CN108860206B - 一种可重复使用的轨道车辆用碰撞吸能装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可重复使用的轨道车辆用碰撞吸能装置，包括受冲击杆、外管、阻尼结构、回复结构和端部底座；阻尼结构包括阻尼塞、导向管和阻尼弹性元件，回复结构包括回复活塞和回复弹性元件；外管为管状结构且内部由隔板分隔为前腔体和后腔体，隔板上设置有通孔状的阻尼孔使得阻尼流体可以在前腔体和后腔体之间流通；阻尼塞在初始位置时至少有部分长度设置在所述阻尼孔中，且在装置受冲击时阻尼塞能沿着装置的前后方向运动；阻尼塞径向最粗处与阻尼孔间形成缝隙而供阻尼流体在前腔体和后腔体之间流通。本发明所述装置吸能效果好，能够减小在二次碰撞中对乘员进行的伤害，且可重复使用因而能显著降低吸能装置的成本。

Description

一种可重复使用的轨道车辆用碰撞吸能装置

技术领域

本发明属于轨道车辆用安全装置领域，具体涉及一种可重复使用的轨道车辆用碰撞吸能装置。

背景技术

随着轨道交通的发展，人们对轨道车辆的安全性能越来越重视。当前轨道车辆中吸能结构主要是以金属压溃吸能为主，压溃后该结构不能再次使用。其力学特性曲线一般为有很大峰值的锯齿状波浪线，有很高的触发阙值要求，导致减速度峰值很大，不利于乘员安全。

本发明的发明人在先研究的发明专利CN201610860262.4和CN201610115228.4中均提供了一种轨道车辆用碰撞吸能装置，这些碰撞吸能装置均取得了良好的碰撞缓冲效果，但这些装置都不能重复使用。

在其它领域，例如汽车碰撞吸能装置领域，其中有的应用可重复使用的油压缓冲器。但这些类型的装置结构可承受的冲击速度极限及其可吸收的能量水平都根本无法满足轨道车辆领域的相关要求。

因此，本领域亟待开发一种可重复使用的轨道车辆用碰撞吸能装置。

发明内容

因此，本发明提供一种可重复使用的轨道车辆用碰撞吸能装置，所述吸能装置包括受冲击杆、外管、阻尼结构、回复结构和端部底座；所述阻尼结构包括阻尼塞、导向管和阻尼弹性元件，所述回复结构包括回复活塞和回复弹性元件；所述外管为管状结构且内部由隔板分隔为前腔体和后腔体，所述隔板上设置有通孔状的阻尼孔使得阻尼流体可以在前腔体和后腔体之间流通；所述受冲击杆包括位于前端的受冲击端和位于后端的活塞端，受冲击杆的活塞端设置在外管内，而受冲击端设置在外管以外；所述阻尼塞在初始位置时至少有部分长度设置在所述阻尼孔中，且在装置受冲击时阻尼塞能沿着装置的前后方向运动，外管的后端通过与端部底座固定连接使得整个碰撞吸能装置能固定设置在轨道车辆上，所述后腔体中设置有导向管、阻尼弹性元件、回复活塞和回复弹性元件，导向管为管状结构且其后端固定设置在端部底座上，其前端设置有过孔使得阻尼塞的后端穿过所述过孔而设置在导向管内部，且在初始位置时阻尼塞的后端经所述阻尼弹性元件而固定设置在端部底座上，所述阻尼塞的后端的径向尺寸与所述导向管的内径匹配，因而在所述吸能装置受冲击后阻尼塞的后端能沿导向管的内壁做前后运动；所述回复活塞设置在导向管外壁的外侧，在初始位置时回复活塞经所述回复弹性元件固定设置在端部底座上，且在所述吸能装置受冲击后回复活塞在导向管外壁和外管内壁的导向下能前后运动；所述阻尼流体填充在受冲击杆后端与回复活塞前端之间的腔体内；所述阻尼塞径向最粗处的尺寸小于阻尼孔的径向尺寸，使得二者间形成缝隙而供阻尼流体在前腔体和后腔体之间流通。

在一种具体的实施方式中，所述缝隙为宽度在0.01～5mm的环缝，优选0.5～1.5mm。

在一种具体的实施方式中，所述阻尼塞的前端为前细后粗的圆台形或棱椎台形结构。

在一种具体的实施方式中，所述阻尼弹性元件和回复弹性元件均为弹簧和惰性气体中的一种。

在一种具体的实施方式中，所述阻尼弹性元件为弹簧时，其弹簧刚度为50～2000N/mm，优选100～1000N/mm。

在一种具体的实施方式中，所述阻尼流体为液压油。

在一种具体的实施方式中，初始状态时，受冲击杆的后端面至隔板的前端面之间的腔体体积大于隔板的后端面至回复活塞的前端面之间的腔体体积。

在一种具体的实施方式中，所述装置还包括设置在外管最前端以及设置在受冲击杆中部径向外侧的密封件。

在一种具体的实施方式中，所述隔板的轴向厚度为d，且d为5～100mm，优选d为15～45mm；装置在初始位置时，所述阻尼塞的前端面与所述隔板的前端面平齐设置，或所述阻尼塞的前端面设置在所述隔板的前端面之前的0.5d距离以内，或所述阻尼塞的前端面设置在所述隔板的前端面之后的0.8d距离以内。

