CN104563021A - 一种动能衰减装置及应用该装置的通用等级公路护栏 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动能衰减装置，包括两端封闭的中空壳体，壳体两侧端盖上分别设有供栏索穿过的通孔，且两通孔与壳体中心轴线同轴；壳体内设有与栏索连接且能够移动的破损装置；破损装置与壳体端盖间设置有破损体，两个破损装置间设置有形变体；当栏索突然受力时，破损装置对破损体与形变体施力，形变体被拉伸、破损体被压宿，将栏索经受的撞击力转换成机械能或热能。同时，还公开了应用上述动能衰减装置的通用等级公路护栏，通过在栏索中串联特别适用于低频率动态消能的动能衰减装置，使得护栏消能效果好，各部件成本低，产品造价不因防护等级提升而增长，维修时只需简单更换破损体即可，其适应性更广，可靠性更高。

Description

一种动能衰减装置及应用该装置的通用等级公路护栏

技术领域

本发明属于公路安全防护技术领域，具体涉及一种动能衰减装置及应用该装置的通用等级公路护栏。

背景技术

公路护栏是防止车辆越出路外或进入对向车道发生安全事故的重要安全设施。目前使用的公路护栏有三种结构形式：波纹钢板结构的半刚性护栏、混凝土结构的刚性护栏及钢缆索结构的柔性护栏。其技术特点是：刚性护栏主要是依靠失控车辆碰撞后爬高、转向来吸收碰撞能量；半刚性护栏则是利用土基、立柱、波纹钢板的变形来吸收碰撞能量，并迫使失控车辆改变方向；柔性护栏依靠缆索的拉应力来抵抗车辆的碰撞，吸收碰撞能量。

交通运输事业与旅游事业的高速发展，带来客运、货运流量的急剧增长，18000kg、25000kg的大型、特大型车辆的拥有量与日俱增，由此车辆越出路面、侧翻等重大事故、恶性事故屡见不鲜。事实上，原有护栏产品的技术指标不符合对大型、特大型车辆防护等级的规定，2013年10月31日《公路护栏安全性能评价标准》（以下简称《标准》）实施，根据增强路侧护栏性能的必要性，将公路护栏等级向上增加了两个级别，分别对18000kg大型客、货车（六级SS）、25000kg特大型客、货车（七级HB）、25000kg特大型客与55000kg特大型货车(八级HA）的防护等级作出了规定。《标准》实施后，达到了规定的防护等级，但是大型、特大型车辆防护护栏产品目前在市场上还是空白，公路实际运营时还是存在很大安全隐患。

传统公路护栏产品存在两大经济技术弊端：

其一，传统护栏的技术开发是在系统结构中都没有特定的消能结构部件及其动能转换数学模型的情况下进行的，这种仅仅依靠护栏材料变形范围长度的技术理念没有直接针对车辆撞击护栏时动能转换的本质问题，过于理想、简单，且对护栏结构“力-功-能”变化转换的能力“心中无底”。总之，并不尽人意。

其二，由于技术方案结构原理的因素，目前公路护栏产品的经济性与安全性的价值取向相悖。若提高护栏防护性能，其造价也随着急剧增长颇，如SBM半刚型护栏造价为680元/m，而SBM刚型护栏造价则高达1050元/m，因此考虑到工程造价的因素，护栏设计往往不得不降低防护等级，使用SB级（四级）护栏；而对于非理性的车辆事故，发生SB级以上的撞击是完全可能的，所以对于这种受造价制约而降低产品性能的方式存在很大安全隐患。

发明内容

针对上述问题，本发明旨在提供一种防护性能等级高，消能效果好，造价及维护费用低的动能衰减装置及应用该装置的通用等级公路护栏。

本发明解决问题的技术方案是：一种动能衰减装置，包括两端封闭的中空壳体，壳体两侧端盖上分别设有供栏索穿过的通孔，且两通孔与壳体中心轴线同轴；

所述壳体内设有能够产生伸缩形变将压力转换成机械能或热能，从而消能的形变体，形变体两端分别连接有破损装置，破损装置两侧分别固定设有承受压力F后失效，从而消能的至少一个破损体；

常态下，形变体两端的破损装置分别与栏索连接且被限制在破损装置两侧的破损体之间。

所述形变体由弹性部件构成，优选为拉簧或复合橡胶。

具体的，所述壳体为圆筒状，其内壁两端分别嵌有内套管，该内套管与壳体内壁紧密配合，内壁两端的内套管之间留有间隙，该间隙与壳体内壁之间形成了环形凹槽,且环形凹槽与内套管之间形成有台阶面；

