人體尺寸》的要求，以成年男性99百分位為依據，身高為1 814 mm，考慮6 mm修正量后身高為1 820 mm，躺姿狀態頭部和腳部與座椅各留20 mm間距，座椅私密罩造型厚度40 mm，腳窩厚度25 mm,計算得出前排座椅最前端到后排座椅最后端尺寸為1 925 mm，減去一個座椅前端到后端尺寸780 mm，得出前后排座椅間距1 145 mm。可見，相對現有商務座椅間距的1 980 mm，節省了大量空間，可增加座椅排數。

2.2 舒適性、私密性分析

新型商務座椅可坐可躺，可為乘客提供全方位視聽享受及舒適的乘坐環境，滿足不同乘客的乘坐需求，體現了以人為本的設計理念。桌箱方便乘客存放一些小物品，體現了人性化需求。新型商務座椅的設計，打破了鐵路客車商務座椅的傳統設計理念，可進一步推動鐵路客室內飾部件的發展。

無論坐姿躺姿，每個乘客單獨占用一排空間，乘坐空間加大，出入座位自由，且不影響旁邊乘客，從心理上保護了乘客私密性。

2.3 列車定員分析

新型商務座椅布置方式增加了列車定員，以頭車為例，不包含觀光區及端部設施尺寸，客室8.94 m長度為商務座椅布置空間，布置現有商務座椅定員11人，布置新型商務座椅定員14人。標準動車組車長25 m，客室區域長18.22 m，布置現有商務座椅定員23人，布置新型商務座椅定員30人。可見，采用新型商務座椅，在提高乘坐舒適性、私密性的基礎上，可較大提高運能及經濟效益，節約運行成本及能耗。

2.4 材料及結構分析

商務座椅包括私密罩、桌箱、座椅骨架、底座、外包覆以及座椅附件。

2.4.1 私密罩

私密罩為商務座椅外殼，使用新型的碳纖維材料。碳纖維是一種含碳量95%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料，密度是鋼鐵的1/4，強度高于鋼鐵，具有耐腐蝕、高模量、防火等級高的優異特性[2]，高性能的碳纖維是航空航天、能源和石化等重大工程必不可少的關鍵材料，目前已經在航空航天、風電、油氣、體育休閑等各領域得到了廣泛的應用。目前，隨著碳纖維成本的降低，碳纖維的應用領域有了進一步擴大[3],已開始應用到高速動車組上。

2.4.2 桌箱

桌箱為ABS樹脂成型。ABS樹脂是將PB、PAN、PS的各種性能有機地統一起來，兼具韌、硬、剛相均衡的優良力學性能，具有優良的綜合物理和機械性能及較好的低溫抗沖擊性能，且尺寸穩定性、耐磨性、抗化學藥品性、染色性、成品加工及機械加工性較好。桌箱為書報夾、閱讀燈、控制面板、視頻影音系統、抽屜式小桌板提供安裝接口，同時提供桌面、儲物箱、腳窩腳踏等空間。

2.4.3 座椅骨架

座椅骨架為鋁合金材料，為座椅承重和動作部件。座椅骨架由坐墊、靠背和主體機構組成，骨架主體通過底盤與底座連接，并連接座椅靠背和坐墊，是靠背和坐墊的動作機構。骨架主體集成滑軌，通過機械結構實現座椅靠背下移與坐墊一起沿滑軌滑動。骨架上安裝MCU電機，控制座椅動作，實現坐姿躺姿變換、腰靠角度調節等功能。

2.4.4 底座

座椅底座承接座椅與車體地板連接，連接穩固與否直接影響座椅的旋轉及姿勢變換的平穩性。底座通過8個M10螺栓連接在地板上，底座上需開孔，用于列車為座椅配電需求。底座與座椅骨架間靠旋轉機構連接，通過軸承旋轉。

2.4.5 外包覆

座椅外包覆包括坐墊、靠背、頭枕、腳墊等。外包覆通過尼龍搭扣固定在座椅主體骨架上，內部為發泡材料，表面縫合真皮。發泡采用分層結構，確保硬度及舒適性。發泡和面料需滿足防火及環保要求。

2.4.6 座椅附件

座椅附件包括視頻影音系統、閱讀燈、書報網、衣帽鉤等。書報網、閱讀燈均安裝在桌箱上，視頻影音系統、插座、衣帽鉤、抽屜式小桌板設置在座椅私密罩后部。

3 商務座椅方案驗證

對商務座椅模型通過網格建模進行有限元分析。商務座椅所用材料的物理屬性如表1。

表1 商務座椅所用材料的物理屬性

商務座椅模型網格尺寸為3～6 mm，網格總數量約為260×104，網格分布如圖3所示。

圖3 商務座椅模型網格分布

3.1 模態分析

約束底座4個安裝孔，中心6個自由度為邊界條件，計算了座椅的8階模態。結果顯示：一階模態頻率最低，坐姿為17.8 Hz，躺姿為20.4 Hz。一階模態振型見圖4。

3.2 振動強度分析

根據TB/T 3451—2016《動車組車體結構強度設計及試驗》，振動強度分析時，向列車車長X方向施加3g加速度，車寬Y方向施加1g加速度，車高Z方向施加1.5g加速度。為驗證更惡劣工況下座椅的振動強度，分別將向三方向施加的加速度增大到5g、3g、3g，具體方向如圖5所示。

根據TB/T 3451—2016，三方向載荷單獨施加。三方向加載應力及變形云圖分別如圖6、圖7所示。計算結果顯示：X方向最大應力為147.2 MPa,最大變形量為5.440 mm；Y方向最大應力為122.5 MPa,最大變形量為3.247 mm；Z方向最大應力為40.89 MPa,最大變形量為2.668 mm。

圖6 三方向加載應力云圖

圖7 三方向變形云圖

3.3 分析結果

座椅最低模態頻率為17.8 Hz，滿足不小于15 Hz的要求。座椅在3個方向最大沖擊下的應力均小于材料屈服強度，不會出現塑性變形和破壞。

4 結束語

該種新型商務座椅私密性好，定員增多，舒適安全，經濟性更好。隨著人們對物質需求的日益增長，商務座椅會越來越受到廣大旅客的青睞，該種新型商務座椅正是迎合市場需求推出的一款創新型產品，具有廣闊的市場前景。