CN104908771A - 一种多孔材料填充薄壁金属结构的防爬器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多孔材料填充薄壁金属结构的防爬器，包括固定安装座、组合式吸能组件和防爬齿，所述固定安装座上设有第一安装槽结构，所述防爬齿上设有第二安装槽结构，所述第一安装槽结构和第二安装槽结构分别固定所述组合式吸能组件的两端；所述组合式吸能组件由薄壁金属结构和多孔填充件组成，所述多孔填充件填充在所述薄壁金属结构中。本发明提高了防爬器的吸能能力以及承受侧向载荷的能力。同时，该防爬器无需在车体的后端为碰撞后预留退让空间，极大降低了防爬器的轴向尺寸。

Description

一种多孔材料填充薄壁金属结构的防爬器

技术领域

本发明涉及轨道交通技术领域，尤其涉及的是一种多孔材料填充薄壁金属结构的防爬器。

背景技术

随着轨道交通的快速发展（高铁运行速度已超过300公里/小时），出行更加便捷的同时，事故造成的危害也越来越大，在提高主动控制可靠性的同时，被动安全防护也越来越受到重视。为减轻轨道交通车辆相互撞击时对车体结构造成的巨大破坏，通常在列车车厢首尾两端设置防爬器。

传统的轨道车辆防爬器，普遍采用钢板拼焊的结构形式，此类防爬器的结构刚性若过高，则在列车碰撞时会将冲击力传递给列车底架而减小受力面积，因此无法高效吸收冲击能量，车辆易侧翻。若防爬器的刚性过低，又易在侧向载荷的作用下产生侧向失稳，从而引起列车骑爬等后果。此外，其它常用的诸如胀管式和缩管式等类型的防爬器因需要在撞击时向后退让，通常具有较大的轴向尺寸，制造和安装都较复杂，且钢管材料性能对吸能效果的影响很大。

现代应用的轨道交通防爬器据有以下几种形式：1、内置泡沫铝吸能块结构；2、内置金属蜂窝型材导向结构；3、内置复合材料抽屉式结构。这几种防爬器均存在两个共同的缺点：沿碰撞方向轴向尺寸很大、重量大。原因是吸能块被压缩时，安装在金属蜂窝等吸能块外侧，起抗弯和导向作用的金属型材或抽屉式结构（通常由金属板焊接而成）需向后退让，这就需要为其提供避让空间，从而增加装置整体的轴向尺寸，且金属型材及抽屉式焊接结构重量较大，给列车的轻量化、小型化带来影响。如果为满足轻量化而撤去金属型材或抽屉式结构，则剩余结构将不再具有足够的抗弯性能以承受碰撞时的侧向力，防爬器在碰撞初始阶段就将因过度弯曲、折断或倾覆而失效。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种多孔材料填充薄壁金属结构的防爬器，解决了多孔材料防爬器抗弯性能差的问题，降低了防爬器的轴向尺寸。

本发明的技术方案如下：

一种多孔材料填充薄壁金属结构的防爬器，包括固定安装座、组合式吸能组件和防爬齿，所述固定安装座上设有第一安装槽结构，所述防爬齿上设有第二安装槽结构，所述第一安装槽结构和第二安装槽结构分别固定所述组合式吸能组件的两端；

