CN109436009A - 一种电力机车用变形单元 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电力机车用变形单元，包括吸能钢管、上支撑板和下支撑板。本方案的吸能钢管的内壁仍然为圆柱形，但是吸能钢管的外壁具有多个圆柱节，相邻圆柱节之间通过圆环形凸筋连接，吸能钢管的外壁整体为竹节状，单节圆柱节的高度为h＝2*1.76(Rt/2)1/2±10mm，单节圆柱节的长度为在吸能时形成一个完整折皱需要的圆柱节的长度。本方案提供的电力机车用变形单元，在吸能钢筒的圆柱节内发生相应的变形，每个圆柱节的起波位置均为圆柱节上端的圆环形凸筋与圆柱节的连接位置，相邻两个圆柱节组成的大圆柱节能够承受的最大力值相等，吸能钢管的受力曲线呈现的波峰力值均等，且均不会超过车钩箱及车体的许用力值，能够有效保护车钩箱和车体安全。
Description
技术领域
本发明涉及轨道交通车辆钩缓系统技术领域，特别涉及一种电力机车用变形单元。
背景技术
在重载机车、汽车、弹药库和核电站等部门和工程已经广泛应用碰撞吸能装置。碰撞吸能装置发生塑性屈曲变形，吸收动能的同时产生一定的变形行程，延缓碰撞作用时间，减小车辆速度，起到保护车体主结构和乘客安全的作用。吸能变形元件是碰撞机车的关键部件。
吸能元件的基本原理是利用元件材料的塑性变形能来耗散所遭受的冲击动能，在外载荷达到某一定值时，刚塑性体在外载荷不变的情况下发生塑性流动，这是称元件处于极限状态，所受的载荷成为元件或者结构的极限承受能力，当轴向加载达到极限屈曲载荷时变形体发生屈曲变形。
现有技术中的电力机车用变形单元包括上支撑板01、吸能钢管02、衬套03和下支撑板04，上支撑板01为T形支撑板，上支撑板01安装于吸能钢管02的上端，T型上支撑板尺寸较小的一端位于吸能钢管02内，T型上支撑板尺寸较大的一端位于吸能钢管02的上端，吸能钢管02与上支撑板01焊接固定，衬套03的上端置于吸能钢管02下端，衬套03的下端与下支撑板04通过螺纹联接。电力机车用变形单元主要安装于大功率机车的车钩箱，用于吸收冲击或碰撞能量，有效地保护好机车的重要零件如车钩、制动梁和底架等，使得机车重要零件不因冲击或碰撞而受到损伤。
虽然现有技术中的电力机车用变形单元能够实现吸收冲击或者碰撞能量的作用，但是由于吸能钢管是一个类似于“宝塔形”锥形结构即吸能钢管的内壁为圆柱形，外壁为壁厚逐渐增大的圆锥形，吸能钢管下端能够承受的力大于上端能够承受的力，当机车承受较大冲击载荷时，吸能钢管产生轴对称屈曲变形，吸能钢管的受力曲线图呈现不同峰值的力值，当吸能钢管的下端受力峰值超过车钩箱及车体的许用力值时，就不能对车钩箱及车体起到有效保护。
因此，如何避免电力机车用变形单元的吸能钢管的受力峰值超过车钩箱及车体的许用力值，以实现对车钩箱及车体的有效保护，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种电力机车用变形单元，以避免电力机车用变形单元的吸能钢管的受力峰值超过车钩箱及车体的许用力值，实现对车钩箱及车体的有效保护。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种电力机车用变形单元，包括：
吸能钢管，所述吸能钢管的内壁为圆柱形，所述吸能钢管的外壁具有多个圆柱节，相邻所述圆柱节之间的厚度差为1～1.5mm，相邻圆柱节的厚度交替变化，相邻所述圆柱节通过圆环形凸筋连接，相邻所述圆环形凸筋厚度相等，单节所述圆柱节的高度为h＝2*1.76(Rt/2)1/2±10mm，其中，R是吸能钢筒的内壁半径，t为吸能钢筒的厚度；
