CN109159795A - 多胞吸能装置及其应用方法、具有其的轨道交通车辆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多胞吸能装置及其应用方法、具有其的轨道交通车辆，该多胞吸能装置包括：安装板；多根吸能管，吸能管的一端垂直安装在安装板的一面，吸能管的另一端为自由端，每根吸能管的自由端之间的高度不相等。将该多胞吸能装置安装在轨道交通车辆的车架前端，吸能管自由端朝向车辆正前方，轨道交通车辆发生碰撞时，每根吸能管不是同步进行压缩，而是相隔一定时间相继压缩，每根吸能管的撞击力曲线存在一定的相位差，多根吸能管的撞击力曲线叠加，使整个多胞吸能装置的撞击力曲线更为平缓。该多胞吸能装置能在吸能管压缩过程中将碰撞动能平缓耗散，大幅降低撞击力波动，减小撞击力峰值，降低事故损失。

Description

多胞吸能装置及其应用方法、具有其的轨道交通车辆

技术领域

本发明涉及轨道交通车辆吸能装置技术领域，具体而言，涉及一种多胞吸能装置及其应用方法、具有其的轨道交通车辆。

背景技术

轨道交通一直以来都是最安全的陆路运输方式，危险系数比飞机、大巴车、私人汽车等其它交通运输方式都要低得多。近十几年来，随着高速铁路的不断发展和普及，铁路运输的速度以及客运量大幅度提高，这也导致一旦发生列车碰撞事故将会导致大量人员伤亡，将会对民众以及国家财产造成巨大损失，引起不良的社会效应。

虽然列车碰撞事故发生的几率在不断降低，但轨道列车在运行时工作环境错综复杂，自然环境也复杂多变，人为操作失误等因素导致列车碰撞事故仍时有发生。因此，轨道交通的碰撞安全防御技术日益成为人们的关注焦点。

通过这些年对被动安全防护技术的开发研究，当今轨道列车耐撞性设计中加入了一个新的元素—吸能装置，通过科学布置不同方位的纵向刚度，可以在车辆碰撞事故发生后，使碰撞产生的大部分动能被司机室前端安装的吸能装置耗散，以达到减缓碰撞过程中的加速度(减速度)和延长碰撞过程的持续时间的目的，进而降低碰撞事故造成的损失。

现有的吸能装置通常是并列设置多根吸能管，通过多根吸能管在车辆碰撞时发生轴向压缩形成褶皱来吸收碰撞动能。传统的多胞吸能装置中所有的吸能管高度一致，当进行轴向压缩时，所有吸能管同步进行压缩。每个吸能管产生的撞击力曲线理论上是完全同步(重合)的，整个吸能装置的撞击力曲线是单个圆管的撞击力曲线扩大n倍而成(n为吸能圆管数目)，整个吸能装置的撞击力波峰值与波谷值之间的差值也为单个圆管的n倍，导致吸能装置撞击力曲线起伏波动增大，严重影响碰撞动能的耗散，不利于保护乘员的生命安全。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种多胞吸能装置及其应用方法、具有其的轨道交通车辆，以解决现有技术中的吸能装置撞击力曲线波动较大、撞击力不能平缓耗散的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种多胞吸能装置，该多胞吸能装置包括：安装板和多根吸能管，吸能管的一端垂直安装在安装板的一面，吸能管的另一端为自由端，每根吸能管的自由端之间的高度不相等。

进一步地，多根吸能管的规格一致，高度相近的两根吸能管之间的高度差通过如下公式确定：

其中，H为吸能管碰撞后的半褶皱长度，单位为mm；D为吸能管的内径，单位为mm；h为吸能管的厚度，单位为mm；δ_e为吸能管形成一个褶皱的有效压溃长度，单位为mm；n为吸能管的数量，Δn为多胞吸能装置中高度相近的两根吸能管之间的高度差，单位为mm。

