CN110450810B - 一种波纹式复合吸能装置及具有该装置的轨道车辆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波纹式复合吸能装置及轨道车辆，装置包括防爬齿板、吸能组件及后挡板，防爬齿板的背面连接导向杆，吸能组件包括波纹式塑变吸能组件和增强式吸能组件，波纹式塑变吸能组件为具有一中心通孔的柱体，其由若干相间设置的导向塑变管和波纹板围设而成，增强式吸能组件套设于中心通孔内，导向杆的自由端穿过导向塑变管后插设于后挡板上开设的导向通孔中固接，使吸能组件的两端分别与防爬齿板和后挡板接触。具有上述装置的轨道车辆能按照预设的波纹路径稳定有序可控地发生，相对传统的吸能结构本发明具有更稳定的载荷——位移曲线，其没有过高的初始峰值力，能有效地避免在冲击吸能过程中产生瞬间较大的载荷，进一步降低对乘员和车体的损害。

Description

一种波纹式复合吸能装置及具有该装置的轨道车辆

技术领域

本发明涉及轨道车辆的被动安全防护技术领域，尤其涉及波纹式复合吸能装置及具有该装置的轨道车辆。

背景技术

轨道交通是国民经济的命脉，同时，我国的高铁网络渐趋完善，获得的巨大经济、社会效益也变得举世瞩目，这为出口轨道设备、轨道系统等产品树立了极佳的示范榜样。

在这种发展趋势的促进下，为了更好地满足人类的需求，轨道列车运行的安全性应该引起人们足够的重视。一旦列车发生碰撞，其巨大的动能将导致多车辆耦合性冲击。产生碰撞后，连接的车厢会接二连三地与前面车厢发生接触式碰撞。特别是，高速列车运行时的碰撞将导致更严重的伤害。由于铁路列车事故原因的复杂性，单靠主动安全措施并不能保证避免事故发生。因此，为了降低难以制止的列车碰撞事故的损失，有必要依据轨道列车耐撞性的研究分析结果来设计研发优良的耐撞性结构部件。

基于此，依据马蹄壁微观组织结构特征，设计了一种波纹式复合导向吸能装置。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单，拆装方便，变形稳定、有序、可控，初始峰值力低且吸能效率高的波纹式复合吸能装置及及具有该装置的轨道车辆。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种波纹式复合吸能装置，包括防爬齿板、吸能组件以及后挡板，所述防爬齿板的背面垂直连接有若干导向杆，所述吸能组件包括波纹式塑变吸能组件和增强式吸能组件，所述波纹式塑变吸能组件为具有一中心通孔的柱体，其由若干相间设置的导向塑变管和波纹板围设而成，所述增强式吸能组件套设于所述中心通孔内，所述导向杆与导向塑变管的数量一致，导向杆的自由端通过间隙配合穿过对应的导向塑变管后插设于后挡板上开设的导向通孔中并通过紧固件固接，使所述吸能组件的两端分别与防爬齿板和后挡板接触。

作为本发明的进一步改进：

优选的，所述柱体为由四根导向塑变管和四块波纹板相间焊接形成的四棱柱，所述波纹板的波纹延伸方向与导向塑变管的长度方向一致，且所述导向塑变管和波纹板的长度一致。

优选的，所述防爬齿板的背面焊接四个限位柱，各限位柱的端部均焊接一所述的导向杆；所述后挡板上于与防爬齿板相对的一面设有四个与相应导向通孔同轴的限位盲孔；所述限位柱和限位盲孔的几何形状均与所述导向塑变管的形状相一致，导向塑变管的一端通过过渡配合套设于限位柱上且端部与防爬齿板之间形成紧密接触，另一端插设于对应的限位盲孔内与后挡板之间形成封闭式紧密贴合接触。

优选的，所述导向塑变管、限位柱、限位盲孔、导向杆均为形状相对应的圆形、方形、外凸多边形、正八边形、十字形或内凹多边形。

优选的，所述导向塑变管的外径为L/N，波纹板是由y＝Asin(2πN/L*x)来控制的，其中：L为波纹式塑变吸能组件的轴向长度，N为波纹板的波纹波数，A为波纹板的波纹幅值。

优选的，所述增强式吸能组件为压溃式塑性变形结构，包括蜂窝结构、泡沫铝或多胞吸能管；增强式吸能组件与波纹式塑变吸能组件的长度一致。

优选的，所述紧固件为开口销，所述导向杆穿出所述后挡板的外端设有一垂直于轴线的销孔，所述开口销插设于销孔内并靠紧后挡板的背面。

优选的，所述防爬齿板和后挡板均为矩形或方形结构，所述防爬齿板的前面均匀设置有防爬齿，所述后挡板的四周还设有若干用于与轨道车辆底架前端的横梁连接的安装孔。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种轨道车辆，包括车体底架，所述车体底架的前端横梁装设有上述的波纹式复合吸能装置。

