CN103902541A - 一种车辆碰撞能量管理系统及设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种车辆碰撞能量管理系统及设计方法，所述车辆碰撞能量管理系统包括与车辆匹配的车钩缓冲装置、压溃管、端部吸能装置及具有足够刚度的车体中部结构，在车辆碰撞过程中各结构通过相互配合吸收能量，所述设计方法：根据实际情况建立数值模型并仿真计算，对计算结果进行处理、分析，得到列车在运行方向的动力学特性，输出曲线，各参数值，得到最合理的输出曲线，根据输出曲线得到合理的车辆碰撞能量管理系统，采用多结构相互配合吸收碰撞过程中的能量，结构合理、安全可靠，准确的模拟列车在运行方向的碰撞动力学特性，合理的指导车辆碰撞能量管理系统设计，有效减少设计失误，节省设计时间，提高设计效率。

Description

一种车辆碰撞能量管理系统及设计方法
技术领域
本发明涉及机械设计领域，尤其是一种车辆碰撞能量管理系统及设计方法。
背景技术
随着轨道交通的不断发展，车辆运行安全被越来越多的人们所重视。车辆运行安全中的车辆碰撞安全性是非常重要的一部分。
列车碰撞安全保护技术分为“主动安全防护技术”和“被动安全防护技术”两个方面，“主动安全防护技术”是列车安全运行必备的，运用得当可有效防止碰撞事故的发生，该技术主要包括列车网络及列车控制技术、合理健全的铁路信号及报警系统、铁路限界安全防护、等。但“主动安全防护技术”不是百分之百可靠的。而在满足铁道车辆碰撞安全标准条件下的“列车的被动防护技术”在碰撞发生时可最大限度地保护列车结构、设备以及司乘人员的安全。发生碰撞时，在所有主动安全保护措施失效的情况下，车辆被动安全保护措施应为乘客提供最后一道保护。
列车碰撞问题的研究于上世纪80年代后期正式开展。英国是世界上最早开始进行列车碰撞研究的国家。美国联邦铁路委员会（FRA）也启动了“高速客运列车系统安全性”项目研究。法国和德国同样对结构耐撞性做出了大量研究。由于国内关于碰撞的研究起步较晚，关于机车碰撞研究仅仅局限在吸能装置及简单的列车计算分析中，相对缺少对列车整车碰撞动力学的深入研究，技术向工程的转化程度相对较低，并且与发达国家存在较大差距。
201020645266.9专利公开了一种底架端部吸能结构，包括吸能框架、吸能箱和吸能材料,吸能箱固定在吸能框架上,吸能箱由箱体、碰撞柱、防爬板、导轨、定位销组成,碰撞柱通过螺栓与箱体连接,防爬板和导轨通过焊接与箱体形成一体。本实用新型装配时将吸能箱和吸能材料按顺序装入带有滑槽的车体内,车体和吸能箱之间为吸能材料,在装配完毕后吸能箱通过定位销与车体进行固定。当两车辆发生碰撞时固定吸能箱的定位销被剪切力剪断,吸能箱通过导轨沿着车体内滑槽将载荷施加给吸能材料,在载荷作用下将吸能块压溃的过程中,能量得到释放,从而,起到保护车体和乘客的目的。但是上述专利也只是从底架端部吸能结构一个方面提高了吸收碰撞能量的能力，并没有从整体上考虑车辆碰撞能量的管理。
鉴于此提出本发明。
发明内容
本发明的目的为克服现有技术的不足，提供一种结构合理、安全可靠的车辆碰撞能量管理系统，及对符合欧标的耐碰撞窄轨车辆碰撞能量管理系统的设计方法，通过建立模型、仿真分析合理分配列车各端部的能量，并作为车辆碰撞能量管理系统的设计的依据。
为了实现该目的，本发明采用如下技术方案：
一种车辆碰撞能量管理系统，包括与车辆匹配的车钩缓冲装置、压溃管、端部吸能装置及具有足够刚度的车体中部结构，在车辆碰撞过程中各结构相互配合吸收能量。
所述的端部吸能结构为压溃变形吸能结构和/或胀管式吸能结构和/或切削式吸能结构。
所述的端部吸能装置包括前端吸能装置，所述前端吸能装置设置在车体前部车钩的两侧，该前端吸能装置的高度与车体底架的高度保持一致。
所述的端部吸能装置还包括辅助吸能装置，所述辅助吸能装置为设置在列车中间各车体之间的中间端吸能装置，该中间端吸能装置的高度与车体底架的高度保持一致。
所述的车辆碰撞能量管理系统的设计方法包括以下步骤：
1）、根据实际情况建立数值模型：将列车中各节车体简化为附有质量的体单元，依据Mc-Tp-M1-M2-Tp-Mc进行编组，将车辆中的各结构对应为相应的参数输入数值模型；
2）、对1）中所述数值模型进行仿真计算：所述仿真计算在列车纵向的动力学计算程序中完成；
3）、对计算结果进行处理、分析，得到列车在运行方向的动力学特性，输出曲线；
