CN113830128A - 一种金属吸能装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属吸能装置，包括金属防爬板、金属吸能管、变形诱导结构，所述变形诱导结构包括依次连接且平均外周直径依次增大的第一段、第二段、第三段、第四段；所述金属吸能管的上端固定连接所述金属防爬板，下端至少套接在所述变形诱导结构的第一段的外周，并与所述第一段紧密连接；所述第一段的上端面沿外周设有刨削刀具，所述金属吸能管的一端在管内壁上沿长度方向开设有诱导凹槽，所述刨削刀具的位置和数量与所述诱导凹槽的位置和数量相适应。本发明的金属吸能装置对金属吸能管实现了刨削、鼓胀变形、撕裂、卷曲变形四种形式和四个阶段的吸能，四种形变模式及产生的阻抗力皆按照预先设计的进行，整个过程有序可控，吸能效率高。

Description

一种金属吸能装置

技术领域

本发明涉及轨道车辆被动安全防护领域，特别是一种金属吸能装置。

背景技术

随着轨道交通行业的快速发展，轨道车辆的安全越来越受到重视。金属金属吸能装置作为轨道车辆中最常见的吸能结构，在碰撞发生时能够有效地吸收冲击动能，对轨道车辆和乘员的安全起到决定性作用。因此，具有优秀冲击特性的吸能装置受到广泛的研究和应用。

现有技术中有不少关于防爬吸能装置的发明创造，如发明专利CN109515468 A中提供了一种轨道车辆吸能防爬器，其吸能原理是通过金属管的刨削及流体的阻尼进行能量耗散，该技术方案结合了切削式吸能和液压式吸能的优点，提高了装置的吸能量和抗偏载性，但其后期阻抗力稳定性差，且行程利用率低；又如发明专利CN111055874B中提供了一种多级防撞缓冲结构，能够进行多级缓冲，其原理为通过切削金属方管壁上的突起以及金属管的压溃进行能量耗散，该技术方案采用多级可伸缩的结构，占用空间小，吸能效果好，但其阻抗力稳定性差，初始峰值高。

现有技术中的防爬吸能装置，尤其是对于含有金属型材的防爬吸能装置，在其压缩变形过程中可控性差，撞击力波动较大，阻抗力不稳定，往往导致吸能效率较低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种金属吸能装置，该金属吸能装置初始峰值力低、阻抗力稳定、吸能量大、过程可控。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种金属吸能装置，包括金属吸能管，其结构特点是，还包括变形诱导结构，所述变形诱导结构包括从上到下依次连接的第一段、第二段、第三段、第四段；

所述金属吸能管的下端套接在所述变形诱导结构的至少所述第一段的外周；

所述第一段的上端面沿外周设有刨削刀具，所述金属吸能管的下端在管内壁上沿长度方向开设有诱导凹槽，所述刨削刀具的位置和数量与所述诱导凹槽的位置和数量相适应；

所述第二段至少包括第一圆台，所述第三段至少包括第二圆台，所述第四段围绕所述第三段的底端四周，并且第四段的底面与第三段的底面平齐；

所述第一段、第二段、第三段、第四段同轴设置，各段之间圆滑过渡。

本发明的金属吸能装置通过设置金属防爬板、金属吸能管、变形诱导结构等结构，在列车发生碰撞时对金属吸能管实现了刨削、鼓胀变形、撕裂、卷曲变形四种形式和四个阶段的吸能。在车辆受到初始冲击时，金属吸能管沿着第一段轴向运动，位于第一段上端的刨削刀具对金属吸能管的内壁进行刨削，避免了金属压缩变形造成初始峰值过大的弊端。经刨削后的金属吸能管在第二段的第一圆台的作用下发生鼓胀变形，接着在第三段的第二圆台的作用下，金属吸能管沿着诱导凹槽产生撕裂，最后在第四段的作用下发生卷曲。本装置采用上述四种吸能方式相结合，将冲击动能进行能量耗散，四种形变模式及产生的阻抗力皆按照预先设计的进行，整个过程有序可控，金属吸能管的金属材料重复使用了四次，利用率高，吸能效率高。

