多功能高铁座椅防护系统设计

摘 要： 通过对目前国内市场高铁座椅防护措施进行调查研究，为了能更好地保障乘客的出行安全，对现有高铁座椅防护系统进一步设计与创新。结合机械设计的相关原理，人机工程学等，提出了由机械限位系统、安全气囊系统、滑动缓冲系统组成的多功能高铁座椅防护系统。事故发生时机械限位装置在安全气囊装置及滑轨缓冲装置的辅助下达到限位保护乘客的作用，通过验证，防护装置的反应时间约为0.32s，能够在安全时间内作用达到保护乘客的效果。

关键词： 防护系统；机械限位装置；人机工程学；反应时间

1 引言

目前投入市场使用的高铁座椅大多缺乏主动防护装置，使得突况发生时乘客的人身安全无法得到有效保障，如2011年浙江温州发生的动车追尾事故造成了巨大伤亡。由于传统座椅保护装置在高速状态下的不稳定性易对乘客造成二次伤害，结合突况下乘客受到的主要伤害来源，对传统座椅保护装置进行改进与创新，设计出本套多功能高铁座椅防护系统。相较于目前高铁通用座椅，该系统引入了感应控制系统，机械限位系统、安全气囊系统、滑动缓冲系统，解决了传统防护措施带来的负面效应的同时可最大化的保障乘客的安全。

2 多功能高铁座椅防护系统简介及创新点

针对突况下乘客受到的主要伤害来源，现有的高铁座椅设备缺乏对乘客人身安全的保护措施，使得事故发生时的无法尽可能的减小对乘客的伤害度，结合安全带等传统保护措施的缺陷，我们对当前高铁座椅进行创新与改进，设计出由机械限位系统、安全气囊系统、滑动缓冲系统组成的多功能高铁座椅防护系统，解决了传统防护措施带来的负面效应的同时可最大化的保障乘客的安全，相较于普通的高铁通用座椅，该系统具备如下创新点。

1）在此系统中设置了机械限位装置，装置由两节环式机械手臂，侧表面气囊装置以及连杆传动驱动部分组成。当机车常态运行时，机械手臂收缩在扶手外侧，机械手臂内侧安装有气囊装置，事故发生时，感应控制系统发送脉冲信号驱动机械臂伸出实现环抱动作，达到限制乘客动作的效果，从而避免对乘客造成如安全带等传统限位装置带来的额外伤害。当震动强度低于某一限定值时，限位装置可以自动解除，方便乘客进行自救。

2）针对事故发生时乘客头部及颈部易受撞击以及机械限位装置可能对乘客造成冲击的情况，该系统在座椅两侧及后方加载了安全气囊系统，安全气囊装置由碰撞传感器、控制模块（ECU）、气体发生器及气囊等组成，气囊的安装位置分布在机械手内侧和靠背后侧，根据感应控制系统的信号变化在启动机械限位装置前优先启动安全气囊装置有效地减少发生突发性剧烈碰撞时座椅上乘员和乘坐空间内部件间发生碰撞而造成的伤害，并降低了乘客头部与颈部等重要部位受撞击的程度。

3）该系统在座椅与底架连接处安装了滑动缓冲装置，滑动缓冲装置由滑槽式底架，滑轨式支撑架，尼龙减震片组成，事故发生时，在滑槽式底架与滑轨式支撑架接触处设置尼龙减震缓冲装置能减缓巨大冲击力带来的伤害。相较于常见地面滑轨缓冲装置，其缓冲效果与实际操作效果也更加显著，可行性更高。

3 多功能高铁座椅防护系统设计

3.1 防护系统的结构组成

防护系统由机械限位装置、气囊保护装置、滑轨缓冲装置三大板块组成。机械限位装置由两节环式机械手臂，侧表面气囊装置以及连杆传动驱动部分组成。

能够避免发生突发状况时，由于乘客所处空间的不稳定性及车体内部变形挤压对乘客造成的伤害。其工作原理为：当机车常态运行时，机械手臂收缩在扶手外侧，机械手臂内侧安装有气囊装置，当感应控制系统发出某确定脉冲变化信号时，在设定反应时间内驱动装置带动电机正转经过传杆连接使装配在固定轴承上的滑块沿轴承方向运动来带动铰链滑杆机构沿环式导轨滑动相应距离从而使环式机械臂从座椅靠背旋转伸出实现环抱动作，达到限制乘客动作的效果，当该信号停止时，电机反转使铰链滑杆机构沿反方向运动至初始位置，限位解除，乘客即可进行自救。

气囊保护装置主要是辅助机械限位装置起保护作用，防止发生突发性剧烈碰撞时乘客发生剧烈碰撞以及机械限位装置对乘客的二次伤害。保护原理为：当座椅遭受一定碰撞力量以后，气囊系统就会引发类似微量炸药爆炸的化学反应，隐藏在座椅内的安全气囊就在瞬间充气弹出，在乘员的身体与座椅外零部件碰撞之前能及时到位，在人体接触到安全气囊时，安全气囊通过气囊表面的气孔开始排气，从而起到铺垫作用，减轻身体所受冲击力，最终达到减轻乘员伤害的效果。安全气囊系统由碰撞传感器、控制模块（ECU）、气体发生器及气囊等组成。

