基于標準的AZ31B鎂合金座椅載荷及安裝強度分析

于春洋,程亞軍,薛寧鑫,姜春龍

(中車長春軌道客車股份有限公司 國家軌道客車系統集成工程技術研究中心,吉林 長春 130062)

隨著上海軌道交通“三個1 000公里”、成都“2022年全面建成智慧交通體系”等城市軌道交通規劃的出臺,軌道交通公交化運營成為未來發展的新趨勢。乘坐軌道交通出行時,乘客主要以座椅為活動中心,座椅的安全性與舒適性直接影響公眾對軌道交通工具的評價。賈旭等[1]對動車組座椅腿開裂現象進行了普查,同時開展了靜強度、耐久性測試、鹽霧試驗等性能分析與模擬試驗。分析表明,座椅腿的開裂是清洗劑導致的高強度鋁合金腐蝕開裂,對座椅腿實施噴塑處理可解決腐蝕問題。劉客等[2]對地鐵座椅骨架的強度進行仿真分析及結構優化,優化后座椅骨架的強度滿足要求并且質量減少30%。趙慧等[3]、張麗博等[4]從舒適性、耐火性等方面入手,對動車組座椅進行了評估和優化,優化后動車組座椅的各項指標均滿足標準要求。本文依據軌道車輛座椅強度的相關標準,對座椅載荷進行了歸納總結。以一種AZ31B鎂合金座椅為研究對象,分析不同座椅載荷對安裝強度的影響。

1 座椅結構介紹

AZ31B鎂合金是一種輕質金屬材料,其密度為1.8×103kg/m3,約為鋼材的0.23倍。彈性模量為45 GPa,泊松比為0.35,屈服強度為220 MPa。鎂合金在比強度、延伸率等方面的優良性能使其在座椅減重領域發揮重要作用[5]。座椅結構示意圖見圖1。座椅骨架、座椅腿材質為AZ31B鎂合金,座椅面為玻璃鋼材質,座椅面與座椅骨架通過黏接的方式連接。

圖1 座椅結構示意圖

座椅安裝結構局部示意圖見圖2。客室地板設有座椅安裝座,安裝座與客室地板通過焊接方式固結。每個座椅腿與安裝座由兩個M10 mm×25 mm規格的A4-80材質螺栓連接。安裝中心距為135 mm,擰緊力矩為29 N·m。安裝座椅時,首先將座椅定位板嵌入坐椅腿內部,再將座椅整體嵌入座椅安裝座, 利用固結螺栓連接座椅整體與車體,最后安裝座椅側板,保證座椅安裝結構的美觀性。座椅整體均布于客室內部。

圖2 座椅安裝結構局部示意圖

2 座椅載荷分析

2.1 座椅靜載荷

國內外研究機構對軌道車輛座椅的載荷均進行了研究,并形成了NF F 31—119[6]、TB/T 3236—2011[7]、JIS E 7104—2002[8]、UIC 566—1990[9]標準。各標準規定了座椅在座位、靠背、扶手、桌臺等位置的載荷大小及加載面積或加載位置。座椅載荷的加載位置及載荷代號見圖3。

圖3 座椅加載示意圖

本文對上述標準的靜載荷進行分類統計,統計結果見表1。從載荷類型方面看,NF F 31—119標準載荷種類最多,有15種載荷類型;TB/T 3263—2011標準和JIS E 7104—2002標準載荷種類均為9種;UIC 566—1990標準僅有5種載荷類型。NF F 31—119標準的載荷類型最全面。座椅座位邊緣、調整手柄、小腿靠位置的載荷是NF F 31—119標準獨有的,其他標準沒有對上述位置做出載荷規定。部分載荷類型由2～3個標準共有,如后部腳踏載荷、桌臺載荷。從載荷大小方面看,各標準在座椅座位、扶手位置的載荷大小較為接近。在靠背、頭靠、扶手桌臺、后部腳踏位置的載荷有較大的差異性,上述4類載荷的最大值與最小值的倍數關系為3.06、3.06、6.00、2.04。從載荷加載位置看,TB/T 3263—2011標準和UIC 566—1990標準對個別載荷給出了具體的加載面積,其他載荷的加載位置則以區域位置的形式給出。

表1 各標準靜載荷大小及加載位置

續表

NF F 31—119標準將座椅分為三類,包括承受乘客站立等載荷的高負荷Ⅰ型座椅、承受過道乘客扶持等載荷的中負荷Ⅱ型座椅、城市干線車的Ⅲ型舒適座椅。該標準的附錄A針對不同類型的座椅給出了具體的靜載荷組合方式,其他標準沒有對靜載荷的組合方式做出規定。

2.2 座椅疲勞載荷

為考察座椅的耐久性,NF F 31—119標準、TB/T 3263—2011標準、JIS E 7104—2002標準給出了座椅的疲勞載荷。NF F 31—119標準的載荷數值最大,在頭靠、座位位置的載荷分別是其他標準的1.22倍、2.04倍。上述3個標準的疲勞載荷循環次數均為10萬次。NF F 31—119標準和TB/T 3263—2011標準同時給出了座椅功能性結構的疲勞性能測試準則,其中TB/T 3263—2011標準對載荷次數的測試更為苛刻。表2給出了各標準疲勞載荷加載位置、載荷大小及次數的具體信息。

表2 各標準疲勞載荷加載位置、載荷大小及次數

3 座椅安裝強度分析

3.1 座椅載荷工況

根據NF F 31—119標準對座椅的分類,AZ31B鎂合金座椅為Ⅲ型舒適座椅。參考NF F 31—119標準的載荷組合方式、座椅結構及使用情況,對各標準的座椅靜載荷進行組合,組合方式見表3。座椅在頭靠、座位、靠背位置的疲勞載荷按照表3加載。