根据本发明的实施例，还可以对本发明作进一步的优化，以下为优化后形成的技术方案：

多个所述刨削刀具沿所述第一段上端面的外周均匀分布，所述刨削刀具的刀刃位于所述金属吸能管的诱导凹槽内，所述诱导凹槽的初始长度大于所述刨削刀具的垂向高度。一方面通过对金属吸能管的刨削进行冲击动能的耗散，另一方面，刨削时与金属吸能管相适应的诱导凹槽能够有效诱导金属吸能管在后续发生撕裂行为时的撕裂位置，使撕裂行为可控。

优选的，所述第一段为圆柱体结构，第一段过盈装配于所述金属吸能管中，避免金属吸能管发生径向移动。

可替换的，所述金属吸能管的下端套接在所述变形诱导结构的第一段和所述第二段的外周，所述第一段的外径比所述金属吸能管的内径小0～1mm，所述金属吸能管与所述第二段之间过盈配合连接。此种方式中，第一段起到轴向导向作用，第二段起到避免金属吸能管发生径向移动的作用。

所述第二段还包括第一圆柱，所述第一圆柱连接于所述第一圆台的下端，所述第一圆台的圆台锥面角度为1～60°，所述第一圆柱的外径为金属吸能管的内径的1.05～1.15倍。

优选的，所述第一圆台的圆台锥面角度为30～45°。

所述第三段的第二圆台的圆台锥面角度为5～70°，第二圆台的底面外径为金属吸能管的内径的1.3～2倍。

所述变形诱导结构的中部轴向设置有减重孔，减重孔既能起到减重作用，又能利于将刨削产生的金属碎屑排出。

还包括防爬板，所述金属吸能管的上端固定连接所述金属防爬板，所述金属防爬板的外表面设有防爬齿。在碰撞发生时，相对接触的防爬齿之间发生啮合，能够有效抑制机构垂向运动。

还包括安装座，安装座与所述变形诱导结构相连接，且二者底面平齐，所述安装座上设有安装孔，金属吸能装置通过安装孔、安装件固定连接在轨道车辆前端，。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：

1)本发明的金属吸能装置在工作过程中，金属吸能管在刨削刀具、第二段、第三段、第四段的作用下依次经历了刨削、鼓胀变形、撕裂及卷曲变形，金属吸能管的金属材料重复使用了四次，利用率高，吸能效率高。

2)本发明的金属吸能装置中的金属吸能管在任一时刻与刨削刀具、第二段、第三段、第四段相作用发生的形变模式及产生的阻抗力皆按照预先设计的进行，整个过程有序可控。

3)冲击过程中，本发明的金属吸能装置进入稳定状态后，其阻抗力为金属材料的刨削阻抗力、鼓胀变形阻抗力、撕裂阻抗力及卷曲阻抗力之和，阻抗力高，吸能量大。

4)本发明的刨削刀具在刨削金属吸能管的内壁过程中，一方面通过对金属材料的刨削进行冲击动能的耗散，另一方面，刨削时在金属吸能管内壁产生的诱导凹槽能够有效诱导后续金属吸能管发生撕裂行为时的撕裂位置，使撕裂行为可控。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。

图1为本发明的金属吸能装置一实施例的外观示意图。

图2为本发明的金属吸能装置一实施例的剖视图。

图3为四分之一轴向剖切金属吸能管后的本发明的金属吸能装置的结构示意图。

图4为图3中的A部分的放大图。

图5为金属吸能管的四分之一轴向剖切示意图。

图6为本发明的金属吸能装置在工作过程中的结构示意图。

图7为本发明的金属吸能装置的冲击特性仿真曲线示意图。

附图标记：

1-金属防爬板；2-金属吸能管；3-第一段；4-第二段；5-第三段；6-刨削刀具；7-诱导凹槽；8-减重孔；9-第四段；10-安装座；11-防爬齿；

41-第一圆台；42-第一圆柱。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。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。除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。“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可能相应地改变。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。