4）、调整1）中的各参数值，得到最合理的输出曲线；
5）、根据3）中的输出曲线，完成车体刚度的分配、车体中部结构的设计，车钩的选型，车体端部吸能装置的结构设计，得到合理的车辆碰撞能量管理系统。
所述步骤1）中考虑加载、卸载特性，压溃管特性及剪切的破坏特性将车钩缓冲装置、压溃管、端部吸能装置及车体中部结构设置为非线性弹簧，将非线性弹簧的特性曲线输入到数值模型中；考虑轮轨摩擦的影响，设置轮轨间的摩擦系数，且在相邻车体之间的设置接触；车辆碰撞质量=空车载荷+定员人数总质量/2，车体的碰撞质量可以通过改变体单元密度或者增加体单元实现。
所述非静止列车轮轨之间的摩擦系数取0.003，静止列车轮轨之间的摩擦系数取0.16。
所述所述步骤2）中仿真计算基于显式动力学方程。
所述所述步骤3）中用软件HyperView对计算结果进行处理、分析。
所述所述步骤3）中对相邻车体之间的非线性弹簧力、体单元的位移、体单元的速度、体单元的加速度及相邻车体之间的接触力进行了输出，该输出曲线为时间历程曲线。
采用本发明所述的技术方案后，带来以下有益效果：
1、采用多结构相互配合吸收碰撞过程中的能量，结构合理、安全可靠。
2、准确的模拟列车在运行方向的动力学特性。包括力的传递、速度变化、加速度变化及能量统计。
3、设计方法合理的指导碰撞车体中部结构设计，有效减少车体中部结构设计失误，节省设计时间，提高设计效率。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。
附图说明
图1：本发明车辆碰撞能量管理系统设计方法流程图
图2：本发明车辆碰撞能量管理系统设计方法中车辆编组示意图
图3：本发明车辆碰撞能量管理系统中前端吸能装置结构示意图
图4：本发明车辆碰撞能量管理系统中前端吸能装置安装示意图
图5：本发明车辆碰撞能量管理系统中中间端吸能装置结构示意图
图6：本发明车辆碰撞能量管理系统中中间端吸能装置安装示意图
其中：1、驾驶动车，2、带弓拖车，3、中间动车，4、中间动车，5、车体前端，6、前端吸能装置，7、车体中间部，8、中间端吸能装置
具体实施方式
一种车辆碰撞能量管理系统，包括与车辆匹配的车钩缓冲装置、压溃管、端部吸能装置及具有足够刚度的车体中部结构，在车辆碰撞过程中各结构相互配合吸收能量，多个结构配合使用能够更大程度上提高了列车碰撞过程中的安全性能。
上述车钩缓冲装置是用于使车辆与车辆，机车或动车相互连挂，传递牵引力，制动力并缓和纵向冲击力的车辆部件。它由车钩，缓冲器、钩尾框，从板等组成一个整体，安装于车底架构端的牵引梁内。
上述压溃管是经特殊处理的钢管，安装在车钩尾部，主要承受压缩力，压溃管的强度要比车身略低但高于车辆正常连接时产生的纵向冲击力，当车辆产生高于正常连接速度时，压溃管发生塑性变形，吸收冲击能量，把列车纵向冲击力限制在车身强度以下，保护乘客区不产生较大变形。
所述的端部吸能结构为压溃变形吸能结构和/或胀管式吸能结构和/或切削式吸能结构。
如图3、图4所示，所述的端部吸能装置包括前端吸能装置6，所述前端吸能装置6设置在车体前部5车钩的两侧，该前端吸能装置的高度与车体底架的高度对应。前端吸能装置6吸收碰撞冲击产生的纵向载荷或者将载荷传递到底架并通过底架向后传递。
如图5、图6所示所述的端部吸能装置还包括辅助吸能装置，所述辅助吸能装置为设置在列车中间各车体之间的车体中间部7的中间端吸能装置8，该中间端吸能装置的高度与车体底架的高度保持一致。
如果车钩缓冲装置不足以与前端吸能装置6匹配完成吸能，则考虑在列车中间各车体之间增加辅助吸能装置。窄轨车辆中前端压缩行程较短不足以合理的进行能量吸收，因此考虑在列车中间各车体之间增加辅助吸能装置，来吸收碰撞过程中的能量，确保安全。
如图1所示，车辆碰撞能量管理系统的设计方法包括以下步骤：
1）、根据实际情况建立数值模型：将列车中各节车体简化为附有质量的体单元，依据Mc-Tp-M1-M2-Tp-Mc进行编组（参见图2），将车辆中的各结构对应为相应的参数输入数值模型；考虑到加载、卸载特性，压溃管特性及剪切的破坏特性将车钩缓冲装置、压溃管、端部吸能装置及车体中部结构设置为非线性弹簧，将非线性弹簧的特性曲线输入到数值模型中；考虑轮轨摩擦的影响，设置轮轨间的摩擦系数，且在相邻车体之间的设置接触，所述非静止列车轮轨之间的摩擦系数优选0.003，静止列车轮轨之间的摩擦系数优选0.16；车辆碰撞质量=空车载荷+定员人数总质量/2，车体的碰撞质量可以通过改变体单元密度或者增加体单元实现。