在一种具体的实施方式中，导向管的内径尺寸大于过孔的径向尺寸，且导向管的内径尺寸大于阻尼孔的径向尺寸。

本发明至少具有如下有益效果：

1、本发明中在初始位置时，在阻尼孔内设置阻尼塞的前端，当装置受冲击后，因为阻尼塞向后逐渐退出阻尼孔而使得阻尼孔中被阻尼塞填满的体积变小，相应的阻尼孔中阻尼流体的体积逐渐变大，因而本发明中在碰撞后发生的阻尼过程是“非恒定”过程，比现有技术中“阻尼孔内恒定的阻尼流体填充体积”的碰撞过程更为平缓。

2、在一种优选的方式中，本发明中将阻尼塞的前端设置为前小后大的圆台形或棱椎台形时，在装置受冲击后，不仅仅是阻尼塞退出阻尼孔中引起轴向上体积的变化，且阻尼孔中的阻尼塞的前端在径向上尺寸也有变化，使得本发明所述“碰撞后阻尼孔内非恒定的阻尼流体填充体积”的变化更为明显，该碰撞缓冲过程比使用圆柱形或棱柱形的阻尼塞前端时更平缓。

3、本发明中，阻尼塞在不同位置受到阻尼弹性元件及阻尼流体的压力不同，在受冲击状态下，该装置可自动调整阻尼塞伸入阻尼孔中的长度，形成不同的阻尼结构，从而达到平缓的阻尼效果。

4、总的说来，本发明所述碰撞吸能装置在受到碰撞后，其力学特性曲线非常完美，装置零触发力，阻抗力上升快，缓冲力平稳，吸能效果好，能够减小在二次碰撞中对乘员进行的伤害，且可重复使用因而能显著降低吸能装置的成本。

附图说明

图1为本发明所述碰撞吸能装置的外观结构示意图。

图2为图1所示结构的主视图。

图3为图2所示结构的A-A向剖视图。

图4为图3所示结构的部分位置放大示意图。

图5为本发明所述碰撞吸能装置的端部底座结构示意图。

图6为本发明所述碰撞吸能装置在不同弹簧刚度下的碰撞仿真结果。

具体实施方式

本发明以下述实施例和附图加以说明，但本发明的保护范围并不仅限于此，本发明的保护范围应以权利要求书为准。

实施例1

如图1～5所示，本发明提供一种可重复使用的轨道车辆用碰撞吸能装置，所述吸能装置包括受冲击杆、外管、阻尼结构、回复结构和端部底座；所述阻尼结构包括阻尼塞、导向管和阻尼弹性元件，所述回复结构包括回复活塞和回复弹性元件；所述外管为管状结构且内部由隔板分隔为前腔体和后腔体，所述隔板上设置有通孔状的阻尼孔使得阻尼流体可以在前腔体和后腔体之间流通；所述受冲击杆包括位于前端的受冲击端和位于后端的活塞端，受冲击杆的活塞端设置在外管内，而受冲击端设置在外管以外；所述阻尼塞在初始位置时至少有部分长度设置在所述阻尼孔中，且在装置受冲击时阻尼塞能沿着装置的前后方向运动，外管的后端通过与端部底座固定连接使得整个碰撞吸能装置能固定设置在轨道车辆上，所述后腔体中设置有导向管、阻尼弹性元件、回复活塞和回复弹性元件，导向管为管状结构且其后端固定设置在端部底座上，其前端设置有过孔使得阻尼塞的后端穿过所述过孔而设置在导向管内部，且在初始位置时阻尼塞的后端经所述阻尼弹性元件而固定设置在端部底座上，所述阻尼塞的后端的径向尺寸与所述导向管的内径匹配，因而在所述吸能装置受冲击后阻尼塞的后端能沿导向管的内壁做前后运动；所述回复活塞设置在导向管外壁的外侧，在初始位置时回复活塞经所述回复弹性元件固定设置在端部底座上，且在所述吸能装置受冲击后回复活塞在导向管外壁和外管内壁的导向下能前后运动；所述阻尼流体填充在受冲击杆后端与回复活塞前端之间的腔体内；所述阻尼塞径向最粗处的尺寸小于阻尼孔的径向尺寸，使得二者间形成缝隙而供阻尼流体在前腔体和后腔体之间流通。

