CN110696868A - 一种基于冲击能量转换的高速列车脱轨阻拦系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型高速列车脱轨阻拦系统，主要基于冲击能量转换与“变堵为疏”的设计理念，采用刚柔耦合旋转防护装置，以实现“四两拨千斤”的防护目的。其有效性和可行性已在船桥碰撞等其它相关工程实践领域得到了证实，可以有效弥补列车脱轨在被动安全防护方面的不足。该阻拦系统的安装不影响原有的线路格局，阻拦系统在既有线和新修线路上均可安装，既可以在全线路设置，也可以仅在某些危险路段(过曲线、道岔等)设置；整个系统结构简单，可操作性、通用性强，可以有效地阻拦脱轨列车，防止次生灾害的发生，达到保护列车和司乘人员的目的。

Description

一种基于冲击能量转换的高速列车脱轨阻拦系统

技术领域

本发明属于高速列车安全防护技术领域，尤其涉及一种基于冲击能量转换的高速列车脱轨阻拦系统。

背景技术

高速铁路是国家经济的大动脉，其以大容量、能耗低、安全舒适等优点而受到人们的青睐。然而近些年来，国内外列车脱轨事故时有发生，严重威胁着铁路的生产安全，高速列车随着运营速度的提高对其服役安全性也提出了更为苛刻的要求。尤其是我国的高铁线路以高架桥居多，一旦发生列车脱轨事故，将会导致更加严重的次生灾害。当前我国高铁正处于向更高速度迈进的关键阶段，同时高铁走出去、建设陆上丝绸之路等一系列国家宏伟战略正在持续推进，列车脱轨不但会造成严重的人员伤亡与经济损失，同时也会对国家战略发展带来负面的影响。因此，如何保障列车的运行安全，同时将列车一旦发生脱轨事故后的经济损失降到最低，具有重大而深远的战略意义。

目前对于高速列车的脱轨等安全事故的防护，大多数主要采取的是主动控制措施，通过给列车转向架或者轮对与钢轨安装辅助装置来限制列车的脱轨行为。专利CN205737571U公开了一种“轨道车辆防脱轨装置”，该发明通过轴承在列车轮轴上安装L型定位板且L型定位板与轴承之间设置有用于固定L型定位板的固定连板，线路枕木上固定有带限位板的定位块，基于L型定位板和限位板两者之间的相互作用对列车车轮进行限位从而起到防脱轨的作用；专利CN102923154A公开了一种“轨道列车防脱轨装置”，提出防脱轨挂钩方案，防脱轨挂钩的上端扣在列车的底盘大梁上，下端扣在轨道上并用紧固螺栓紧固，挂钩的两侧有加强筋以增强防脱轨挂钩的抗拉力，通过抵抗脱轨时挂钩产生的拉力限制列车的脱轨行为；专利CN105383511A公开了一种“轨道车辆转向架防脱轨装置”，该装置在列车转向架底部安装一向地面轨道延伸的防脱轨滑板，通过防脱轨滑板在安装座上的横向定位及在垂直方向上的延伸长度，使得列车在发生爬轨时仍然受防脱轨滑板与地面轨道形成的横向限位节点及地面轨道的约束，避免轨道车辆在运行中发生脱轨。

此外，有极少数采取了被动安全防护措施，以此来减小列车脱轨所带来的各方面损失。专利CN103205941B公开了“一种基于多道防线的列车脱轨撞击防护装置”，该发明提供了一种基于护轮轨、防护挡墙、吸能挡块和防护套箍等四道防线的列车脱轨撞击防护装置，不但可以提高站房被撞击的安全性，而且可以最大程度上减轻脱轨列车和列车内部人员可能造成的二次伤害。

上述这些基于主动安全防护措施的列车防脱轨装置，在某些方面的确能起到防止列车脱轨的目的，但是在高速运行的条件下，列车与辅助装置的撞击与磨损不可避免，有些装置在列车过曲线时不能完全避免与轨道之间的摩擦，同时会对列车的正常行驶以及线路的运营维护带来诸多的影响；此外，对于一些突发的诸如气候原因、线路突发状况、信号调度等客观原因造成的列车脱轨事故而言，这些主动安全防护装置可能并不能起到有效的防护目的，因此，新型的列车被动安全防护措施被寄予了较高的期望。然而目前针对列车的被动安全防护方面的研究较少，上述提到的为数不多的一种被动安全防护措施，主要是用来保护列车站房结构的，对于脱轨列车和列车内部人员只是起到一个辅助保护的作用。

发明内容

本发明提供一种基于冲击能量转换的高速列车脱轨阻拦系统，基于冲击能量转换和耗散，旨在填补高速列车脱轨在被动安全防护方面的不足，从而实现有效阻拦脱轨列车、保护司乘人员安全的目的，将轨道车辆一旦发生脱轨后的各方面损失尽可能降到最低；同时还可与防止列车脱轨的主动安全防护装置形成互补，共同构成高速列车安全防护的两道屏障。