上述的轨道车辆中，所述横梁上设置两组所述的波纹式复合吸能装置，且两组波纹式复合吸能装置相对于轨道车辆底架的中心垂向平面呈对称布置。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明的装置，发生碰撞后能在导向杆的引导下，使波纹式塑变吸能组件和增强式吸能组件发生稳定的轴向塑性变形，即碰撞过程中的冲击动能是通过波纹式塑变吸能组件和增强式吸能组件的双重作用来耗散的。且由于波纹板的存在，变形过程能按照预设的波纹路径稳定、有序、可控地发生，使本发明的装置相对传统的吸能结构具有更稳定的载荷——位移曲线，其没有过高的初始峰值力，能承受更大的冲击力且能有效地避免在冲击吸能过程中产生瞬间较大的载荷，可更大程度地降低对乘员和车体的损害。

2、本发明的装置，在变形过程中，限位柱和限位孔可约束住波纹式塑变吸能组件和增强式吸能组件，能够确保整套吸能装置沿轴向运动。

3、本发明的装置，波纹式塑变吸能组件中的导向塑变管能够依据安装空间更改构型，能够合理高效地利用空间位置。

4、本发明的装置，能够打破传统吸能管的变形模式不稳定、初始峰值力过高和吸能效率低的局限，且本发明的结构简单、成本低、易于安装和拆卸，可以被广泛推广使用。

附图说明

图1是本发明实施例的波纹式复合导向吸能装置的立体结构示意图。

图2是本发明实施例的波纹式复合导向吸能装置另一角度的立体结构示意图。

图3是本发明波纹式复合导向吸能装置的立体结构分解示意图。

图4是本发明实施例中防爬齿板与导向杆连接的立体结构示意图(导向杆为圆形结构时)。

图5是本发明实施例中防爬齿板与导向杆连接的主视结构示意图(导向杆为圆形结构时)。

图6是本发明实施例中波纹式塑变吸能组件的立体结构示意图(其中的导向塑变管为圆形时)。

图7是本发明中波纹式塑变吸能组件可以变换的多种示意图；其中：(a)中的导向塑变管为圆形；(b)中的导向塑变管为方形；(c)中的导向塑变管为外凸多边形；(d)中的导向塑变管为正八边形；(e)中的导向塑变管为十字形；(f)中的导向塑变管为内凹多边形。

图8是本发明实施例中增强式吸能组件的立体结构示意图。

图9是本发明实施例中后挡板的立体结构示意图(导向通孔和限位盲孔均为圆形时)。

图10是本发明实施例中后挡板的主视结构示意图(导向通孔和限位盲孔均为圆形时)。

图11是本发明中开口销的结构示意图。

图12是本发明的波纹式塑变吸能组件与传统方管吸能结构的载荷—位移曲线对比图。

图13是本发明的波纹式塑变吸能组件与传统方管吸能结构的变形模式对比图；其中，(a)为波纹式塑变吸能组件变形模式的实验与仿真对比图；(b)为传统方式吸能结构变形模式的实验与仿真对比图。

图14是本发明的波纹式复合导向吸能装置装设于轨道车辆前端的安装示意图。

图中各标号表示：

1、防爬齿板；11、防爬齿；12、限位柱；13、导向杆；14、销孔；2、波纹式塑变吸能组件；21、导向塑变管；22、波纹板；3、增强式吸能组件；4、后挡板；41、安装孔；42、导向通孔；43、限位盲孔；5、开口销；6、波纹式复合吸能装置。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

如图1-图3所示，本发明的一种波纹式复合吸能装置实施例，包括防爬齿板1、吸能组件以及后挡板4，设置防爬齿板1可以有效避免列车发生碰撞而造成的爬车事故。防爬齿板1的背面垂直连接有若干圆形导向杆13，吸能组件包括波纹式塑变吸能组件2和增强式吸能组件3，波纹式塑变吸能组件2为具有一中心通孔的柱体，其由若干相间设置的导向塑变管21和波纹板22围设焊接而成，增强式吸能组件3套设于中心通孔内，导向杆13与导向塑变管21的数量一致，导向杆13的自由端通过间隙配合穿过对应的导向塑变管21后插设于后挡板4上开设的导向通孔42中并通过紧固件固接成一整体，使吸能组件的两端分别与防爬齿板1和后挡板4之间形成接触。该结构发生碰撞后，导向杆能在导向通孔42中轴向移动，在导向杆的引导下，使与防爬齿板和后挡板接触的波纹式塑变吸能组件和增强式吸能组件发生稳定的轴向塑性变形，即碰撞过程中的冲击动能是通过波纹式塑变吸能组件和增强式吸能组件的双重作用来耗散的。且由于波纹板的存在，变形过程能按照预设的波纹路径稳定、有序、可控地发生，使本发明的装置相对传统的吸能结构具有更稳定的载荷——位移曲线，其没有过高的初始峰值力，能承受更大的冲击力且能有效地避免在冲击吸能过程中产生瞬间较大的载荷，可更大程度地降低对乘员和车体的损害。

