可自動旋轉的新型高鐵座椅設計研究

李佳泓，王曉琳

(綿陽城市學院，四川 綿陽 621000)

1 國內外現狀

在1964年日本出現了第一條高速鐵路[1]，其次是法國、德國、意大利等國家。隨著時代的發展，環境問題的日趨嚴峻，世界各國對于高速鐵路的需求愈加趨大[2]。中國雖然相比較晚，但是目前來說中國高鐵也名列前茅，需求量也是日漸增加。(圖1)由于高鐵具有輸送能力大、速度快、安全性好、受氣候變化影響小、能源消耗低、環境影響輕等諸多優勢[3]，近幾年以來，美國、俄羅斯、巴西等國紛紛制訂了規?？涨暗母咚勹F路發展計劃。即便是法國等“老牌高鐵國家”也相繼表示，將延長高鐵里程、提升高鐵品質[4]。預計未來的10年，全球高鐵里程將至少增加一倍，全球正步入高速鐵路發展的黃金年代[5]。

因此在目前自動化、機械化逐步向普遍性發展的趨勢。對于人工繁瑣的工作而言，實現自動化、機械化是一個節約人力、提高效率的一件事。高鐵因為要進行換向行駛的原因，會進行一個方位上的一個轉變。但是對于一輛高鐵而言，需要將車廂內幾十個座椅位置進行高效的換向是一件很繁瑣的事情。目前國內外對于高鐵座椅自動旋轉的研究已經有了一些成果，一些人士已經對于自動旋轉高鐵座椅發表了相關的專利。例如：湯秀華發明的高鐵或動車座椅用電動旋轉臺(專利號CN202021559464.3)、謝建英發明的一種高鐵用可自動旋轉的座椅(專利號CN2019210730583)。對于這兩個現有的專利，其主要研究單一側重如何進行旋轉、單個座椅旋轉及外觀設計等方面，并不能夠很好的、有效的去使用到目前的高鐵座椅上去，因為據大家所知，高鐵座椅至少都是以兩個位置為一體的設計，因此需要突破即應該涉及到多排座椅的旋轉。才能夠符合目前高鐵座椅的設計需求。

圖1 2011-2019年中國鐵路及高鐵營運里程

2 可自動旋轉的新型高鐵座椅設計研究背景

中國內陸面積寬廣，人口眾多，幅員遼闊，經濟發展與聯系的跨度較大，鐵路作為一種重要的基礎設施，最為顯著的特點就是運載量大、運行成本低、耗能少。對于大流量、長距離的客貨運輸有著絕對優勢，也在大流量、高密度的城市中和短途旅客運輸中具有強大的競爭力[6]。

我國高鐵已經成為我國發展、我國成就、我國價值的一張獨特靚麗的“名片”[7]，在各大城市承載了極高的客流量(圖2)，相應的人們對高鐵的服務質量要求也越來越高。據目前調查研究發現客流量的增加也使鐵路班次增多，與之矛盾的在于沒有過量的車輛數來提供相應的服務。再加上每天的車輛行駛路線客流量和往返量是不同的，因此每條路線上所需要的車輛數和同一條線路往返量數也是有差異的，如果說單純的去增加車的數量是不現實的，其中經濟問題以及路線容量問題是必不可少的。所以對于在同一個時間空間內反向客流量不斷增加，正向車次就需要進行一個換向。對于高鐵車輛本身而言在設計的時候設計師已經考慮到了車輛會為了高頻率的、高效的使用，已經解決了車輛反向行駛的問題。因此車子正反兩邊都分別有駕駛艙可以進行行駛。所以只需要對于車上乘車人的乘坐方位進行一個改變就可以了。有人會說倒著走其實也是可以的、人可以接受，但是如果說車上的人員一直以同樣的方式來坐，反向的時候就將給人帶來不舒服的感覺特別是長途而言。所以在反向的時候座椅也要進行一個換向。

圖2 部分大城市高鐵通流度與連通度

目前具有的轉向方式就是通過人工的一個加持，在座椅側方有一個按鈕，人通過踩住按鈕依靠上半身的力量用雙手旋轉座椅來達到座椅旋轉。由于調節的空間有限，再加上乘客的身形的不同，因此坐座位時就會對座椅的靠背進行一個調整，所以在旋轉座椅的時候對于部分座椅靠背較傾斜的來說需要在進行旋轉座椅動作前進行座椅靠背的一個調整動作，待座椅靠背都調整為最初始狀態之后再完成座椅的一個旋轉。這無疑不是一個既消耗人力又耗時的一項工作。再來對于座椅而言夾縫中難免都會有灰塵需定期清潔以及座椅底部旋轉裝置也需要進行一個定期的維護，這也是一個又耗時又耗力的工作。