上支撑板，所述上支撑板位于所述吸能钢管的上端；
下支撑板，所述下支撑板位于所述吸能钢管的下端。
优选的，在上述电力机车用变形单元中，所述下支撑板上设置有两个所述吸能钢管。
优选的，在上述电力机车用变形单元中，所述吸能钢管通过衬套与所述下支撑板连接。
优选的，在上述电力机车用变形单元中，所述衬套的第一端外壁具有第一台阶面，所述衬套的第二端外壁具有第二台阶面；
所述第一台阶面的尺寸较小的一端与所述吸能钢管的内壁过盈配合，所述吸能钢管的下端与所述第一台阶面的水平面相抵；
所述第二台阶面的尺寸较小的一端与所述下支撑板连接，所述第二台阶面的水平面与所述下支撑板的上端面相抵。
优选的，在上述电力机车用变形单元中，所述衬套与所述吸能钢管焊接。
优选的，在上述电力机车用变形单元中，所述衬套与所述下支撑板螺纹连接。
优选的，在上述电力机车用变形单元中，所述吸能钢管的上端设置有向外翻折的圆弧翻边；
所述上支撑板为T型上支撑板，所述上支撑板尺寸较小的一端与所述吸能钢管的内壁间隙配合，所述上支撑板尺寸较大的一端设置有与所述圆弧翻边配合的凹槽，所述上支撑板与所述吸能钢管焊接。
优选的，在上述电力机车用变形单元中，所述吸能钢管的下端设置有台阶状基座。
优选的，在上述电力机车用变形单元中，所述吸能钢管为轴向预压缩吸能钢管。
从上述技术方案可以看出，本发明提供的电力机车用变形单元，包括吸能钢管、上支撑板和下支撑板。上支撑板位于吸能钢管的上端，下支撑板位于吸能钢管的下端。本方案的吸能钢管的内壁仍然为圆柱形，但是吸能钢管的外壁具有多个圆柱节，相邻圆柱节之间通过圆环形凸筋连接，吸能钢管的外壁整体为竹节状，单节圆柱节的高度为h＝2*1.76(Rt/2)1/2±10mm，单节圆柱节的长度为在吸能时形成一个完整折皱需要的圆柱节的长度。本方案提供的电力机车用变形单元，在吸能钢筒的圆柱节内发生相应的变形，每个圆柱节的起波位置均为圆柱节上端的圆环形凸筋与圆柱节的连接位置，自吸能钢管的顶端至末端，相邻圆柱节之间的厚度差为1～1.5mm，相邻圆柱节的厚度交替变化，相邻两个圆柱节组成的大圆柱节能够承受的最大力值相等，吸能钢管的受力曲线呈现的波峰力值均等，且均不会超过车钩箱及车体的许用力值，能够有效保护车钩箱和车体安全。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术提供的电力机车用变形单元的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的电力机车用变形单元的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的电力机车用变形单元的主视图；
图4为本发明实施例提供的电力机车用变形单元的俯视图；
图5为本发明实施例提供的电力机车用变形单元的吸能钢管的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的电力机车用变形单元的吸能钢管的主视图；
图7为本发明实施例提供的电力机车用变形单元的吸能钢管的圆柱节的直径及台阶状基座的直径；
图8为本发明实施例提供的电力机车用变形单元的吸能钢管的有限元分析图。
01、上支撑板，02、吸能钢管，03、衬套，04、下支撑板，1、上支撑板，2、吸能钢管，3、衬套，4、下支撑板。
具体实施方式