所述破损装置为圆柱形压块，该圆柱形压块包括直径小于等于环形凹槽的直径且大于内套管内径的圆柱端部，该圆柱端部卡合在环形凹槽中，圆柱端部轴向一侧设置有直径小于等于内套管内壁的撞击部,该撞击部配合安装于内套管内壁；

该圆柱形压块能够在壳体中沿圆筒状壳体的轴线移动,同时所述圆柱端部可在环形凹槽中轴向移动，并最终被限位于环形凹槽与内套管之间形成的台阶面。

所述破损体为由刚性材料制成的圆柱体剪截柱，该圆柱体剪截柱与壳体壁通过螺纹连接。圆柱体剪截柱优选为螺杆；

或者，所述破损体为由刚性材料制成的中空状可损体，中空状可损体上设有供栏索穿过的通孔，该中空状可损体置于圆柱形压块与壳体两侧端盖之间的空腔中。

进一步的，为使得事故发生后护栏维护时，方便的恢复到原状，所述壳体两侧端盖可拆卸，用于更换破损体。破损体更换完成然后安装壳体两侧端盖即可将护栏恢复到常用状态，维修简单迅速。

相应的，本发明还提供了应用上述动能衰减装置的通用等级公路护栏，包括间隔设置固定于路基的立柱，在立柱上至上而下间隔固定有栏索，并且所有栏索在同一平面上，每两根立柱之间的栏索上均设有上述动能衰减装置，所述栏索分别与动能衰减装置内的两个破损装置固定连接，动能衰减装置依次串联在每根栏索上。

优选的，所述整个护栏系统的栏索设置方式为平行间隔布置，上下栏索之间两两平行。

甚至，所述每两根立柱之间设置的动能衰减装置上还可以并联有至少一个动能衰减装置。使得碰撞过程中护栏的轴向变形量与只有一个动能衰减装置的轴向变形量相同，但是能够吸收的碰撞能量却增大。这样更加能够避免护栏轴向变形量大了之后车辆会冲出路基。

进一步的，为使得栏索固定于立柱上之后能够张紧，并且能够更多的吸收碰撞能量，所述立柱与地面接触的根部为用弹性材料制成的柔性柱。这样，在事故发生时，柔性立柱首先会起到一定的缓冲作用。

更进一步的，所述立柱中下部设有用于缓冲的柔性垫环，以主要针对重心低的车辆起缓冲作用；

具体的，整个护栏系统包括5根栏索，位于立柱中下部的柔性垫环上固定有2根栏索，立柱中上部固定有3根栏索，中上部的3根栏索通过垫板与立柱固定，垫板与柔性垫环具有相同的厚度，以确保中上部的3根栏索与中下部的2根栏索在同一平面。

栏索拉伸强度大于破损体与形变体强度之和。

此外，立柱还可以做成中空的，可在立柱空腔中灌入砂子，亦可在一定程度上起到缓冲消能作用。

本发明的工作原理是：车辆撞击时对栏索进行拉伸，栏索将拉伸力传递到动能衰减装置，变为对其中破损体和形变体的作用力，破损体和形变体突发机械变形，将车辆撞击动能转换为机械能和热能，由此实现衰减车辆撞击动能的技术目标。其能量转换平衡公式为：

Ed=∑Ez                     （1）

其中，Ed为车辆动能，Ez为动能衰减装置吸收的能量；

公式（1）中，车辆撞击护栏动能Ed由《标准》规定的防护等级确定；∑Ez为动能衰减装置吸收的能量之和，动能转换的能力由动能衰减装置使用的形变体、破损体使用的材料、结构及数量确定；

护栏轴向变量（栏索长度变量）等于串联在护栏系统中动能衰减装置的轴向变量之和。并联的动能衰减装置增强系统动能转换能力，不增加护栏轴向变形量。

破损体与形变体消耗的能量之和确定护栏的转换能量；

破损装置在环形凹槽中的行程之和确定栏索护栏长度的变形量；

该种技术方案的特点是：当车辆撞击护栏时，系统中总会有一批动能衰减装置会突发机械变形，其消耗的能量会与车辆撞击相当，由此吸收可能酿成事故的撞击动能。

本发明的技术方案的各部分工作过程为：拉索被拉伸，将拉力传递给动能衰减装置中的破损装置，破损装置在环形凹槽中平移并作用在破损体上，当破损体所承受的压力超过其极限值之后，破损体被破坏，此过程中，破损体对破损装置的阻碍作用吸收了部分撞击能量；