所述组合式吸能组件由薄壁金属结构和多孔填充件组成，所述多孔填充件填充在所述薄壁金属结构中。

所述的多孔材料填充薄壁金属结构的防爬器，其中，所述第一安装槽结构和第二安装槽结构分别为突出于所述固定安装座和防爬齿的凹槽结构。

所述的多孔材料填充薄壁金属结构的防爬器，其中，所述第一安装槽结构上设有定位所述组合式吸能组件的定位孔。

所述的多孔材料填充薄壁金属结构的防爬器，其中，所述薄壁金属结构为1-5mm壁厚的金属结构。

所述的多孔材料填充薄壁金属结构的防爬器，其中，所述薄壁金属结构为1-5mm壁厚的不锈钢薄板或无缝钢管。

所述的多孔材料填充薄壁金属结构的防爬器，其中，多孔填充件为金属蜂窝元件、金属泡沫元件、非金属泡沫元件、多孔格栅元件。

所述的多孔材料填充薄壁金属结构的防爬器，其中，所述组合式吸能组件与所述固定安装座连接的一端上设有至少一个螺套，且所述薄壁金属结构上开有对应所述螺套的螺孔。

所述的多孔材料填充薄壁金属结构的防爬器，其中，所述固定安装底座与所述组合式吸能组件连通过紧固螺钉连接，且所述固定安装底座上设有安装过孔。

所述的多孔材料填充薄壁金属结构的防爬器，其中，所述组合式吸能组件与所述防爬齿通过满焊连接或胶接连接。

本发明所提供的多孔材料填充薄壁金属结构的防爬器，采用多孔填充件材料填充薄壁金属结构的组合式的防爬器，能够在列车碰撞时通过防爬器装置中多孔填充件和薄壁金属结构所具有的变形吸能特性及二者间的相互作用效应，将列车碰撞时的冲击能转化为多孔材料和薄壁金属结构沿碰撞方向的塑性变形能，提高了防爬器的吸能能力以及承受侧向载荷的能力。同时，该防爬器无需在车体的后端为碰撞后预留退让空间，极大降低了防爬器的轴向尺寸。

附图说明

图1是本发明中多孔材料填充薄壁金属结构的防爬器的立体示意图。

图2是本发明中多孔材料填充薄壁金属结构的防爬器的爆炸示意图。

图3是本发明中多孔材料填充薄壁金属结构的防爬齿的立体示意图。

图4是本发明中多孔材料填充薄壁金属结构的固定安装座的立体示意图。

图5是本发明中多孔材料填充薄壁金属结构的多孔填充件的结构示意图。

图6是本发明中多孔材料填充薄壁金属结构的剖视图。

图7是本发明的多孔材料填充薄壁金属结构规格、单一多孔材料、单一薄壁金属结构和单一多孔材料与单一薄壁金属结构叠加的测试曲线。

具体实施方式

本发明提供一种多孔材料填充薄壁金属结构的防爬器，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1所示，本发明提供的多孔材料填充薄壁金属结构的防爬器，包括固定安装座1、组合式吸能组件2和防爬齿3。当然的本发明中所示固定安装座1和防爬齿3的结构都有改变。其中所述固定安装座1上设有第一安装槽结构8，所述防爬齿3上设有第二安装槽结构7。所述第一安装槽结构8和第二安装槽结构7分别固定所述组合式吸能组件2的两端。具体的，本发明中组合式吸能组件2的两端分别内置于所述第一安装槽结构8和第二安装槽结构7中，在列车碰撞时，第一安装槽结构8和第二安装槽结构7对所述组合式吸能组件2具有导向作用，即防止组合式吸能组件2发生位移，引导车体在撞击方向上进行水平撞击，避免出现较大侧向载荷造成整车骑爬、侧翻等事故。

请参阅并结合图1和图2所示，所述组合式吸能组件2由薄壁金属结构4和多孔填充件5组成，所述多孔填充件5填充在所述薄壁金属结构4中以用于提高所述防爬器的抗弯性能和侧向载荷承受性能，进而提高了防爬器的可靠性。同时，该防爬器无需再外装金属型材等结构来提供抗弯和导向支撑，因而可以减小轴向尺寸、减轻重量，解决了以上传统防爬器的技术缺陷。列车碰撞时通过防爬器装置中多孔填充件5和薄壁金属结构4所具有的变形吸能特性及二者间的相互作用效应，将列车碰撞时的冲击能转化为多孔填充件5和薄壁金属结构4沿碰撞方向的塑性变形能，进而避免列车碰撞时车体过度变形及整体骑爬、侧翻等事故，为列车上的司乘人员及列车设备本身提供安全保障。所述防爬器简化了传统防爬器的结构，降低了生产成本，可实现批量化生产。

如图2至图6所示，本发明的多孔材料填充薄壁金属结构的防爬器中，所述第一安装槽结构8和第二安装槽结构7分别为突出于所述固定安装座1和防爬齿3的凹槽结构。上述吸能组件2的两端分别内置于第一安装槽结构8和第二安装槽结构7中，即将多孔填充件5填充在薄壁金属结构4中后再分别将两端内置于第一安装槽结构8和第二安装槽结构7中。所述第一安装槽结构8侧壁上设有定位所述组合式吸能组件2的定位孔6，可采用紧固螺钉9但不限于紧固螺钉9将组合后的多孔填充件5和薄壁金属结构4通过定位孔6固定在第一安装槽结构8上。所述组合式吸能组件2与所述固定安装座1连接的一端上设有至少一个螺套11，且所述薄壁金属结构4上开有对应所述螺套11的螺孔12，所述螺套11嵌入所述组合式吸能组件2中。紧固螺钉穿过定位孔6、螺孔12连接到组合式吸能组件2上的螺套11，将第一安装槽8和组合式吸能组件2固定连接。