如图6所示，本实施例中，波纹式塑变吸能组件2为由四根导向塑变管21和四块波纹板22相间焊接形成的四棱柱，波纹板22的波纹延伸方向(即与波纹板的波峰或波谷形成的通槽方向相垂直的方向)与导向塑变管21的轴向长度方向一致，且导向塑变管21和波纹板22的长度优选为一致。导向塑变管21既可以放置导向杆引导整套吸能结构的轴向运动，也可以发生塑性变形来吸收冲击能量。导向塑变管21的形状能够依据安装空间进行变换，以合理高效地利用空间位置，如图7(a)中所示的结构为本实施例所采用的圆形，其他实施例中还可以采用如(b)、(c)、(d)、(e)、(f)中所示的方形、外凸多边形、正八边形、十字形或内凹多边形等。相应地，导向杆13的几何形状也与导向塑变管21的形状一致。波纹板22的引入主要是降低碰撞初始峰值力，以降低对乘员和车体的损害。导向塑变管21的外径为L/N，波纹板22是由y＝Asin(2πN/L*x)来控制的，其中：L为波纹式塑变吸能组件2的轴向长度，N为波纹板的波纹波数，A为波纹板22的波纹幅值。

如图4-图5，本实施例中，防爬齿板1为矩形或方形结构，其前面均匀设有可避免列车发生爬车事故的防爬齿11，背面焊接四个限位柱12，其作用是约束波纹式塑变吸能组件的自由度以固定吸能装置。各限位柱12的端部均焊接一导向杆13，用于引导整个结构沿着轴向运动，且限位柱12的横截面尺寸大于导向杆13的横截面尺寸。如图9-图10，后挡板4为矩形或方形结构，其上设有四个导向通孔42以及若干用于与轨道车辆底架前端的横梁连接的安装孔41，且于与防爬齿板1相对的面上设有四个与相应导向通孔同轴的限位盲孔43；限位柱12和限位盲孔43的几何形状均与导向塑变管21的形状相一致，导向塑变管21的一端通过过渡配合套设于限位柱12上与防爬齿板1之间形成紧密接触，另一端插设于对应的限位盲孔43内与后挡板4之间形成封闭式紧密贴合接触。限位柱和限位孔可约束住波纹式塑变吸能组件和增强式吸能组件，能够确保整套吸能装置沿轴向运动。

本实施例中，增强式吸能组件3用于增强整套结构吸能效果，其为压溃式塑性变形结构，可以是蜂窝结构(如图8所示)、泡沫铝或多胞吸能管等；增强式吸能组件3与波纹式塑变吸能组件2的长度一致，变形更稳定。增强式吸能组件3为蜂窝结构时，其孔隙方向与波纹式塑变吸能组件2的中心通孔轴向一致。

如图11所示，本实施例中，紧固件为开口销5，导向杆13穿出后挡板4的外端设有一垂直于轴线的销孔14，开口销5插设于销孔14内并靠紧后挡板4的背面，并将开口销的尾部扳开，可防止整套吸能装置松动。

如图14所示，本发明还提供一种轨道车辆，包括车体底架，车体底架的前端横梁装设有上述的波纹式复合吸能装置6，其中，后挡板通过穿设于其外周安装孔中的螺栓可拆卸装设于车体底架前端的横梁上。

上述轨道车辆中，更优选的是在横梁上设置两组上述本发明的波纹式复合吸能装置6，且两组波纹式复合吸能装置6相对于轨道车辆底架的中心垂向平面呈对称布置。

工作原理

当轨道列车发生碰撞时，冲击力首先作用到防爬齿板上，同时将冲击力传导到波纹式塑变吸能组件和增强式吸能组件上。在导向杆的轴向移动引导下，波纹式塑变吸能组件和增强式吸能组件发生轴向塑性变形。由于波纹板的存在，使变形过程按照预设的波纹路径稳定、有序、可控的发生。在变形过程中，限位柱和限位盲孔约束住了波纹式塑变吸能组件和增强式吸能组件，能够确保整套吸能装置轴向运动。