之后，破损装置继续被栏索拉伸，与破损装置连接的形变体逐渐在拉伸力的作用下产生弹性形变，通过将撞击动能转化为弹性势能从而起到消能作用，破损装置到达限位台阶面后停止，至此，一个动能衰减装置的能量转换完成。

对于整个护栏系统，在一个动能衰竭装置受力的同时，可将其余的撞击力迅速地传递到其它动能衰减装置，消除更多的车辆撞击能量。

其主要技术特征的作用如下：

破损体：一般由刚性材料制成，通过自身破坏从而进行缓冲消能。可承受的压力F由其结构、材料性能、数量等确定，其抗剪力T为：

T=tA                          （2）

其中t为抗剪强度，A为受剪面积。

形变体：通过产生弹性变形从而吸收撞击能量。

破损装置：主要作用就是使破损体破损。

内套管：主要起限位作用，防止形变体的变形量过大而使得破损装置与两端端盖接触，从在端盖与破损装置之间预留了足够的空间，给后续维修中破损体的更换提供了方便。

动能衰减装置：这是一个将车辆撞击动能转换为机械能的部件，也是一个力学变向的结构部件。当车辆撞击护栏时栏索被拉伸，动能衰减装置将这种拉伸力转变为对该部件中两个方向的力,这个力将设置在其中的破损体剪截或压缩，将形变体拉伸，使之突发机械变形，消耗一定能量，由此衰减车辆撞击护栏的动能。

本发明的显著效果是：通过在护栏系统中增加特别适用于低频率动态消能的动能衰减装置，使得护栏消能效果好，在造价与维护费用低的同时，力学技术指标可通过数学模型及动能衰减装置中结构件的工艺参数精确的计算得出，从而使得技术指标可控。

同时，本发明开发的护栏系统中的各部件成本低，产品的造价不因防护等级提升而增长，维修时只需简单的更换破损体即可，其适应性更加广泛、更加安全可靠，将公路护栏关键技术从本质上进行了大幅提升，实现了公路护栏关键技术的重大创新与技术进步。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1为本发明的动能衰减装置结构图。

图2为本发明护栏的结构图。

图3为立柱的结构图。

图4为实施例1的动能衰减装置常态下的纵截面图。

图5为实施例1的动能衰减装置中的圆柱体剪截柱破损后的纵截面图。

图6为实施例2的动能衰减装置常态下的纵截面图。

图7为实施例2的动能衰减装置中的中空状可损体破损后的纵截面图。

其中,1-栏索，2-立柱，3-动能衰减装置，21-柔性垫环，22-柔性柱，23-垫板，31-壳体，32-端盖，33-拉簧，34-圆柱体剪截柱，35-环形凹槽，36-圆柱形压块，37-中空状可损体，38-台阶面，39-内套管，361-圆柱端部，362-撞击部。

具体实施方式

实施例1

如图1～5所示，一种动能衰减装置3，包括两端封闭的中空壳体31，壳体31两侧端盖32上分别设有供栏索1穿过的通孔，且两通孔与壳体中心轴线同轴；

所述壳体31为圆筒状，其内壁两端分别嵌有内套管39，该内套管39与壳体内壁紧密配合，内壁两端的内套管39之间留有间隙，该间隙与壳体内壁之间形成了环形凹槽35,且环形凹槽35与内套管39之间形成有台阶面38，壳体31两侧端盖32可拆卸；

所述壳体31内设有能够产生伸缩形变将压力转换成机械能或热能，从而消能的拉簧33，拉簧33两端分别连接有破损装置，破损装置两侧分别固定设有承受压力F后失效，从而消能的两个破损体；

所述破损体为由刚性材料制成的圆柱体剪截柱34，该圆柱体剪截柱34与壳体壁通过螺纹连接；本实施例中圆柱体剪截柱为螺杆；

所述破损装置为圆柱形压块36，该圆柱形压块36包括直径小于等于环形凹槽35的直径且大于内套管39内径的圆柱端部361，该圆柱端部361卡合在环形凹槽35中，圆柱端部361轴向一侧设置有直径小于等于内套管39内壁的撞击部362,该撞击部362配合安装于内套管39内壁；

该圆柱形压块36能够在壳体中沿圆筒状壳体31的轴线移动,同时所述圆柱端部361可在环形凹槽35中轴向移动，并最终被限位于环形凹槽35与内套管39之间形成的台阶面38。