3.2 有限元模型及邊界條件

本文以雙排座椅為研究對象,圖4為雙排座椅安裝強度分析的有限元模型。邊界條件為在局部底架端部進行全位移約束。座椅安裝強度采用VDI 2230—2014標準[10]進行校核,采用該標準校核螺栓強度時,計算所需的螺栓軸力為工作拉力而非工作總拉力,因此有限元模型中采用BEAM 188單元模擬螺栓連接,后處理時提取螺栓載荷進行安裝強度校核[11]。

表3 座椅靜載荷組合工況

圖4 雙排座椅安裝強度分析有限元模型

3.3 座椅安裝強度分析

根據座椅安裝結構、安裝工藝等因素選取計算參數。螺栓孔直徑取11 mm、擰緊系數αA取1.4、傳遞橫向力界面數qF取1、傳遞扭矩界面數qM取1、夾緊件總厚LK取7 mm、總嵌入量fZ取11 μm、有效扭轉半徑ra取8.92 mm、夾緊件界面摩擦系數μTmin取0.21、最小邊緣距離DA取28 mm、最大邊緣距離DA′取37 mm。

開展螺栓強度校核前,需要確認擰緊力矩是否合適。座椅的最大裝配預緊力FM max、設計預緊力FM、螺栓許用預緊力FM zul應滿足式(1):

FM max

(1)

上述預緊力分別根據VDI 2230—2014標準的式(R6/1)、式(127)、式(R7/2)確定。其中螺栓許用預緊力是根據螺栓最小屈服強度的90%確定的,充分發揮了螺栓材料的使用潛力。

(a)螺栓的靜強度校核。在靜載荷作用下螺栓的靜強度需滿足式(2):

SF=RP 0.2 min/σZ max≥1.0

(2)

螺栓的最大應力與屈服強度的比值不小于1.0。螺栓的最大應力根據VDI 2230—2014標準的式(R8/1)～式(R8/4)計算。

(b)螺栓的疲勞強度校核。VDI 2230—2014標準中式(R9/5)給出了不少于200萬次載荷作用下螺栓的疲勞強度許用值。座椅在頭靠、座位、靠背位置的疲勞載荷均為10萬次,因此需要根據VDI 2230—2014標準中式(R9/6)對螺栓的疲勞強度許用值進行修正。螺栓的疲勞強度應滿足式(3):

SD=σAS/σa/ab≥1.0

(3)

在動態載荷作用下,螺栓的應力變化應小于螺栓的疲勞強度許用值。標準推薦螺栓的疲勞強度安全系數不小于1.2。

(c)螺栓抗滑移及抗剪強度校核。在外載荷作用下,螺栓的殘余預緊力應保證被夾緊件不發生分離,確保螺栓連接可靠。最小殘余預緊力與被夾緊件不發生分離,最小載荷的比值SG應大于1.0,VDI 2230—2014標準推薦抗滑移系數SG不小于1.2。螺栓在橫向載荷作用下,還要具備一定的抗剪能力。抗剪安全系數SA為螺栓的許用剪切強度與最大剪切應力的比值,VDI 2230—2014標準推薦抗剪安全系數不小于1.1。

SG=FKR min/FKQ erf>1.0

(4)

SA=τB/τQ max≥1.1

(5)

經計算,雙排座椅聯接螺栓的各項安全系數均大于VDI 2230—2014標準的推薦值且有較大安全余量,滿足標準設計要求。座椅安裝強度校核結果見表4。不同標準的座椅靜載荷雖有較大差異,但所有工況下螺栓連接的最小靜強度安全系數為2.01～2.10,座椅靜載荷對螺栓的靜強度安全系數影響較小。B3、H1、H2工況最小抗滑移系數、抗剪切系數分別為30、421,其余工況的最小抗滑移系數、抗剪切系數分別為237、4 637。B3、H1、H2工況均為橫向載荷工況,可使座椅產生橫向力及翻轉力矩,對座椅的抗滑移系數、抗剪切系數影響較大。其余載荷主要為垂向載荷或等大反向的組合載荷,對座椅的抗滑移系數、抗剪切系數影響很小。座椅螺栓疲勞強度安全系數最小為179.2,為NF F 31—119標準的疲勞工況,該標準的疲勞載荷也是最大的。

表4 座椅安裝強度校核結果

4 結論

本文對國內外軌道車輛座椅載荷的相關標準進行了研究,并根據標準對雙排座椅的安裝強度進行了分析,得到以下結論:

(1)NF F 31—119標準的靜載荷類型為15種,TB/T 3236—2011標準、JIS E 7104—2002標準為9種,UIC 566—1990標準僅為5種。NF F 31—119標準的載荷類型最為全面。

(2)各標準在座椅座位、扶手位置的靜載荷大小較為接近。其余位置靜載荷有較大的差異性,其扶手桌臺載荷的最大值與最小值的倍數關系為6.00,最大值為NF F 31—119中標準所規定的值。

(3)對于疲勞載荷,NF F 31—119標準的疲勞載荷最大,在頭靠、座位位置的載荷分別是其他標準的1.22倍、2.04倍。對于座椅功能性結構的疲勞性能測試,TB/T 3263—2011標準對載荷次數的要求更為苛刻。

(4)座椅的安裝強度滿足VDI 2230—2014標準要求且安全余量較大。所有工況下靜強度安全系數為2.01～2.10;對于包含橫向載荷B3、H1、H2的工況,抗滑移系數、抗剪切系數最小分別為30、421,其余工況對應系數分別為237、4637。座椅載荷對靜強度安全系數影響較小,座椅橫向載荷對抗滑移系數、抗剪切系數影響較大,其余載荷對其影響較小。