本发明公开了一种电力机车用变形单元，以避免电力机车用变形单元的吸能钢管的受力峰值超过车钩箱及车体的许用力值，实现对车钩箱及车体的有效保护。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图2-图6，图2为本发明实施例提供的电力机车用变形单元的结构示意图；图3为本发明实施例提供的电力机车用变形单元的主视图；图4为本发明实施例提供的电力机车用变形单元的俯视图；图5为本发明实施例提供的电力机车用变形单元的吸能钢管的结构示意图；图6为本发明实施例提供的电力机车用变形单元的吸能钢管的主视图；图7为本发明实施例提供的电力机车用变形单元的吸能钢管的圆柱节的直径及台阶状基座的直径；图8为本发明实施例提供的电力机车用变形单元的吸能钢管的有限元分析图。
本发明公开了一种电力机车用变形单元，包括吸能钢管2、上支撑板1和下支撑板4。上支撑板1位于吸能钢管2的上端，下支撑板4位于吸能钢管2的下端。
本方案对吸能钢管2的结构进行改进。
现有技术中吸能钢管2为中空结构，中间空腔为圆柱形空腔，整体形状为圆锥形，即吸能钢管2的厚度自顶端至末端逐渐增厚；
本方案的吸能钢管2的内壁仍然为圆柱形，但是吸能钢管2的外壁具有多个圆柱节，相邻圆柱节之间通过圆环形凸筋连接，吸能钢管2的外壁整体为竹节状。
吸能钢管2的内壁为光孔圆柱形结构。
相邻圆柱节之间不仅具有厚度差，且相邻圆柱节之间存在长度差，即相邻圆环形凸筋之间的圆柱节的厚度和长度不同。
具体的，自吸能钢管2的顶端至末端，相邻圆柱节之间的厚度差为1～1.5mm，相邻圆柱节的厚度交替变化，此处对相邻圆柱节的厚度交替变化进行解释：假设位于吸能钢管2顶端的第一个圆柱节的厚度为a，第二圆柱节的厚度为a±1～1.5mm，第三圆柱节的厚度为a，第四圆柱节的厚度为a±1～1.5mm，以此为类推，更具体的，假设位于吸能钢管2顶端的第一个圆柱节的厚度为a，第二圆柱节的厚度为a+1～1.5mm，第三圆柱节的厚度为a，第四圆柱节的厚度为a+1～1.5mm，以此为类推，或者，假设位于吸能钢管2顶端的第一个圆柱节的厚度为a，第二圆柱节的厚度为a-1～1.5mm，第三圆柱节的厚度为a，第四圆柱节的厚度为a-1～1.5mm，以此为类推。
如图7所示，第一圆柱节的外壁直径为84mm，第二圆柱节的外壁直径为85mm，即第一圆柱节和第二圆柱节的厚度差为1mm，第三圆柱节的外壁直径为84mm，第四圆柱节的外壁直径为85mm，即第三圆柱节和第四圆柱节的厚度差为1mm，以此类推，吸能钢管2最下端的台阶状基座的外壁直径为86mm。
单节圆柱节的厚度为20mm-35mm。
从上述内容可以看出，第一圆柱节和第二圆柱节组成的大圆柱节的结构与第三圆柱节和第四圆柱节组成的大圆柱节的结构相同，第三圆柱节和第四圆柱节组成的大圆柱的结构与第五圆柱节和第六圆柱节组成的大圆柱的结构相同，也就是说，假设吸能钢管上具有N个圆柱节，相应的也就具有N/2个大圆柱节，单个大圆柱节能够承受的力相同，在承受外部载荷时，单个大圆柱节发生的形变也相同，在一次受力过程中，N/2个大圆柱节发生形变的波峰力值相等，且波峰力值不会超过车钩箱及车体的许用力值。
单节圆柱节的高度为h＝2*1.76Rt/21/2±10mm，其中R是吸能钢筒的内壁半径，t为吸能钢筒的厚度。此处需要说明的是，单节圆柱节的高度为圆柱节沿自身轴线方向的长度。
单节圆柱节的长度为在吸能时形成一个完整折皱需要的圆柱节的长度，且单节圆柱节的长度的误差允许范围在±5mm内。具体圆柱节的长度为多长，根据吸能钢管2的厚度和内径决定。
圆柱节相邻设置，吸能钢管2在使用过程中，每个圆柱节上仅形成一个折皱即每个圆柱节仅形成一个波，该种结构的电力机车用变形单元起到了隔断起波位置的作用。每个波的起波位置均为每个圆柱节的上端圆环形凸筋，圆环形凸筋的厚度相等。圆环形凸筋沿垂直于吸能钢管2轴线方向的截面为梯形。吸能钢管2的高度确定后，在工作过程中能够形成的波的数量相应确定。