车钩缓冲装置的非线性弹簧参数参考车钩缓冲装置本身的相关数据输入，车端吸能装置的非线性弹簧参数低于车体的非线性弹簧参数。
2）、对1）中所述数值模型进行仿真计算：所述仿真计算在列车纵向的动力学计算程序中完成，该仿真计算基于显式动力学方程；
3）、对计算结果进行处理、分析，得到列车在运行方向的动力学特性，优选用软件HyperView对计算结果进行处理、分析，输出曲线；
4）、调整1）中的各参数值，得到最合理的输出曲线，该输出曲线为时间历程曲线，对相邻车体之间的非线性弹簧力、体单元的位移、体单元的速度、体单元的加速度及相邻车体之间的接触力进行了输出；
5）、根据3）中的输出曲线，完成车体刚度的分配、车体中部结构的设计，车钩的选型，车体端部吸能装置的结构设计，得到合理的车辆碰撞能量管理系统。
端部吸能装置的稳定变形力值应保持稳定，且与非线性弹簧特性的输入参数保持一致。
以上所述仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明原理前提下，还可以做出多种变形和改进，这也应该视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种车辆碰撞能量管理系统，其特征在于：包括与车辆匹配的车钩缓冲装置、压溃管、端部吸能装置及具有足够刚度的车体中部结构，在车辆碰撞过程中各结构相互配合吸收能量。
2.根据权利要求1所述的车辆碰撞能量管理系统，其特征在于：所述的端部吸能结构为压溃变形吸能结构和/或胀管式吸能结构和/或切削式吸能结构。
3.根据权利要求1或2所述的车辆碰撞能量管理系统，其特征在于：所述的端部吸能装置包括前端吸能装置，所述前端吸能装置设置在车体前部车钩的两侧，该前端吸能装置的高度与车体底架的高度保持一致。
4.根据权利要求3所述的车辆碰撞能量管理系统，其特征在于：所述的端部吸能装置还包括辅助吸能装置，所述辅助吸能装置为设置在列车中间各车体之间的中间端吸能装置，该中间端吸能装置的高度与车体底架的高度保持一致。
5.根据权利要求1-4任一所述的车辆碰撞能量管理系统的设计方法，其特征在于：所述的车辆碰撞能量管理系统的设计方法包括以下步骤：
1）、根据实际情况建立数值模型：将列车中各节车体简化为附有质量的体单元，依据Mc-Tp-M1-M2-Tp-Mc进行编组，将车辆中的各结构对应为相应的参数输入数值模型；
2）、对1）中所述数值模型进行仿真计算：所述仿真计算在列车纵向的动力学计算程序中完成；
3）、对计算结果进行处理、分析，得到列车在运行方向的动力学特性，输出曲线；
4）、调整1）中的各参数值，得到最合理的输出曲线；
5）、根据3）中的输出曲线，完成车体刚度的分配、车体中部结构的设计，车钩的选型，车体端部吸能装置的结构设计，得到合理的车辆碰撞能量管理系统。
6.根据权利要求5所述的车辆碰撞能量管理系统的设计方法，其特征在于：所述步骤1）中考虑加载、卸载特性，压溃管特性及剪切的破坏特性将车钩缓冲装置、压溃管、端部吸能装置及车体中部结构设置为非线性弹簧，将非线性弹簧的特性曲线输入到数值模型中；考虑轮轨摩擦的影响，设置轮轨间的摩擦系数，且在相邻车体之间的设置接触；车辆碰撞质量=空车载荷+定员人数总质量/2，车体的碰撞质量可以通过改变体单元密度或者增加体单元实现。
7.根据权利要求6所述的车辆碰撞能量管理系统的设计方法，其特征在于：所述非静止列车轮轨之间的摩擦系数取0.003，静止列车轮轨之间的摩擦系数取0.16。
8.根据权利要求5所述的车辆碰撞能量管理系统的设计方法，其特征在于：所述所述步骤2）中仿真计算基于显式动力学方程。
9.根据权利要求5所述的车辆碰撞能量管理系统的设计方法，其特征在于：所述所述步骤3）中用软件HyperView对计算结果进行处理、分析。
10.根据权利要求5所述的车辆碰撞能量管理系统的设计方法，其特征在于：所述步骤3）中对相邻车体之间的非线性弹簧力、体单元的位移、体单元的速度、体单元的加速度及相邻车体之间的接触力进行了输出，该输出曲线为时间历程曲线。
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