所述固定安装底座1与所述组合式吸能组件2连通过紧固螺钉9连接以后，通过所述固定安装底座1上设置的安装过孔10将固定安装底座1固定在车辆前端。另所述组合式吸能组件2与所述防爬齿3通过满焊连接或胶接连接，使二者的连接更为牢固。当然本发明组合吸能组件2和防爬齿3的连接方式也可以采用其他连接方式，如螺钉连接等。

具体的，所述防爬齿3包括齿部，及与所述齿部一体结构或通过焊接连接的第二安装槽结构7。列车碰撞时，不同列车上各自安装的防爬器的防爬齿3相互咬合，防止列车骑爬。所述固定安装座1包括法兰安装板，及与所述法兰安装板一体结构或通过焊接连接的第一安装槽结构8。通过螺钉将法兰安装板固定在列车端部，然后将吸能组件2固定在第一安装槽结构8中，并连接防爬齿3。当列车发生撞击时，固定安装座1作为防爬器支撑部，吸能组件2的多孔填充件5和薄壁金属结构4同时发生塑性变形并吸收列车冲击能。多孔填充件5变形时受外部薄壁金属结构4的限制不易折弯从而整体上增加了防爬器的抗弯性能。又由于薄壁金属结构4同时发生变形，此时变形中的薄壁金属结构4与变形中的多孔填充件5之间相互挤压进行二次变形，即薄壁金属结构4和多孔填充件5受力后又互相作用产生力的消耗，增加了防爬器的吸能效率。同时多孔填充件5填充在薄壁金属结构4中形成组合式吸能组件2，使得整体的吸能组件2不易折断。

下面通过一具体实施例对本发明作进一步说明。请参阅图2并结合图6所示，本发明提供的多孔材料填充薄壁金属结构的防爬器，包括固定安装座1、组合式吸能组件2和防爬齿3。当然的本发明中所示固定安装座1和防爬齿3的结构都有改变。其中所述固定安装座1上设有第一安装槽结构8，所述防爬齿3上设有第二安装槽结构7。所述第一安装槽结构8和第二安装槽结构7分别固定所述组合式吸能组件2的两端。所述多孔填充件5填充在所述薄壁金属结构4中以用于提高所述防爬器的抗弯性能和侧向载荷承受性能，进而提高了防爬器的可靠性。其中所述薄壁金属结构4为1-5mm壁厚的金属结构，所述薄壁金属结构4具体可选用1-5mm壁厚的不锈钢薄板或无缝钢管，但不限于不锈钢板或无缝钢管。多孔填充件5为但不限于金属蜂窝元件、金属泡沫元件、非金属泡沫元件、多孔格栅元件。

较为常用的多孔填充件5多为蜂窝芯多孔填充件5，其是由大小规则有序的正六边形堆叠而成，基体材料可为5052等牌号铝材、304不锈钢等。但本发明不对以上基材做限定。本发明意在保护采用薄壁金属结构4和多空填充件结合的吸能方式以增加防爬器的吸能效率，解决现有技术中防爬器抗弯性差、轴向尺寸大的技术缺陷。

  多孔填充件材料填充薄壁金属结构4防爬器具备的优异抗弯性能和吸能能力，二者形成的组合结构共同参与抗弯，相对于单一的多孔材料防爬器，抗弯性能可提高30%以上。例如本发明防爬器的轴向尺寸为600 mm时，防爬齿部在大小为150 KN的侧向载荷作用下不会发生撕裂或倾覆失效，而同样规格和尺寸的单一多孔材料防爬器，在100 KN的侧向载荷作用下，防爬部的弯曲挠度超过5 mm，多孔材料有局部撕裂现象。同时，紧凑的结构形式优化了防爬器的外形尺寸，在保证吸能效率的同时可减小防爬器轴向尺寸40%以上（传统防爬器轴向尺寸为1000mm，本发明防爬器轴向尺寸小于600mm），为整车的轻量化、小型化提供技术支撑。列车撞击时多孔材料（多空填充件）和薄壁金属结构4共同参与吸能，在被压缩过程中两构件除了各自发生塑性变形吸能外，二者之间还存在相互作用效应，综合吸能效果比二者单独工作时吸能量的线性叠加值还要高10%以上。