常态下，拉簧33两端的圆柱形压块36分别与栏索连接且被限制在圆柱形压块36两侧的圆柱体剪截柱34之间。

相应的，本实施例还提供应用上述动能衰减装置的通用等级公路护栏，包括间隔设置固定于路基的立柱2，在立柱2上至上而下平行间隔固定有栏索1，并且所有栏索1在同一平面上，上下栏索1之间两两平行,每两根立柱2之间的栏索1上均设有上述动能衰减装置3，所述栏索1分别与动能衰减装置3内的两个圆柱体剪截柱34固定连接。

所述立柱2与地面接触的根部为用弹性材料制成的柔性柱22,立柱2中下部设有用于缓冲的柔性垫环21，以主要针对重心低的车辆起缓冲作用；

具体的，整个护栏系统包括5根栏索1，位于立柱2中下部的柔性垫环21上固定有2根栏索1，立柱2中上部固定有3根栏索1，中上部的3根栏索1通过垫板23与立柱2固定，垫板23与柔性垫环21具有相同的厚度，以确保中上部的3根栏索与中下部的2根栏索在同一平面。

实施例2

如图6、图7所示,重复实施例1，所不同的是：所述破损体为由刚性材料制成的中空状可损体37，中空状可损体37上设有供栏索1穿过的通孔，该中空状可损体37置于圆柱形压块36与壳体两侧端盖32之间的空腔中。

Claims (10)

1.一种动能衰减装置，其特征在于：包括两端封闭的中空壳体，壳体两侧端盖上分别设有供栏索穿过的通孔，且两通孔与壳体中心轴线同轴；

所述壳体内设有能够产生伸缩形变将压力转换成机械能或热能，从而消能的形变体，形变体两端分别连接有破损装置，破损装置两侧分别固定设有承受压力F后失效，从而消能的至少一个破损体；

常态下，形变体两端的破损装置分别与栏索连接且被限制在破损装置两侧的破损体之间。

2.根据权利要求1所述的动能衰减装置，其特征在于：所述形变体由弹性部件构成；

所述壳体为圆筒状，其内壁两端分别嵌有内套管，该内套管与壳体内壁紧密配合，内壁两端的内套管之间留有间隙，该间隙与壳体内壁之间形成了环形凹槽,且环形凹槽与内套管之间形成有台阶面；

所述破损装置为圆柱形压块，该圆柱形压块包括直径小于等于环形凹槽的直径且大于内套管内径的圆柱端部，该圆柱端部卡合在环形凹槽中，圆柱端部轴向一侧设置有直径小于等于内套管内壁的撞击部,该撞击部配合安装于内套管内壁；

该圆柱形压块能够在壳体中沿圆筒状壳体的轴线移动,同时所述圆柱端部可在环形凹槽中轴向移动，并最终被限位于环形凹槽与内套管之间形成的台阶面。

3.根据权利要求2所述的动能衰减装置，其特征在于：所述破损体为由刚性材料制成的圆柱体剪截柱，该圆柱体剪截柱与壳体壁通过螺纹连接。

4.根据权利要求2所述的动能衰减装置，其特征在于：所述破损体为由刚性材料制成的中空状可损体，中空状可损体上设有供栏索穿过的通孔，该中空状可损体置于圆柱形压块与壳体两侧端盖之间的空腔中。

5.根据权利要求1～4任一项所述的动能衰减装置，其特征在于：所述壳体两侧端盖可拆卸，用于更换破损体。

6.一种应用权利要求1～5任一项所述动能衰减装置的通用等级公路护栏，包括间隔设置固定于路基的立柱，在立柱上至上而下间隔固定有栏索，并且所有栏索在同一平面上，其特征在于：每两根立柱之间的栏索上均设有权利要求1～6任一项所述的动能衰减装置，所述栏索分别与动能衰减装置内的两个破损装置固定连接，动能衰减装置依次串联在每根栏索上。

7.根据权利要求6所述的通用等级公路护栏，其特征在于：所述整个护栏系统的栏索设置方式为平行间隔布置，上下栏索之间两两平行。

8.根据权利要求7所述的通用等级公路护栏，其特征在于：所述每两根立柱之间设置的动能衰减装置上还并联有至少一个动能衰减装置。

9.根据权利要求6所述的通用等级公路护栏，其特征在于：所述立柱与地面接触的根部为用弹性材料制成的柔性柱。

10.根据权利要求6～9任一项所述的通用等级公路护栏，其特征在于：所述立柱中下部设有用于缓冲的柔性垫环；

整个护栏系统包括5根栏索，位于立柱中下部的柔性垫环上固定有2根栏索，立柱中上部固定有3根栏索，中上部的3根栏索通过垫板与立柱固定，垫板与柔性垫环具有相同的厚度，以确保中上部的3根栏索与中下部的2根栏索在同一平面。