CN109263678B - 一种新型的轨道车辆吸能装置 - Google Patents

Abstract

一种新型的轨道车辆吸能装置，属于轨道车辆碰撞安全技术领域，轨道车辆吸能装置中的所述的防爬器设于吸能装置前端，防爬器一侧面设有防爬齿；第一级吸能结构与第二级吸能结构之间设有连接板，基座置于吸能装置后端，与第二级吸能结构连接。刀具安装座位安装在防爬器另一侧面，用于安装切削刀具。第一级吸能结构内部中心设有与其轴线平行的弹簧，弹簧两端分别与连接板、刀具安装座固接；所述的第二级吸能结构内部中心设有与其轴线平行的弹簧，弹簧两端分别与连接板、基座固接。本发明结构简单、造价低廉、吸能效果好、安装方便，能够大幅改善吸能装置的耐碰撞性能。

Description

一种新型的轨道车辆吸能装置

技术领域

本发明涉及一种新型的轨道车辆吸能装置，属于轨道车辆碰撞安全技术领域。

背景技术

随着现代社会的快速发展、大型城市机动车数量急剧增加，交通拥堵已经成为各大城市亟待解决的重大问题。为了缓解城市交通压力、发展更加高效、环保、运力高的轨道交通已经势在必行，如城轨和地铁。尽管轨道交通有诸多优点，但是如果发生列车碰撞事故，将直接带来巨大的人员伤亡和经济损失。因此，城轨车辆的碰撞安全设计极为重要。目前，城轨车辆的安全性主要分为主动安全性和被动安全性。在主动安全性方面，主要是依靠主动控制来避免交通事故的发生，但是其中存在一定的不可控因素，如系统失灵、信号出错等。因此，城轨车身还需要进行被动安全防撞设计，使其结构以可控的方式发生变形，稳定地吸收碰撞中的能量，保护司机和乘客的安全。薄壁结构由于成本低、且易吸收冲击能量的特点，被广泛应用于该类吸能装置中。目前，我国大部分的城轨车辆在设计时采用4级吸能结构：前1、2、3级分别为钩缓装置中的缓冲器压缩吸能、压溃管压溃吸能、过载保护装置失效时吸能，第4级为头车前端底架的碰撞吸能区吸能。对于第2级的压溃管，绝大多数都是采用金属薄壁结构，利用其塑性轴向压溃变形来耗散碰撞能量。但是，目前的吸能结构存在着吸收能量少、冲程效率低等缺点，亟需提出一种能量吸收率高、冲程效率高的新型吸能装置，从而全面提升轨道车辆的防撞性能。

发明内容

为解决现有轨道车辆吸能结构能量吸收率低、冲程效率低下的问题，本发明提供一种利用金属薄壁结构轴向切削和压缩来吸能的装置，且通过对薄壁金属管表面局部纳米化，改变其局部力学性能，提高冲程效率，增强吸能效果。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种新型的轨道车辆吸能装置，包括防爬器1、刀具安装座2、刀具3、弹簧4、第一级吸能结构、连接板6、第二级吸能结构、基座8。所述的防爬器1设于吸能装置前端，防爬器一侧面设有防爬齿，防止发生碰撞时其中一辆列车被抬起而爬至另一辆列车上部。所述的第一级吸能结构与第二级吸能结构之间设有连接板6，基座8置于吸能装置后端，与第二级吸能结构连接。所述的刀具安装座位2安装在防爬器1另一侧面，用于安装切削刀具3。所述的第一级吸能结构内部中心设有与其轴线平行的弹簧4，弹簧4两端分别与连接板6、刀具安装座2固接；所述的第二级吸能结构内部中心设有与其轴线平行的弹簧4，弹簧4两端分别与连接板6、基座8固接。

所述的第一级吸能结构由一根薄壁吸能管A5组成，第二级吸能结构由一根薄壁吸能管B7组成，薄壁吸能管A5、B7的管壁厚要均匀，薄壁吸能管A5尺寸小于薄壁吸能管B7，且上下两级结构的薄壁管局部表面需要进行纳米技术处理，单独处理内表面或外表面，或内外表面都处理。

所述的薄壁管局部表面纳米化是指薄壁管的表面沿横向或轴向划分为等宽度或不等宽度的若干块区域,将划分的区域称为条纹，对其中部分条纹区域进行机械研磨处理。薄壁管相邻的表面可以采用相同宽度的或者不同宽度的条纹，且相邻的表面纳米化条纹交错排布。

所述的任何一级薄壁金属管横截面优选为正方形，局部表面纳米处理的薄壁管壁厚为0.5～2mm；薄壁吸能管A5边长为30～45mm，管长60～80mm；薄壁吸能管B7边长45～60mm，管长90～120mm；正方形管横截面边长与管长的比例为1:2～1:6。