整套波纹式复合导向吸能装置通过波纹式塑变吸能组件和增强式吸能组件的双重作用来耗散碰撞过程中的冲击动能。且波纹式塑变吸能组件中的导向塑变管能够依据安装空间更改形状，能够合理高效地利用空间位置。整套装置相对传统的吸能结构可以具有更稳定载荷—位移曲线，没有过高的初始峰值力，能承受更大的冲击力且能有效地避免在冲击吸能过程中产生瞬间较大的载荷(如图12、图13)，可更大程度地降低对乘员和车体的损害。

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)

1.一种波纹式复合吸能装置，包括防爬齿板（1）、吸能组件以及后挡板（4），所述防爬齿板（1）的背面连接有若干导向杆（13），其特征在于，所述吸能组件包括波纹式塑变吸能组件（2）和增强式吸能组件（3），所述波纹式塑变吸能组件（2）为具有一中心通孔的柱体，其由若干相间设置的导向塑变管（21）和波纹板（22）围设而成，所述导向塑变管（21）和波纹板（22）的长度一致，所述波纹板（22）的波纹延伸方向与导向塑变管（21）的长度方向一致；所述增强式吸能组件（3）套设于所述中心通孔内，所述导向杆（13）与导向塑变管（21）的数量一致，导向杆（13）的自由端通过间隙配合穿过对应的导向塑变管（21）后插设于后挡板（4）上开设的导向通孔（42）中并通过紧固件固接，使所述吸能组件的两端分别与防爬齿板（1）和后挡板（4）接触。

2.根据权利要求1所述的波纹式复合吸能装置，其特征在于，所述柱体为由四根导向塑变管（21）和四块波纹板（22）相间焊接形成的四棱柱。

3.根据权利要求2所述的波纹式复合吸能装置，其特征在于，所述防爬齿板（1）的背面焊接四个限位柱（12），各限位柱（12）的端部均焊接一所述的导向杆（13）；所述后挡板（4）上于与防爬齿板（1）相对的一面设有四个与相应导向通孔（42）同轴的限位盲孔（43）；所述限位柱（12）和限位盲孔（43）的几何形状均与所述导向塑变管（21）的形状相一致，导向塑变管（21）的一端通过过渡配合套设于限位柱（12）上且端部与防爬齿板（1）之间形成紧密接触，另一端插设于对应的限位盲孔（43）内与后挡板（4）之间形成封闭式紧密贴合接触。

4.根据权利要求3所述的波纹式复合吸能装置，其特征在于，所述导向塑变管（21）、限位柱（12）、限位盲孔（43）、导向杆（13）均为形状相对应的圆形、外凸多边形或内凹多边形。

5.根据权利要求1-4任一项所述的波纹式复合吸能装置，其特征在于，所述导向塑变管（21）的外径为L/N，波纹板（22）由y=Asin(2πN/L*x)控制，其中：L为波纹式塑变吸能组件（2）的轴向长度，N为波纹板（22）的波纹波数，A为波纹板（22）的波纹幅值。

6.根据权利要求1-4任一项所述的波纹式复合吸能装置，其特征在于，所述增强式吸能组件（3）为压溃式塑性变形结构，包括蜂窝结构、泡沫铝或多胞吸能管；增强式吸能组件（3）与波纹式塑变吸能组件（2）的长度一致。

7.根据权利要求1-4任一项所述的波纹式复合吸能装置，其特征在于，所述紧固件为开口销（5），所述导向杆（13）穿出所述后挡板（4）的外端设有一垂直于轴线的销孔（14），所述开口销（5）插设于销孔（14）内并靠紧后挡板（4）的背面。

8.根据权利要求1-4任一项所述的波纹式复合吸能装置，其特征在于，所述防爬齿板（1）和后挡板（4）均为矩形结构，所述防爬齿板（1）的前面均匀设置有防爬齿（11），所述后挡板（4）的四周还设有若干用于与轨道车辆底架前端的横梁连接的安装孔（41）。

9.一种轨道车辆，包括车体底架，其特征在于，所述车体底架的前端横梁装设有如权利要求1-8任一项所述的波纹式复合吸能装置（6）。

10.根据权利要求9所述的轨道车辆，其特征在于，所述横梁上设置两组所述的波纹式复合吸能装置（6），且两组波纹式复合吸能装置（6）相对于轨道车辆底架的中心垂向平面呈对称布置。

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