本发明是这样实现的，一种基于冲击能量转换的高速列车脱轨阻拦系统，包括布置在高铁线路两侧的多个被动防护阻拦装置。

进一步的，所述被动防护阻拦装置包括刚性的支撑结构和柔性的旋转结构，所述旋转结构安装在所述支撑结构上，所述支撑结构用于固定在所述高铁线路两侧。

进一步的，所述旋转结构包括中心轴和套装在中心轴上的辊体。

进一步的，所述支撑结构包括底座和顶座，所述中心轴两端分别与底座和顶座固定连接。

作为优选的，所述支撑结构采用钢结构。

进一步的，所述辊体包括刚性内层和柔性外层，所述柔性外层固定在所述刚性内层上。

进一步的，所述刚性内层通过弹簧阻尼及钢管套装在所述中心轴上。

进一步的，所述刚性内层与所述中心轴之间填充有吸能材料。

进一步的，所述柔性外层表面设置有防滑纹路。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出了一种新型高速列车脱轨阻拦系统，主要基于能量转换、“变堵为疏”的设计理念，采用柔性防护装置，其有效性和可行性已在船桥碰撞等其它相关工程实践领域得到了证实，可以有效弥补列车脱轨在被动安全防护方面的不足。该阻拦系统的安装不影响原有的线路格局，阻拦系统在既有线和新修线路上均可安装，既可以在全线路设置，也可以仅在某些危险路段(过曲线、道岔等)设置；整个系统结构简单，可操作性、通用性强，可以有效地阻拦脱轨列车，防止次生灾害的发生，达到保护列车和司乘人员的目的。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明中被动防护阻拦装置结构示意图；

图3为本发明中旋转结构示意图；

图中：1-被动防护阻拦装置、2-支撑结构、3-旋转结构、31-中心轴、32-辊体、321-柔性外层、322-刚性内层、323-弹簧阻尼、324-吸能材料。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例1

请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：一种基于冲击能量转换的高速列车脱轨阻拦系统，包括布置在高铁线路两侧的多个被动防护阻拦装置1，可以有效地阻拦脱轨列车，防止次生灾害的发生，达到保护列车和司乘人员的目的；

本实施方式中，为了降低列车与拦防系统撞击时的冲击力，所述被动防护阻拦装置1包括刚性的支撑结构2和柔性的旋转结构3，所述旋转结构3安装在所述支撑结构2上，所述支撑结构2用于固定在所述高铁线路两侧；

本实施例中，所述旋转结构3包括中心轴31和套装在中心轴31上的辊体32。

本实施方式中，为了配合旋转结构3使其更好的发挥能量耗散和转移的作用，所述支撑结构2包括底座和顶座，所述中心轴31两端分别与底座和顶座固定连接；

为了保证支撑结构的强度，作为优选的实施方式，所述支撑结构2采用钢结构。

基于冲击能量的转移和耗散，防撞材料具有较低的结构动态广义波阻抗，同时具有一定的强度，所述辊体32包括刚性内层322和柔性外层321，所述柔性外层321固定在所述刚性内层322上。

本实施方式中，为了被动防护阻拦装置1受到高强度冲击载荷时，使其不至于严重变形破坏的同时，又能起到缓冲吸能的作用，所述刚性内层322通过弹簧阻尼323及钢管套装在所述中心轴31上。

为了加强旋转结构3的吸能、耗能作用，所述刚性内层322与所述中心轴31之间填充有吸能材料324。

本实施例中，为使高速列车与被动防护阻拦装置1发生滚动摩擦，所述柔性外层321表面设置有防滑纹路。

本实施方式中，在不影响列车正常运行的前提下，在高铁线路(高架桥、线路条件复杂区间等)的两侧布置相应的防护阻拦装置，从而在高速列车行驶的限界外形成整体的拦防系统；

由于列车在高速运行时具有较大的动能/动量，当列车以较高速度与防护系统发生碰撞时，冲击能量很难在短时间内耗散掉，因此仅凭借传统的高强度防护结构来抵抗列车在撞击时产生的巨大能量是不太现实的，很难对列车形成阻拦的作用。

本发明这里提出的脱轨阻拦系统，其主要原理就是基于冲击能量的转移和耗散；该阻拦系统具有独特的结构设计和材料配置，其采用柔性旋转结构3和高强度、耐磨新型复合材料设计而成，同时为了降低列车与拦防系统撞击时的冲击力，要求防撞材料应具有较低的结构动态广义波阻抗。其中柔性旋转结构3可通过上、下的钢结构来支撑和定位，从而配合中间的旋转结构3使其更好的发挥能量耗散和转移的作用；

当列车由于种种原因发生脱轨事故与护栏发生撞击时，该阻拦系统就可以运用粘性耗能机制将撞击时的巨大能量转变为结构的旋转动能而耗散，这种特殊的旋转结构3设计，可以大大吸收撞击力道、减小冲击能量，从而避免列车脱轨后二次灾害的发生，极大可能保护列车和司乘人员。