进一步地，吸能管为铝合金管。

进一步地，安装板上设置有一个或多个凹槽和/或凸台，多根吸能管分别固定安装在凹槽内或凸台上形成高度差。

进一步地，多根吸能管沿安装板的几何中心对称安装在安装板的一面。

进一步地，多胞吸能装置还包括：薄壁外壳，薄壁外壳的一端固定安装在安装板上；前端板，前端板与薄壁外壳的另一端连接，安装板、薄壁外壳和前端板一起构成一个箱体，吸能管置于箱体内。

进一步地，安装板上开设有多个用于将多胞吸能装置安装在轨道交通车辆上的螺栓孔。

根据本发明的另一方面，提供了一种上述的多胞吸能装置的应用方法，包括以下步骤：

S1、将多胞吸能装置组装好后固定安装在轨道交通车辆的车体前端，使吸能管的自由端朝向轨道交通车辆的正前方；

S2、当轨道交通车辆发生碰撞时，吸能管发生轴向压缩，由于每根吸能管的自由端之间的高度不相等，每根吸能管不是同步进行压缩，而是相隔一定时间相继压缩，每根吸能管的撞击力曲线存在一定的相位差，多根吸能管的撞击力曲线叠加，使得整个多胞吸能装置的撞击力曲线更加平缓，多胞吸能装置在多根吸能管相继压缩的过程中将碰撞动能平缓地耗散。

根据本发明的又一方面，提供了一种轨道交通车辆，该轨道交通车辆的车体前端固定安装有上述的多胞吸能装置，且多胞吸能装置中的吸能管的自由端朝向轨道交通车辆的正前方设置。

进一步地，轨道交通车辆的车体前端固定安装有多个多胞吸能装置，多个多胞吸能装置沿轨道交通车辆的车体中心线对称布置。

应用本发明的技术方案，通过将每根吸能管的自由端之间的高度设置为不一致，当轨道交通车辆发生碰撞时，吸能管发生轴向压缩，由于每根吸能管的自由端之间的高度不相等，每根吸能管不是同步进行压缩，而是相隔一定时间相继压缩，每根吸能管的撞击力曲线存在一定的相位差，使得整个多胞吸能装置的撞击力曲线不再是单根吸能管撞击力曲线的n倍，而是每根吸能管撞击力曲线的叠加。这样，整个多胞吸能装置的撞击力曲线相对于吸能管高度一致时更加平缓。该多胞吸能装置能够在多根吸能管相继压缩的过程中将碰撞动能平缓地耗散，大幅度降低撞击力波动，减小撞击力峰值，降低碰撞事故所造成的损失。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例的多胞吸能装置的结构示意图。

图2为本发明实施例的多胞吸能装置的分解结构示意图。

图3为本发明实施例的多胞吸能装置中安装板的结构示意图。

图4为本发明实施例的两管多胞吸能装置的结构示意图。

图5为本发明实施例的三管多胞吸能装置的结构示意图。

图6为本发明实施例的四管多胞吸能装置的结构示意图。

图7为单根吸能管的撞击力曲线及撞击后的照片；其中，(a)为单根吸能管的撞击力曲线，(b)为吸能管撞击后形成褶皱过程的照片。

图8为本发明实施例的两管多胞吸能装置中单管撞击力曲线及双管合力撞击力曲线。

图9为本发明实施例的两管多胞吸能装置和传统两管合力的撞击力曲线对比。

图10为本发明实施例的三管多胞吸能装置中单管撞击力曲线及三管合力撞击力曲线。

图11为本发明实施例的三管多胞吸能装置和传统三管合力的撞击力曲线对比。

图12为本发明实施例的四管多胞吸能装置中单管撞击力曲线及四管合力撞击力曲线。

图13为本发明实施例的四管多胞吸能装置和传统四管合力的撞击力曲线对比。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、安装板；11、凹槽；12、凸台；13、螺栓孔；20、吸能管；30、薄壁外壳；40、前端板。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“一个”或者“一”等类似词语不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。

参见图1至图6，一种本发明实施例的多胞吸能装置，该多胞吸能装置包括安装板10和多根吸能管20。其中，多根吸能管20的一端垂直安装在安装板10的一面，吸能管20的另一端为自由端，且每根吸能管20的自由端之间的高度不相等。在安装板10上开设有多个螺栓孔13。使用时，通过穿设在螺栓孔13内的螺栓将该多胞吸能装置固定安装在轨道交通车辆上的车架前端。