所述的刀具安装座位2上安装四个规格相同的切削刀具3，切削刀具3根据实际情况确定刀具切削厚度、角度。

所述薄壁吸能管材料可以采用铝合金、不锈钢、低碳钢等金属材料，所述的弹簧4、刀具安装座2、刀具3、连接板6、基座8都为材质强度大于吸能管用金属的金属材料。

本发明的有益效果是：(1)本发明装置采用轴向切削和压缩的吸能方式，其吸能高于金属薄壁材料仅发生塑性轴向压缩的吸能方式，并且提高了冲程效率以及压缩力效率，大幅改善吸能装置的耐碰撞性能。(2)本发明装置的切削吸能过程对界面力峰值出现时间的调控能力更强，界面峰值力更小，吸能装置在有效行程内，界面力波动相对较小，有利于吸能装置在整个作用过程中匀减速吸能过程的实现。(3)本发明装置采用局部纳米技术处理薄壁管，提升薄壁管的局部力学性能，能有效提高金属薄壁管的吸能效率，能诱导薄壁管稳定的渐进屈曲变形模式和诱导产生高吸能屈曲模态。(4)本发明装置结构简单，表面纳米化技术加工容易，具有良好的环保性，经过加工后的薄壁管保持原来的外观，并且本发明装置造价低廉、原理结构简单、吸能效果好、安装方便。

附图说明

图1为本发明装置的立体结构示意图；

图2为图1所示结构的主视图；

图3为工作原理示意图，1为刀具前角；

图4为第一级吸能结构薄壁方管的纳米化处理示意图；

图5为第二级吸能结构薄壁方管的纳米化处理示意图；

图中：1防爬器、2刀具安装座、3刀具、4弹簧、5第一级吸能结构的薄壁吸能管A、6连接板、7第二级吸能结构的薄壁吸能管B、8基座。

具体实施方式

为了更清楚的说明本装置的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明装置进行近一步说明。

本发明装置属于轨道车辆安全碰撞领域，通过采用轴向切削和压缩相结合的吸能方式，且对吸能薄壁金属管采用纳米技术局部处理，提高了轨道车辆碰撞时的吸能效果，提高了其安全性能，下面结合实施例进行近一步说明，本发明包括但不仅限于以下实施例。

请参阅图1-2。如图所示，本发明装置包括防爬器1、刀具安装座2、刀具3、弹簧4、第一级吸能结构的薄壁管5、连接板6、第二级吸能结构的薄壁管7以及基座8。

吸能装置包括防爬器1，防爬器上设置有防爬齿，当两列列车相撞时，可以避免其中一辆爬到另一辆的上方，减少对司机和乘客的安全威胁。用于连接防爬器和刀具的刀具安装座2。置于刀具安装座上的刀具3，刀具的规格、前角角度、切削厚度可根据实际情况进行设置。用于连接刀具安装座与连接板、连接板与基座的两根弹簧4，弹簧置于薄壁管的内部正中心，直径小于薄壁管边长，起到导向作用。第一级吸能结构的薄壁管5与第二级吸能结构的薄壁管7之间采用连接板6连接，薄壁管与连接板之间采用焊接，薄壁管底部设置有底板，用于增大焊接面积。基座8上设置有螺栓，螺栓位置可根据轨道车辆的纵梁位置自行决定。

结合图2、3所示，本发明装置的工作原理为：当两车碰撞时，碰撞力推动刀具向前移动，当刀具接触到薄壁管时，切削层金属在刀具刃口和前后刀面的推挤、摩擦作用下，发生剪切滑移变形和摩擦变形，形成切削耗散撞击能量，行驶一段距离后，刀具安装座接触到已切削部分时，同时进行切削和压缩吸能。当刀具接触到连接板时，刀具脱落，这时第二级吸能结构的薄壁管只发生轴向塑性压缩吸能，进一步吸收撞击能量，从而达到大量耗散列车动能的目的。

随着纳米技术的发展，纳米技术在材料表面处理中得到了应用。经过纳米技术处理过的材料，由于材料原本的原子间距离减小为纳米级别，使得它们之间位错的滑动受到了限制，从而提高了材料硬度和屈服强度等部分力学性能。通过对未纳米化、全部纳米化(单反面都处理)、局部纳米化(只处理单面)的不锈钢标准拉伸试件进行拉伸实验，普通未纳米化的不锈钢屈服强度大约为200MPa，而经过全部纳米化处理的试件屈服强度约为750MPa，提高了大约3-4倍，局部纳米化处理的试件屈服强度约为350MPa，提高大约1.5倍。