用于连接相邻圆柱节的圆环形凸筋实现相邻圆柱节之间厚度的均匀过渡，每个圆柱节的起波位置均为位于圆柱节上端的圆环形凸筋与圆柱节连接的位置。
本方案提供的电力机车用变形单元，在吸能钢筒的圆柱节内发生相应的变形，每个圆柱节的起波位置均为圆柱节上端的圆环形凸筋与圆柱节的连接位置，相邻两个圆柱节组成的大圆柱节能够承受的最大力值相等，吸能钢管2的受力曲线呈现的波峰力值均等，且均不会超过车钩箱及车体的许用力值，能够有效保护车钩箱和车体安全。
假设电力机车用变形单元的极限屈曲载荷为3000kN，而车钩箱及车体的许用力值是3200kN，当外部载荷超过3000kN，变形单元会发生塑性变形，保护车体结构，如果吸能钢筒的材料力学性能比车钩箱及车体的材料更强、壁厚更厚，在外部载荷超过车钩箱及车体的承受载荷时，变形单元没有发生塑性变形，发生变形的是将会是车钩箱及车体，起不到保护作用。本方案中，将吸能钢管设计多个圆柱节结构，弱化了单个波的起波位置的强度，在承受外部载荷时，吸能钢管更容易发生变形，保证吸能钢管发生塑性变形时承受的载荷力小于车钩箱及车体的承受载荷力，从而对车钩箱及车体起到有效的保护作用。
相邻圆柱节之间通过凸筋形成平缓的过渡，避免应力突然变化，起到保护吸能钢管2的作用。
在本方案的一个具体实施例中，吸能钢管2为一体成型的吸能钢管2。
为了对车钩箱和车体起到有效的保护作用，下支撑板4上设置有两个吸能钢管2，两个吸能钢管2平行布置。两个吸能钢管2分担承受受到的力，在一定程度上延长了吸能钢管2的使用寿命。
优选的，下支撑板4为矩形支撑板，两个吸能钢管2沿下支撑板4的长度方向设置。
下支撑板4位于两个吸能钢管2支架的部分设置有减重凹槽。
在本方案的一个具体实施例中，吸能钢管2通过衬套3与下支撑板4连接。衬套3起到了中间连接的作用，降低了吸能钢管2直接与下支撑板4连接对吸能钢管2的损伤，且能够方便电力机车用变形单元的维修。
衬套3的第一端外壁具有第一台阶面，衬套3的第二端外壁具有第二台阶面，第一台阶面尺寸较小的一端的端部与衬套3的第一端的端部平齐，衬套3的第二台阶面的尺寸较小的一端的末端与衬套3的第二端的末端平齐。其中，第一台阶面和第二台阶面均沿着衬套3的圆周形外壁开设。
第一台阶面的尺寸较小的一端与吸能钢管2的内壁配合，即第一台阶面的竖直面与所述吸能钢管2的内壁贴合，吸能钢管2与衬套3安装到位后，第一台阶面的水平面与吸能钢管2的下端相抵。
第二台阶面的尺寸较小的第一端与下支撑板4的安装孔配合，即第二台阶面的竖直面与下支撑板4的安装孔的孔壁配合，衬套3与下支撑板4安装到位后，第二台阶面的水平面与下支撑板4的上端面相抵。
优选的，第二台阶面的尺寸较大的一端与第一台阶面的尺寸较大的一端尺寸相等，衬套3的第一端与第二端的连接处为圆柱形，该圆柱形的尺寸与第一台阶面的尺寸较大的一端尺寸相等，且该圆柱形的尺寸与吸能钢管2的下端尺寸相等。
在本方案的一个具体实施例中，衬套3的第一端即衬套3的第一台阶面的水平面与吸能钢管2采用圆周焊接连接。
在本方案的一个具体实施例中，衬套3的第二端即衬套3的第二台阶面的竖直面与下支撑板4的安装孔螺纹连接。
吸能钢管2的上端设置有向外翻折的圆弧翻边，该圆弧形翻边与上支撑板1配合连接。
在本方案的一个具体实施例中上支撑板1为T型上支撑板1，上支撑板1尺寸较小的一端与吸能钢管2的内壁间隙配合，上支撑板1尺寸较大的一端的下端面设置有与圆弧翻边配合的凹槽，圆弧形翻边嵌入凹槽内，凹槽实现对上支撑板1的限位。