实施例2

如图1所示，在高速铁路两侧限界外布置相应的防护阻拦装置，当高速列车由于发生碰撞或者其它因素而导致脱轨后撞向防护装置时，这些护栏中的旋转结构3就会与列车表面发生摩擦，致使旋转结构3绕着轴线发生旋转滚动；从而将撞击时的巨大能量转变为旋转时的动能，实现了能量的转移，起到缓冲耗能作用的同时，也延长了撞击历时。

将原本集中在一个区域的撞击力分散在了整个旋转结构3的外表面，降低了防护装置在受撞击后破坏的可能性，从而起到了对脱轨列车阻拦的作用。

如图3所示，旋转结构3内部采用柔性外层321和刚性内层322两部分组成，旋转辊体32和中心轴31之间采用弹簧阻尼323和钢管构成的装置来联结，同时在钢管内部填充轻质多孔吸能材料324，旋转结构3在瞬间受到高强度冲击载荷时，使其不至于严重变形破坏的同时，又能起到缓冲吸能的作用，并且刚度较大的弹簧可以达到定位支撑旋转结构3的目的。

为了降低列车与阻拦装置之间的作用力，旋转结构3外部采用柔性(低的结构动态广义波阻抗)的装置；此外，该旋转结构3不光起到撞击能量转移的作用，还具备一定的吸能、耗能作用；

该阻拦系统中的核心部件是柔性旋转结构3，为了实现能量耗散和转换的目的，该结构的设计在与列车发生碰撞时应满足空间上内刚外柔、时间上先软后硬的要求，如图3所示。这样可以增加列车在与旋转结构3撞击时的作用时间，而根据动量定理，在动量变化一定的情况下，增加力的作用时间可以减小冲击力的大小，起到对列车保护的作用；但同时也要保证结构的强度和刚度，能够抵制高速列车在巨大冲击能量下的撞击，而不致使其结构破坏；

从能量和动量交换的角度来看，列车与防护装置相撞的过程是一个短时间内进行能量/动量传递和交换的动力学过程，撞击力所做的功，通过应力波转化为变形能(内能)与动能之和，若变形能中的不可逆部分越高，则说明拦防装置所起的整体作用越大，越有利于防撞装置发挥缓冲耗能作用。列车碰撞动能可以表示为

根据碰撞前后能量守恒有：E＝E₁+E₂+E₃+E₄，其中E₁为拦阻装置所吸收的能量，E₂为列车变形吸收的能量，E₃为旋转结构3转换耗散掉的能量，E₄为列车与阻拦装置碰撞接触面间摩擦而消耗的能量。因此，为了有效保护脱轨列车和司乘人员的安全，使E₁和E₃这两部分能量在总能量的转化中占比最大，也就是说，让拦防装置带走尽量多的剩余动能，是本设计的关键；

粘性耗能可以缓冲列车与拦防装置的撞击过程，延长撞击历时，进而为列车经过与旋转结构3摩擦碰撞后在低应力状态下转向滑离、尽可能多的带走剩余动能创造有利条件，使其具有基于低波阻抗意义上的冲击柔性和缓冲撞击过程意义上的粘性耗能机制。

综上，对于该列车脱轨阻拦装置的设计，遵循以下科学理念：①借助“变堵为疏”的思想，以能量转换的方式为主，以吸能、耗能方式为辅，实现巨大冲击能量的转化；②采用“刚柔并济、高强耐磨”的防护装置(旋转结构3)；③让列车与防护装置碰撞后尽早滑离，化撞击集中力为分布载荷的同时带走尽可能多的剩余动能；④基于低波阻抗意义上的冲击柔性和缓冲撞击过程意义上的粘性耗能机制。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于冲击能量转换的高速列车脱轨阻拦系统，其特征在于：包括布置在高铁线路两侧的多个被动防护阻拦装置。

2.根据权利要求1所述的脱轨阻拦系统，其特征在于：所述被动防护阻拦装置包括刚性的支撑结构和柔性的旋转结构，所述旋转结构安装在所述支撑结构上，所述支撑结构用于固定在所述高铁线路两侧。

3.根据权利要求2所述的脱轨阻拦系统，其特征在于：所述旋转结构包括中心轴和套装在中心轴上的辊体。

4.根据权利要求3所述的脱轨阻拦系统，其特征在于：所述支撑结构包括底座和顶座，所述中心轴两端分别与底座和顶座固定连接。

5.根据权利要求4所述的脱轨阻拦系统，其特征在于：所述支撑结构采用钢结构。

6.根据权利要求3所述的脱轨阻拦系统，其特征在于：所述辊体包括刚性内层和柔性外层，所述柔性外层固定在所述刚性内层上。

7.根据权利要求6所述的脱轨阻拦系统，其特征在于：所述刚性内层通过弹簧阻尼及钢管套装在所述中心轴上。

8.根据权利要求7所述的脱轨阻拦系统，其特征在于：所述刚性内层与所述中心轴之间填充有吸能材料。

9.根据权利要求6所述的脱轨阻拦系统，其特征在于：所述柔性外层表面设置有防滑纹路。

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