图4和图5中：1为经过表面纳米技术局部处理的区域，2为未经过处理的原材料区域。

如图4所示，第一级吸能结构的薄壁方管为不锈钢材料，横截面为正方形，尺寸为：边长36mm，管长80mm，壁厚0.5mm。将方管表面沿轴向等分为四块，每块区域的尺寸为：长36mm、宽20mm，1为纳米处理区域，2为未处理区域，方管的四个表面采用相同的处理方式。图5所示的第二级吸能结构的薄壁方管采用如图4同样的材料，横截面也为正方形，边长为50mm，管长为100mm，壁厚0.5mm。同样的，采用相同的技术将方管表面等分为五块，每块区域尺寸为：长50mm，宽20mm，处理区域如图所示，四个表面做相同处理。对于图4和图5的薄壁方管，当冲击速度为6m/s，时间为0.01s时，在纳米化条带的诱导下，都能产生均匀的屈曲模态，这种模态是紧凑的，并在屈曲变形过程中保持住基本形态，整个变形过程是稳定的，并且保持高效的能量吸收率。

以上所述仅为本发明的实施例，并不限制本发明，对于本领域的技术人员来说，可以容易地实现另外的修改，在未违背权利要求等所限定的一般概念下，本发明并不限于上述实施例与描述的图例。

Claims (10)

1.一种新型的轨道车辆吸能装置，其特征在于，该装置包括防爬器(1)、刀具安装座(2)、刀具(3)、弹簧(4)、第一级吸能结构、连接板(6)、第二级吸能结构、基座(8)；所述的防爬器(1)设于吸能装置前端，防爬器一侧面设有防爬齿，防爬器(1)另一侧面安装刀具安装座位(2)，切削刀具(3)设于刀具安装座(2)上；所述的第一级吸能结构与第二级吸能结构之间设有连接板(6)，基座(8)置于吸能装置后端，与第二级吸能结构连接；所述的第一级吸能结构内部中心设有与其轴线平行的弹簧(4)，弹簧(4)两端分别与连接板(6)、刀具安装座(2)固接；所述的第二级吸能结构内部中心设有与其轴线平行的弹簧(4)，弹簧(4)两端分别与连接板(6)、基座(8)固接；当刀具接触到连接板时，刀具脱落，这时第二级吸能结构的薄壁管只发生轴向塑性压缩吸能；

所述的第一级吸能结构由一根薄壁吸能管A(5)组成，第二级吸能结构由一根薄壁吸能管B(7)组成，薄壁吸能管A(5)、B(7)的管壁厚度均匀，薄壁吸能管A(5)尺寸小于薄壁吸能管B(7)，上下两级结构的薄壁管局部表面需要进行纳米技术处理，单独处理内表面或外表面，或内外表面都处理。

2.根据权利要求1所述的一种新型的轨道车辆吸能装置，其特征在于，所述的薄壁管局部表面纳米化是指薄壁管的表面沿横向或轴向划分为等宽度或不等宽度的若干块区域,将划分的区域称为条纹，对其中部分条纹区域进行机械研磨处理；薄壁管相邻的表面可以采用相同宽度的或者不同宽度的条纹，且相邻的表面纳米化条纹交错排布。

3.根据权利要求1或2所述的一种新型的轨道车辆吸能装置，其特征在于，所述的任何一级薄壁金属管横截面为正方形，所述的薄壁吸能管A(5)边长为30～45mm，管长60～80mm，边长与管长的比例为1:2～1:6；薄壁吸能管B(7)边长45～60mm，管长90～120mm，边长与管长的比例为1:2～1:6。

4.根据权利要求1或2所述的一种新型的轨道车辆吸能装置，其特征在于，所述的任何一级薄壁金属管局部表面纳米处理的薄壁管壁厚为0.5～2mm。

5.根据权利要求3所述的一种新型的轨道车辆吸能装置，其特征在于，所述的任何一级薄壁金属管局部表面纳米处理的薄壁管壁厚为0.5～2mm。

6.根据权利要求1或2或5所述的一种新型的轨道车辆吸能装置，其特征在于，所述的刀具安装座位(2)上安装四个规格相同的切削刀具(3)，切削刀具(3)根据实际情况确定刀具切削厚度、角度。

7.根据权利要求3所述的一种新型的轨道车辆吸能装置，其特征在于，所述的刀具安装座位(2)上安装四个规格相同的切削刀具(3)，切削刀具(3)根据实际情况确定刀具切削厚度、角度。

8.根据权利要求4所述的一种新型的轨道车辆吸能装置，其特征在于，所述的刀具安装座位(2)上安装四个规格相同的切削刀具(3)，切削刀具(3)根据实际情况确定刀具切削厚度、角度。

9.根据权利要求1或2或5或7或8所述的一种新型的轨道车辆吸能装置，其特征在于，所述薄壁吸能管材料可以采用铝合金、不锈钢、低碳钢等金属材料，所述的弹簧(4)、刀具安装座(2)、刀具(3)、连接板(6)、基座(8)都为材质强度大于吸能管用金属的金属材料。

10.根据权利要求6所述的一种新型的轨道车辆吸能装置，其特征在于，所述薄壁吸能管材料可以采用铝合金、不锈钢、低碳钢等金属材料，所述的弹簧(4)、刀具安装座(2)、刀具(3)、连接板(6)、基座(8)都为材质强度大于吸能管用金属的金属材料。