上述的多胞吸能装置，通过将每根吸能管20的自由端之间的高度设置为不一致，当轨道交通车辆发生碰撞时，吸能管20发生轴向压缩，吸能管20在撞击力的作用下会沿其轴向形成一层一层的褶皱，随着每一个褶皱的形成，吸能管20的撞击力曲线会形成一个波峰和波谷(参见图7(a))。当吸能管20开始压缩后，撞击力逐渐上升，当吸能管20刚开始产生褶皱时，撞击力达到第一个峰值(如图7(b)中①)；当第一个褶皱完全形成时，撞击力达到第一个波谷值(如图7(b)中②)。同理，图7(b)中③和④分别对应第三个褶皱开始产生和完全形成时刻。本发明中，由于每根吸能管20的自由端之间的高度不相等，每根吸能管20不是同步进行压缩，而是相隔一定时间相继压缩，每根吸能管20的撞击力曲线存在一定的相位差，使得整个多胞吸能装置的撞击力曲线不再是单根吸能管20撞击力曲线的n倍，而是每根吸能管20撞击力曲线的叠加。这样，整个多胞吸能装置的撞击力曲线相对于吸能管20高度一致时更加平缓。该多胞吸能装置能够在多根吸能管20相继压缩的过程中将碰撞动能平缓地耗散，大幅度降低撞击力波动，减小撞击力峰值，降低碰撞事故所造成的损失。

为了使碰撞动能更加平缓地进行耗散，进一步降低撞击力波动，减小撞击力峰值，在本实施例中，该多根吸能管20的规格一致，且高度相近的两根吸能管20之间的高度差通过如下公式来确定：

其中，H为吸能管20碰撞后的半褶皱长度，其单位为mm；D为吸能管20的内径，其单位为mm；h为吸能管20的厚度，其单位为mm；δ_e为吸能管20形成一个褶皱的有效压溃长度，其单位为mm；n为吸能管20的数量，Δn为多胞吸能装置中高度相近的两根吸能管20之间的高度差，其单位为mm。

在吸能管20的型号和规格选定时，高度相近的两根吸能管20之间的高度差Δn的大小直接影响两根吸能管20的撞击力曲线之间的相位差大小。通过发明人研究发现，当吸能管20的型号和规格选定后，通过上述的公式来确定高度差Δn可以很好地将每根吸能管20的撞击力曲线错开，在布置同等数量吸能管20的情况下，可以最大限度地降低撞击力波动，减小撞击力峰值，使碰撞动能更加平缓地耗散，进一步降低碰撞事故造成的损失。

本实施例中所用的吸能管20为本领域中现有的吸能管20，可直接通过购买得到。其材质优选为铝合金。

为了方便将吸能管20安装在安装板10上，并形成高度差，参见图1、图2以及图4-6，在本实施例中，安装板10上设置有一个或多个凹槽11和/或凸台12，多根吸能管20分别固定安装在凹槽11内或凸台12上。这样，可将高度低一些的吸能管20安装在凹槽11内，将高度高一些的吸能管20安装在凸台12上，并且，多个凹槽11的深度不相同，多个凸台12的高度也不相同。如此，可使安装板10上的每根吸能管20的自由端的高度不相等。

具体地，参见图1、图2以及图4-6，为了使吸能管20能够稳定安装在安装板10上，将凹槽11的直径设置为略小于吸能管20的外径，这样，可以将吸能管20牢固地嵌设在凹槽11内。进一步地，还可以在凹槽11的中间设置一个圆台，使凹槽11呈环状，可以进一步提高吸能管20安装在凹槽11内的稳定性。在凸台12上设置有圆台，该圆台的直径略大于吸能管20的内径，这样，将吸能管20套设在该圆台上即可方便地将其牢固地安装在凸台12上。此外，还可以在安装板10上直接设置一个圆台，将一根吸能管20套设在该圆台上，直接安装在安装板10上。需要说明的是，吸能管20与安装板10之间的安装方式并不局限于以上具体方式，只要能够将吸能管20以不同高度固定安装在安装板10上，并在碰撞时能够使吸能管20自由发生轴向压缩的安装方式均是可以的。