需要说明的是，本发明中所述“固定连接”或“固定设置”均包括焊接等不可拆卸的固定连接方式和螺接等可拆卸的固定连接方式。本发明中所述初始位置是指轨道车辆用碰撞吸能装置在受外力撞击前的状态。本发明中所述轴向即所述碰撞吸能装置的前后方向，而径向是相对轴向而言的方向，本发明中的“径向尺寸”不代表相应部件只能为圆柱形或圆台形等周对称的形状，也可以是截面为三角形、四边形或其它多边形等形状。

本发明中，导向管5的前端可以设置为开设有过孔51的封闭式，如图3和图4所示。导向管的前端也可以设置为开口式，再通过一连接在导向管前端的封闭部件来密封所述阻尼流体，防止阻尼流体进入阻尼弹性元件处，这种方式类似于本发明中密封件2与外管3的前端的连接方式。

具体的，所述阻尼孔例如为直径1～80mm的圆柱形通孔，图中阻尼孔为直径30mm的圆柱孔，相应阻尼塞的前端为最细处直径为20mm、最粗处直径为28mm且前细后粗的圆台，阻尼塞的圆台形前端的高度与隔板的厚度一致，阻尼塞的圆台形前端与圆柱形阻尼孔之间形成环缝宽度为1mm的缝隙。所述外管的内径为100mm，初始位置时前腔体的轴向长度(受冲击杆的后端面至隔板的前端面之间的长度)为80mm而后腔体的轴向长度(隔板的后端面至回复活塞的前端面之间的长度)为30mm。本发明中，在初始位置时，所述阻尼塞的前端面与所述隔板的前端面平齐设置，在碰撞结束后，在所述回复活塞和回复弹性元件的作用下，所述阻尼塞的前端面回到与所述隔板的前端面平齐的位置。

在一种具体的实施方式中，所述阻尼弹性元件和回复弹性元件均为弹簧和惰性气体中的一种。当所述阻尼弹性元件和回复弹性元件为弹簧时，阻尼塞的后端与阻尼弹性元件的前端固定连接，阻尼弹性元件的后端与端部底座固定连接；回复活塞的后端与回复弹性元件的前端固定连接，而回复弹性元件的后端与端部底座固定连接。当所述当所述阻尼弹性元件和回复弹性元件均为惰性气体时，通过在相应腔体中填充一定压力的惰性气体而使得在初始位置时，阻尼塞与端部底座的相对位置固定，回复活塞同样与端部底座的相对位置固定。在装置受冲击过程中，惰性气体被压缩，其内部压强升高，当冲击结束后，外部压力降低，此时惰性气体内部压力大于外部压力，惰性气体会推动回复活塞回复到初始位置。本发明中，所述阻尼流体可以为液压油，也可以是其它粘度较大的流体。

在一种具体的实施方式中，所述装置还包括设置在外管最前端以及设置在受冲击杆中部径向外侧的密封件2。具体的，受冲击杆的活塞端前侧与密封件之间的轴向空隙设置为真空。本发明中，所述密封件2主要起到如下几个作用，一是阻挡回复活塞起作用导致受冲击杆1向前回复时的运动极限位置，二是密封件2与外管3分开设置可以使得整个装置在装配和维修时最便于处理，例如在装配时无需将外管截断再焊连，三是密封件2进一步对外管起到阻尼流体密封的作用，防止阻尼流体泄漏至装置以外。

在一种具体的实施方式中，所述隔板的轴向厚度为d，且d为5～100mm，优选d为15～45mm；装置在初始位置时，所述阻尼塞的前端面与所述隔板的前端面平齐设置，或所述阻尼塞的前端面设置在所述隔板的前端面之前的0.5d距离以内，或所述阻尼塞的前端面设置在所述隔板的前端面之后的0.8d距离以内。本发明中，初始位置时，阻尼塞的前端面若伸出所述隔板的前端面过长，则可能在装置受冲击时阻尼塞被毁损，而若阻尼塞的前端面退后所述隔板的前端面过长，则难以达到理想的冲击效果。在阻尼塞的前端面完全退出阻尼孔而进入后腔体中时，因阻尼流体在缝隙处的流动变为阻尼流体在整个阻尼孔中的流动，因而此时几乎起不到任何阻尼效果。

本发明中装置的工作原理如下：一定质量和速度的物体撞击受冲击杆1后，受冲击杆1压缩前腔体中的阻尼流体，阻尼流体通过阻尼结构产生阻尼力。在冲击过程中，阻尼塞4在阻尼流体压力作用下沿着导向管5向后运动，与阻尼塞4相连接的阻尼弹性元件9对阻尼塞4有反作用力。此二者作用会使阻尼塞4沿着导向管5前后运动，在运动过程中阻尼塞4与阻尼孔的相对位置发生变化，形成了不断变化的阻尼结构，从而达到较好的阻尼效果。在冲击过程中，随着后腔体中阻尼流体的增加，回复活塞6在阻尼流体压力的作用下沿着导向管5的外壁向后运动。冲击结束后，回复活塞6在回复弹性元件8的作用下，沿着导向管5的外壁回复到初始位置。在回复过程中，回复活塞6会推动阻尼流体及受冲击杆1回复至冲击发生前的初始位置。