具体的，上支撑板1的下端面与吸能钢管2的圆弧形翻边焊接，圆弧形翻边上设置有焊接坡口倒角。
吸能钢管2的下端设置有台阶状基座，台阶状基座的尺寸大于与之相邻的圆柱节的尺寸。台阶状基座增大了吸能钢管2的底部厚度，也就增大了吸能钢管2的底部强度，使得起波位置不会自吸能钢管2的底部开始，避免影响吸能钢管2与下支撑板4的连接强度。
台阶状基座的高度越高，厚度越厚，台阶状基座的金属强度也就越大，越不会自吸能钢管2的底部起波，对吸能钢管2与下支撑板4的连接处的连接强度影响越小。
吸能钢管2为无缝钢管，吸能钢管2为合金吸能钢管2。合金吸能钢管2具有较高的强度及较高的延伸率等综合力学性能。
吸能钢管2为轴向预压缩吸能钢管2，使得吸能钢管2在变形时没有屈服阶段。
在本方案的一个具体实施例中，圆柱节的个数为7个。当电力机车承受较大的冲击载荷时，电力机车用变形单元产生轴对称屈曲变形，形成四个大小基本一致的折叠波，且四个折叠波的波峰力值均等。
吸能钢筒的相邻圆环形凸筋之间的圆柱节存在不同的间距和不同的壁厚，找到相邻圆柱环的不同长度和不同壁厚的最优值以便形成轴对称屈曲变形折叠波。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种电力机车用变形单元，其特征在于，包括：
吸能钢管(2)，所述吸能钢管(2)的内壁为圆柱形，所述吸能钢管(2)的外壁具有多个圆柱节，相邻所述圆柱节之间的厚度差为1～1.5mm，相邻圆柱节的厚度交替变化，相邻所述圆柱节通过圆环形凸筋连接，相邻所述圆环形凸筋厚度相等，单节所述圆柱节的高度为h＝2*1.76(Rt/2)1/2±10mm，其中，R是吸能钢筒的内壁半径，t为吸能钢筒的厚度；
上支撑板(1)，所述上支撑板(1)位于所述吸能钢管(2)的上端；
下支撑板(4)，所述下支撑板(4)位于所述吸能钢管(2)的下端。
2.根据权利要求1所述的电力机车用变形单元，其特征在于，所述下支撑板(4)上设置有两个所述吸能钢管(2)。
3.根据权利要求1所述的电力机车用变形单元，其特征在于，所述吸能钢管(2)通过衬套(3)与所述下支撑板(4)连接。
4.根据权利要求3所述的电力机车用变形单元，其特征在于，所述衬套(3)的第一端外壁具有第一台阶面，所述衬套(3)的第二端外壁具有第二台阶面；
所述第一台阶面的尺寸较小的一端与所述吸能钢管(2)的内壁过盈配合，所述吸能钢管(2)的下端与所述第一台阶面的水平面相抵；
所述第二台阶面的尺寸较小的一端与所述下支撑板(4)连接，所述第二台阶面的水平面与所述下支撑板(4)的上端面相抵。
5.根据权利要求4所述的电力机车用变形单元，其特征在于，所述衬套(3)与所述吸能钢管(2)焊接。
6.根据权利要求4所述的电力机车用变形单元，其特征在于，所述衬套(3)与所述下支撑板(4)螺纹连接。
7.根据权利要求1所述的电力机车用变形单元，其特征在于，所述吸能钢管(2)的上端设置有向外翻折的圆弧翻边；
所述上支撑板(1)为T型上支撑板(1)，所述上支撑板(1)尺寸较小的一端与所述吸能钢管(2)的内壁间隙配合，所述上支撑板(1)尺寸较大的一端设置有与所述圆弧翻边配合的凹槽，所述上支撑板(1)与所述吸能钢管(2)焊接。
8.根据权利要求1所述的电力机车用变形单元，其特征在于，所述吸能钢管(2)的下端设置有台阶状基座。
9.根据权利要求1所述的电力机车用变形单元，其特征在于，所述吸能钢管(2)为轴向预压缩吸能钢管。
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