經調查研究發現，目前市場上能夠有效實現自動旋轉，并使座椅旋轉后支撐架仍良好的契合，且綜合自動清理、自動維護、防震減震功能的座椅方面的研究較少。且現有的自動旋轉的高鐵座椅，在座椅與旋轉后的支撐架契合度較低，在高鐵行駛時或人體運動時容易產生晃動，影響乘坐舒適度。因此基于解決以上實際問題和大幅提高列車座椅清潔服務效率，有效提高服務員工作便利度，利用自動旋轉座椅與旋轉后的支撐架高效契合技術，解決高鐵行駛時或人體運動時容易產生晃動的問題，設置氣缸、活塞桿并對座椅底部設置清理刷及放置槽，可實現自動清理與維護，設置限位塊、彈簧及減震組件等起到防震減震作用，提高乘客舒適性，降低安全隱患、維護成本，提升整體服務水平。

3 設計研究

3.1 座椅連接結構

可自動旅轉的高鐵座椅，通過氣缸與架體固定連接，活塞桿與氣缸固定連接，連接板與活塞桿固定連接，第一電機與連接板固定連接，座椅與第一電機固定連接，外筒與架體固定連接，彈簧與外筒固定連接，內筒與彈簧固定連接，內筒與外筒滑動連接，固定柱與座椅固定連接，固定柱與內筒的固定槽滑動連接，軟墊與座椅固定連接，連接環與第一電機固定連接，第二電機與連接環固定連接，轉動軸與第二電機固定連接，清理刷與轉動軸固定連接，氣缸驅動活塞桿縮短帶動座椅上的固定柱與固定槽[8]。

圖3 自動旋轉的高鐵座椅側背方向結構示意圖

3.2 自動旋轉和清潔

對可自動旋轉的新型高鐵座椅設計，是在目前相關研究基礎上進行改進，將原有的單排座椅變換為多座聯排座椅的自動旋轉。與常規的自動旋轉座椅相比，其底部外筒內的彈簧對內筒向上的壓力，使得固定柱與內筒上的固定槽連接更緊密，座椅旋轉完畢，三個所述軟墊將座椅分為三個座位，可提供三個乘客乘坐，形成與現有高鐵座椅座位數相似的聯排座椅[9]。在自動旋轉的同時并完成自動清潔維護功能。在座椅自動旋轉時，第二電機驅動轉動軸轉動，清理刷跟隨轉動軸轉動，座椅旋轉完畢的同時，清理刷對內筒表面清理完畢，解決了座椅在乘客乘坐期間所攜帶的東西、食用的食物殘渣或灰塵容易從座椅之間的落至難以清理的內筒表面，對內筒造成污染的問題。

3.3 減震功能

高鐵在行駛過程中會存在一些不可避免的顛簸和輕微晃動。為了提高乘客乘坐的舒適性，在座位設計方面還考慮到了減震的問題。在座椅的內筒下有若干彈簧來吸收壓力進行減震，保證所座椅在乘坐時的平穩性[10]，座椅上方的軟墊座椅晃動時也會起一定的減震效果，以此來解決自動旋轉的高鐵座椅與支撐架的契合度較低容易產生晃動的問題，提高乘坐舒適度。

圖4 座椅下部構造圖

3.4 座椅主要工作原理

列車到站后換向時可通過列車中控或者車廂控制按鍵對座椅自動轉動裝置進行啟動，隨后座椅底部的裝置將隨著電機上升，氣缸驅動活塞桿及電機等結構上升，至座椅的固定柱滑出內筒上的固定槽。清潔刷隨著底部裝置的上升放置在槽外，自動旋轉工作就準備完成了。之后由主電機驅動座椅旋轉180°，從動第二電機帶動清潔刷同時進行內筒的清潔工作。完成之后氣缸驅動電機等裝置下降，清潔刷放回槽內，外筒內的彈簧給內筒彈簧一個向上的壓力，使得固定柱與內筒上的固定槽連接更加緊密。

圖5 座椅主要工作原理簡單流程圖

3.5 座椅目前研究進程

對于可自動旋轉高鐵座椅的研究主要獲得了實用性新型專利授權，并且在四川省大學生學科專業科技競賽中獲得了獎項。當前正在申報2022年大學生創新創業訓練項目，進一步開展產品實驗與檢測工作，同時也涉及高鐵座椅相關系列產品的研究設計。

4 發展前景

近幾年隨著中國高鐵營運里程的數量不斷增加，客運量加大，中國鐵路動車組的數量也顯著上升。因高鐵載客量大、時速高、不受雨霧天氣影響、綠色節能，所以高鐵的需求量呈上升趨勢，故而對高鐵座椅的需求量也比較可觀。依據《2020-2026年中國高鐵座椅行業全面調研與發展趨勢預測報告》級“十四五”規劃，未來我國的高鐵座椅行業將總體保持相對穩定的增長態勢，預計到2025年，高鐵網規模網實現3.8萬里公里，根據中國鐵道建筑報數據統計，2020-2025年動車組列車需求量逐年上漲。高鐵座椅需求預測將新增一等座182 000座、二等座349 700座、商務座6 500座?？勺詣有D高鐵座椅與現有的座椅相比，實現了多座聯排自動旋轉、高契合度底部連接減震、自動清潔維護功能，座椅使用壽命上更長，維修費用也較低。經調查研究，目前市面上沒有類似產品，因此發展前景較為良好。