图6为本发明所述碰撞吸能装置在不同阻尼弹簧刚度下的碰撞仿真结果。图中为仿真模拟刚性弹簧(不可压缩)、刚度为1000N/mm的弹簧以及刚度为400N/mm(它比1000N/mm的弹簧容易被压缩)的弹簧在1吨物体以7米每秒速度冲击本发明所述装置得到的仿真数据。从图中仿真效果可知，阻尼弹簧的刚度为400N/mm时，该装置的碰撞吸能效果优异。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种可重复使用的轨道车辆用碰撞吸能装置，所述吸能装置包括受冲击杆(1)、外管(3)、阻尼结构、回复结构和端部底座(7)；

所述阻尼结构包括阻尼塞(4)、导向管(5)和阻尼弹性元件(9)，所述回复结构包括回复活塞(6)和回复弹性元件(8)；

所述外管为管状结构且内部由隔板(33)分隔为前腔体(31)和后腔体(32)，所述隔板上设置有通孔状的阻尼孔(34)使得阻尼流体(35)可以在前腔体(31)和后腔体(32)之间流通；

所述受冲击杆包括位于前端的受冲击端和位于后端的活塞端，受冲击杆的活塞端设置在外管内，而受冲击端设置在外管外；

所述阻尼塞在初始位置时至少有部分长度设置在所述阻尼孔中，且在装置受冲击时阻尼塞能沿着装置的前后方向运动，外管的后端通过与端部底座固定连接使得整个碰撞吸能装置能固定设置在轨道车辆上，所述后腔体中设置有导向管、阻尼弹性元件、回复活塞和回复弹性元件，导向管为管状结构且其后端固定设置在端部底座上，其前端设置有过孔(51)使得阻尼塞的后端穿过所述过孔而设置在导向管内部，且在初始位置时阻尼塞的后端经所述阻尼弹性元件而固定设置在端部底座上，所述阻尼塞的后端的径向尺寸与所述导向管的内径匹配，因而在所述吸能装置受冲击后阻尼塞的后端能沿导向管的内壁做前后运动；所述回复活塞设置在导向管外壁的外侧，在初始位置时回复活塞经所述回复弹性元件固定设置在端部底座上，且在所述吸能装置受冲击后回复活塞在导向管外壁和外管内壁的导向下能前后运动；

所述阻尼流体填充在受冲击杆后端与回复活塞前端之间的腔体内；所述阻尼塞径向最粗处的尺寸小于阻尼孔的径向尺寸，使得二者间形成缝隙而供阻尼流体在前腔体和后腔体之间流通。

2.根据权利要求1所述的碰撞吸能装置，其特征在于，所述缝隙为宽度在0.5～1.5mm的环缝。

3.根据权利要求1所述的碰撞吸能装置，其特征在于，所述阻尼塞的前端为前细后粗的圆台形或棱椎台形结构。

4.根据权利要求1所述的碰撞吸能装置，其特征在于，所述阻尼弹性元件和回复弹性元件均为弹簧和惰性气体中的一种。

5.根据权利要求4所述的碰撞吸能装置，其特征在于，所述阻尼弹性元件为弹簧时，其弹簧刚度为100～1000N/mm。

6.根据权利要求1所述的碰撞吸能装置，其特征在于，所述阻尼流体为液压油。

7.根据权利要求1所述的碰撞吸能装置，其特征在于，初始状态时，受冲击杆的后端面至隔板的前端面之间的腔体体积大于隔板的后端面至回复活塞的前端面之间的腔体体积。

8.根据权利要求1～7中任意一项所述的碰撞吸能装置，其特征在于，所述装置还包括设置在外管最前端且在受冲击杆中部径向外侧的密封件(2)。

9.根据权利要求1～7中任意一项所述的碰撞吸能装置，其特征在于，所述隔板的轴向厚度为d，且d为15～45mm；装置在初始位置时，所述阻尼塞的前端面与所述隔板的前端面平齐设置，或所述阻尼塞的前端面设置在所述隔板的前端面之前的0.5d距离以内，或所述阻尼塞的前端面设置在所述隔板的前端面之后的0.8d距离以内。

10.根据权利要求1～7中任意一项所述的碰撞吸能装置，其特征在于，导向管的内径尺寸大于过孔的径向尺寸，且导向管的内径尺寸大于阻尼孔的径向尺寸。