在本实施例中，将多根吸能管20沿安装板10的几何中心对称安装在安装板10的一面。这样设置，可使多胞吸能装置在碰撞时受力更加均衡。

为了提高该多胞吸能装置的整体性和碰撞时的稳定性，参见图1和图2，在本实施例中，该多胞吸能装置还包括一个薄壁外壳30和一块前端板40。其中，薄壁外壳30的一端垂直固定安装在安装板10上；前端板40与薄壁外壳30的另一端连接，安装板10、薄壁外壳30和前端板40一起构成一个箱体，多根吸能管20置于该箱体内。如此，整个多胞吸能装置从外部看是一个箱体，其整体性更好，在发生碰撞时，前端板40受到撞击力，推动多根吸能管20相继发生轴向压缩，与此同时，薄壁外壳30也一起被压缩。这样，可以有效提高多胞吸能装置碰撞时的稳定性。

本实施例的多胞吸能装置中，吸能管20的数量可以是两个、三个、四个...一直到n个，可以形成近似蜂窝状的多胞吸能装置。吸能管20的数量越多，相应的多胞吸能装置的撞击力曲线的波动也会越小，撞击力耗散会更加平缓；但是，随着吸能管20的数量增多，多胞吸能装置的结构也会更加复杂、占用空间更大，其成本也会显著提高。吸能管20的具体数量可根据实际使用情况和要求进行选择。

图4为本发明的两管多胞吸能装置的结构示意图(薄壁外壳30和前端板40未示出)；图8为每根吸能管20及两管多胞吸能装置的撞击力曲线；图9为本发明两管多胞吸能装置与传统两管合力(两管高度相等)的撞击力曲线对比。从图8和图9中可以看出，由于两根吸能管20存在高度差，两条撞击力曲线具有一个相位差，叠加后虽然仍有明显的波动，但相比于传统的两管高度一致时的合力，本发明的双管多胞吸能装置更加平缓。图5为本发明的三管多胞吸能装置的结构示意图；图10为每根吸能管20及三管多胞吸能装置的撞击力曲线；图11为本发明三管多胞吸能装置与传统三管合力的撞击力曲线对比。从图10和图11中可以看出，由于三管之间存在高度差，三管的撞击力曲线之间具有相位差，叠加后的曲线无论相比于本发明双管合力还是传统三管合力都更加平稳，并且相比于后者具有更小的峰值。图6为本发明的四管多胞吸能装置的结构示意图；图12为每根吸能管20及四管多胞吸能装置的撞击力曲线；图13为本发明四管多胞吸能装置与传统四管合力的撞击力曲线对比。从图12和图13中可以看出，由于四管之间存在高度差，四撞击力曲线分别具有一定的相位差，叠加后的曲线相比于前几种情况曲线最为平缓，并且没有很明显的峰值，更利于保护乘员安全。

本发明仅以简单的两管、三管和四管多胞吸能装置为例，结合其撞击力曲线进行说明，更多管的多胞吸能装置可以此类推。

在本发明一未图示实施例中，提供了一种轨道交通车辆，该轨道交通车辆的车体前端固定安装有本发明的多胞吸能装置，且该多胞吸能装置中的吸能管20的自由端朝向轨道交通车辆的正前方设置。通过在轨道交通车辆的车体前端设置本发明的多胞吸能装置，有效提高了碰撞动能的耗散能力，大幅度降低了撞击力波动，减小了撞击力峰值，降低了碰撞事故造成的损失，有利于保护乘员的生命安全。

进一步地，在轨道交通车辆的车体前端固定安装有多个本发明的多胞吸能装置，且该多个多胞吸能装置沿着轨道交通车辆的车体中心线对称布置。这样，可以进一步提高吸能效果，降低事故损失。