具体的说，传统防爬器的轴向尺寸为1000mm，本发明较佳实施例中一种防爬器的轴向尺寸数据为600mm，在减小防爬器轴向尺寸的同时能得到同样可靠的吸能性能。二者之间的相互作用效应主要表现在，由于多孔填充件材料屈曲变形时的塑性铰小于薄壁金属结构屈曲变形时的塑性铰，因而组合式吸能组件在压缩变形过程中，多孔填充件材料和薄壁金属结构在侧向方向上会相互挤压，薄壁金属结构屈曲后局部嵌入多孔材料，引起多孔材料局部致密度增加，轴向抗压强度提高，同时多孔材料也能为薄壁结构提供支撑，对其屈曲变形有阻碍作用，薄壁结构的轴向抗压强度也得到提高。

具体如图7所示，为防爬器的变形量、载荷曲线示意图；曲线从上至下，依次为本发明填充结构的变形、载荷曲线、二者线性叠加的变形、载荷曲线，单一多孔材料的变形、载荷曲线（水平线）和单一薄壁金属结构的变形、载荷曲线。由图中可知，单一的多孔材料和单一薄壁金属结构的防爬器在变形量相同的情况下，载荷能力均低于本发明的将多孔材料填充于薄壁金属结构中的填充结构的载荷能力，就算将单一多孔材料和单一薄壁金属结构二者线性叠加，在相同的变形量的情况下载荷能力依然低于本发明的填充结构的载荷能力。轴向尺寸在1000mm的防爬器和600mm的防爬器实验检测数据中可以看出，本发明采用组合的方式将薄壁金属结构和多孔填充材料结合，减小了防爬器的轴向尺寸，提高了吸能效果。当然本发明中图7中的数据仅是本发明的一种常用规格产品的性能，但足以说明本发明与现有技术的优越性，在此不再赘述其他规格产品性能。

综上所述，本发明所提供的多孔材料填充薄壁金属结构的防爬器，采用多孔填充件材料填充薄壁金属结构的组合式的防爬器，能够在列车碰撞时通过防爬器装置中多孔填充件和薄壁金属结构所具有的变形吸能特性及二者间的相互作用效应，将列车碰撞时的冲击能转化为多孔材料和薄壁金属结构沿碰撞方向的塑性变形能，提高了防爬器的吸能能力以及承受侧向载荷的能力。同时，该防爬器无需在车体的后端为碰撞后预留退让空间，极大降低了防爬器的轴向尺寸。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，例如，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种多孔材料填充薄壁金属结构的防爬器，其特征在于，包括固定安装座、组合式吸能组件和防爬齿，所述固定安装座上设有第一安装槽结构，所述防爬齿上设有第二安装槽结构，所述第一安装槽结构和第二安装槽结构分别固定所述组合式吸能组件的两端；

所述组合式吸能组件由薄壁金属结构和多孔填充件组成，所述多孔填充件填充在所述薄壁金属结构中。

2.根据权利要求1所述的多孔材料填充薄壁金属结构的防爬器，其特征在于，所述第一安装槽结构和第二安装槽结构分别为突出于所述固定安装座和防爬齿的凹槽结构。

3.根据权利要求1所述的多孔材料填充薄壁金属结构的防爬器，其特征在于，所述第一安装槽结构上设有定位所述组合式吸能组件的定位孔。

4.根据权利要求1所述的多孔材料填充薄壁金属结构的防爬器，其特征在于，所述薄壁金属结构为1-5mm壁厚的金属结构。

5.根据权利要求1所述的多孔材料填充薄壁金属结构的防爬器，其特征在于，所述薄壁金属结构为1-5mm壁厚的不锈钢薄板或无缝钢管。

6.根据权利要求1所述的多孔材料填充薄壁金属结构的防爬器，其特征在于，多孔填充件为金属蜂窝元件、金属泡沫元件、非金属泡沫元件、多孔格栅元件。

7.根据权利要求1所述的多孔材料填充薄壁金属结构的防爬器，其特征在于，所述组合式吸能组件与所述固定安装座连接的一端上设有至少一个螺套，且所述薄壁金属结构上开有对应所述螺套的螺孔。

8.根据权利要求1所述的多孔材料填充薄壁金属结构的防爬器，其特征在于，所述固定安装底座与所述组合式吸能组件连通过紧固螺钉连接，且所述固定安装底座上设有安装过孔。

9.根据权利要求1所述的多孔材料填充薄壁金属结构的防爬器，其特征在于，所述组合式吸能组件与所述防爬齿通过满焊连接或胶接连接。