滑动缓冲装置由带滑槽式底架，滑轨式支撑架，尼龙减震片组成，事故发生时，在滑槽式底架与滑轨式支撑架接触处设置尼龙减震缓冲装置能减缓巨大冲击力带来的伤害。滑轨缓冲装置在事故发生时发生滑动达到缓冲的效果，进而辅助机械限位装置和气囊保护装置起到保护作用。滑轨缓冲装置由铝合金型材焊接而成，选用7003号硬铝合金，弹性模量74GPa，泊松比0.3，最大许用应力345MPa，利用弹簧与座椅连接来达到缓冲的作用，在事故发生时辅助机械限位装置和气囊保护装置共同作用以降低对乘客的伤害。底架中间为回转支撑中心，用以支撑转架上的人体重量和转架的同转中心，左右两侧有四个支撑小平面，支撑来自转架上的载荷，载荷通过底架的同转支撑板和支撑小平面，传递给纵梁及支撑脚至车厢地面。底架的四个角的结构设计采用四分之三圆柱环，如此在实现保证强度的前提下还可达到材料的节省以及美观性的保证。

3.2 防护系统的尺寸设计

目前我国铁路动车组列车速度已达到350km/h，列车高速运行状况下对乘客的舒适性要求也变得更加严格。对人机工程学进行研究知，当人坐在座椅上时，支撑人体处于固定形势的主要结构是脊柱、骨盆和腿足等。根据人机工程学要求，大致可得出座椅的基本设计原则。

3.3 防护系统的选材与强度验算

为了充分保护乘客不受伤害，机械臂在选材上应该选择轻质和高强度的材料，分析三维纺织复合材料可知：弹性模量为：2.07GPa，泊松比0.26，屈服应力75MPa；切线模量1450MPa，硬化参数0.01，失效应变0.06。

设事故时乘客的加速度为a，与机械臂的正向接触面积为A，接触时间为t，座椅的缓冲距离为L，机械臂对人体的作用力为 ，则受力分析为：

代入数据求得人体所受的压力（机械臂的撞击压力）为：

可该材料可以满足要求，对人体的伤害可以接受（另外还有气囊的缓冲作用，故缓冲时间较长，0.08s左右）。

4 防护系统的控制与执行

4.1 事故发生过程中系统的执行情况

机械限位装置启动采用加速度传感器以二次检测传感控制电动机的正反转，从而控制机械臂的启动与收回。首先自列车启动运行开始，加速度传感器1时刻检测其加速度变化，当加速度a>=5m/s?（高铁正常行驶时无论是加速还是减速阶段的加速度都比较小，一般小于1m/s?，所以可以认为当加速度大于等于5m/s?时高铁处于异常状态：包括紧急刹车或者意外事故发生等情况，而加速度小于5m/s?时人体是可以承受的）时，电动机受控正转，进而启动机械臂。与此同时加速度检测装置2启动，当加速度a=0时电动机受控反转，机械臂收回，解除防护系统的保护状态，使乘客有足够的空间实施自救，且加速度检测装置2关闭。整个系统在执行的过程中完全依靠传感器的加速度检测数据为准则，不会因为人为因素造成防护系统无故启动，可保证其稳定性。

4.2 机械限位装置反应时间

在动车发生碰撞类事故的瞬间加速度非常大，此时机械限位装置是否能及时执行防护操作便成为问题的核心，即机械限位装置系统的反应时间为关键所在，事故发生时机械限位装置反应时间如下所示。

取右半部分做运动分析：

时刻时，圆心 为近似瞬心，则经过时间 转动角度为

由0时刻，瞬心处（圆心）的速度关系：

瞬心出滑块对应速度半径为：

滑块M对应的速度半径为：（此处忽略了机械臂末端伸出的杆长）

滑块P的限制距离为： （由于时间较短，可以认为速度保持不变）。

环形机械臂发生的距离为： ；代入上述 的表达式，得：

（此处 为高阶微量， 很短，可以略去， 实际是

的函数，但时间较短时可看作无关，取最后值，实际上取多了）

驱动功率为P，由功能关系（忽略摩擦力所做的负功，结构选用材料的动摩擦因素 左右，由于圆弧内部径向压力一部分提供向心力， 对结构的损耗可以忽略）

由于dt极短，所以连杆和机械手臂的速度做以下进一步简化为：

将速度关系代入②式，解得 的又一表达式：

由①③两式可以解得

将④式代入③中得到最终反应时间为：

相关数据（根据人机学原理假设）：

代入数据，得到反应时间为： （时间很短，和假设一致）

考虑过程中的阻尼作用和计算简化，实际时间应为

大致在1.2-2.5左右，该系数可以通过实验模拟估计。故，可以认为在发生事故时，机械限位装置能够在安全时间内作用达到保护乘客的效果。

5 结论

本高铁座椅防护系统由机械限位装置、气囊保护装置、滑轨缓冲装置三大板块组成。解决了传统防护措施带来的负面效应的同时可最大化的保障乘客的安全，当高铁系统发生紧急事故时，机械限位装置立即动作实现对乘客限位的功能，得出动作反应时间约为0.32秒，与此同时气囊喷出，滑轨动作，以此实现缓冲的效果，达到防护的目的。

导师：张仲鹏，教授，西南交通大学机械工程学院起重运输方向。

参考文献：

[1]李协平、王红奎，硬质闭孔聚氨酯泡沫塑料的力学性能，1988年第1期.

[2]龚剑、刘凤梧等，应用PAM-CRASH进行汽车碰撞模拟计算，2001年.

[3]谢进、万朝燕、杜立杰，机械原理（第二版）.高等教育出版社，2010年.

[4]秋宣怀、郭可谦、吴宗泽，机械设计（第四版）.高等教育出版社，2010年