该多胞吸能装置的使用方法及工作原理如下：

将多胞吸能装置组装好后固定安装在轨道交通车辆的车体前端，使吸能管20的自由端朝向轨道交通车辆的正前方；当轨道交通车辆发生碰撞时，吸能管20发生轴向压缩，由于每根吸能管20的自由端之间的高度不相等，每根吸能管20不是同步进行压缩，而是相隔一定时间相继压缩，每根吸能管20的撞击力曲线存在一定的相位差，多根吸能管20的撞击力曲线叠加，使得整个多胞吸能装置的撞击力曲线更加平缓，多胞吸能装置在多根吸能管20相继压缩的过程中将碰撞动能平缓地耗散，从而达到大幅度降低撞击力波动，减小撞击力峰值，降低碰撞事故损失的目的。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多胞吸能装置，其特征在于，所述多胞吸能装置包括：

安装板(10)；

多根吸能管(20)，所述吸能管(20)的一端垂直安装在所述安装板(10)的一面，所述吸能管(20)的另一端为自由端，每根所述吸能管(20)的自由端之间的高度不相等。

2.根据权利要求1所述的多胞吸能装置，其特征在于，多根所述吸能管(20)的规格一致，高度相近的两根所述吸能管(20)之间的高度差通过如下公式确定：

其中，H为所述吸能管(20)碰撞后的半褶皱长度，单位为mm；D为所述吸能管(20)的内径，单位为mm；h为所述吸能管(20)的厚度，单位为mm；δ_e为所述吸能管(20)形成一个褶皱的有效压溃长度，单位为mm；n为所述吸能管(20)的数量；Δn为多胞吸能装置中高度相近的两根所述吸能管(20)之间的高度差，单位为mm。

3.根据权利要求1所述的多胞吸能装置，其特征在于，所述吸能管(20)为铝合金管。

4.根据权利要求1所述的多胞吸能装置，其特征在于，所述安装板(10)上设置有一个或多个凹槽(11)和/或凸台(12)，多根所述吸能管(20)分别固定安装在所述凹槽(11)内或所述凸台(12)上形成高度差。

5.根据权利要求1所述的多胞吸能装置，其特征在于，多根所述吸能管(20)沿所述安装板(10)的几何中心对称安装在所述安装板(10)的一面。

6.根据权利要求1所述的多胞吸能装置，其特征在于，所述多胞吸能装置还包括：

薄壁外壳(30)，所述薄壁外壳(30)的一端固定安装在所述安装板(10)上；

前端板(40)，所述前端板(40)与所述薄壁外壳(30)的另一端连接，所述安装板(10)、所述薄壁外壳(30)和所述前端板(40)一起构成一个箱体，所述吸能管(20)置于所述箱体内。

7.根据权利要求1所述的多胞吸能装置，其特征在于，所述安装板(10)上开设有多个用于将所述多胞吸能装置安装在轨道交通车辆上的螺栓孔(13)。

8.一种如权利要求1-7中任一项所述的多胞吸能装置的应用方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将多胞吸能装置组装好后固定安装在轨道交通车辆的车体前端，使吸能管(20)的自由端朝向轨道交通车辆的正前方；

S2、当轨道交通车辆发生碰撞时，吸能管(20)发生轴向压缩，由于每根吸能管(20)的自由端之间的高度不相等，每根吸能管(20)不是同步进行压缩，而是相隔一定时间相继压缩，每根吸能管(20)的撞击力曲线存在一定的相位差，多根吸能管(20)的撞击力曲线叠加，使得整个多胞吸能装置的撞击力曲线更加平缓，多胞吸能装置在多根吸能管(20)相继压缩的过程中将碰撞动能平缓地耗散。

9.一种轨道交通车辆，其特征在于，所述轨道交通车辆的车体前端固定安装有如权利要求1-6中任一项所述的多胞吸能装置，且所述多胞吸能装置中的所述吸能管(20)的自由端朝向所述轨道交通车辆的正前方设置。

10.根据权利要求9所述的轨道交通车辆，其特征在于，所述轨道交通车辆的车体前端固定安装有多个所述多胞吸能装置，多个所述多胞吸能装置沿所述轨道交通车辆的车体中心线对称布置。