本发明至少一个实施例提供一种金属吸能装置，如图1所示，包括金属防爬板1、金属吸能管2、变形诱导结构、安装座10。结合图2，所述变形诱导结构包括从上到下依次连接的第一段3、第二段4、第三段5、第四段9，所述第一段3、第二段4、第三段5、第四段9同轴设置，各段之间圆滑过渡形成变形诱导结构，所述变形诱导结构的中部轴向设置有减重孔8。

如图2、图3所示，所述金属吸能管2的上端固定连接所述金属防爬板1，所述金属防爬板1的外表面设有防爬齿11。金属吸能管2的下端套接在所述变形诱导结构的至少第一段3的外周，并与所述第一段3配合连接。在图2、图3所示的优选方案中，金属吸能管1的下端套接在所述变形诱导结构的第一段3和第二段4的外周，金属吸能管的内径为100mm，壁厚为5～10mm，所述第一段3的外径比所述金属吸能管1的内径小0～1mm，第一段的长度为5～30mm，所述金属吸能管1与所述第二段4之间过盈配合连接。此种优选方案中，第一段3起到轴向导向作用，第二段4起到避免金属吸能管1发生径向移动的作用。

结合图3、图4，所述第一段3的上端面设有刨削刀具6，所述金属吸能管2的一端在管内壁上沿圆周均匀开设有12条为长度15mm、宽度为3mm、深度为3mm的诱导凹槽7，所述刨削刀具6的位置和数量与所述诱导凹槽7的位置和数量相适应，并沿所述第一段3上端面的外周均匀分布，所述刨削刀具6的刀刃位于所述金属吸能管2的诱导凹槽7内，所述诱导凹槽7的初始长度大于所述刨削刀具6的垂向高度。刨削刀具6的外表面在径向上伸出第一段外表面的距离d与金属吸能管2上的诱导凹槽7的深度相同。一方面通过对金属吸能管的刨削进行冲击动能的耗散，另一方面，刨削时与金属吸能管相适应的诱导凹槽能够有效诱导金属吸能管在后续发生撕裂行为时的撕裂位置，使撕裂行为可控。

如图2、图3所示，所述第二段4由上而下依次包括相连接的第一圆台41、第一圆柱42，所述第一圆台41的圆台锥面角度为1～60°，优选为30～45°，所述第一圆柱42的外径为金属吸能管2的内径的1.05～1.15倍。在图2所示的优选实施例中，初始状态下，金属吸能管2的下端预压缩至第二段4的第一圆柱42部分1～15mm，即初始状态下金属吸能管2的端部1～15mm发生完全鼓胀变形。预压缩是指轴向给金属防爬板1施加力，使金属防爬板1和金属吸能管2沿着圆管长度方向移动至指定位置。

所述第三段5的圆台锥面角度为5～70°，底面外径为金属吸能管2的内径的1.3～2倍，所述第四段9围绕所述第三段5的底端四周，并且第四段的底面与第三段5的底面平齐，呈环形凹槽状。安装座10与所述第四段9相连接，且二者底面平齐，所述安装座10上设有安装孔，金属吸能装置通过安装孔、安装件固定连接在轨道车辆前端。

本申请文件中使用的“上”、“下”、“上端”、“下端”等描述仅表示相对位置关系，用于方便地描述图1至图6所示的本发明的金属吸能装置的相对位置关系。实际使用时本发明的位置与图1至图6所示的位置相垂直，本发明的金属吸能装置需要通过安装座上的安装孔安装在轨道车辆的前端两侧。因此，当安装于车体上时，金属防爬板、金属吸能管与变形诱导结构之间的相对位置关系相应地改变。本文所述的轴向指车辆的前进方向，在图1至图6中体现为竖直方向。

本发明的金属吸能装置的工作原理如下：

本装置主要通过金属吸能管2依次发生内壁刨削、鼓胀变形、撕裂以及卷曲变形等弹塑性变形进行冲击能量耗散。一定质量和速度的物体撞击金属防爬板1后，位于金属防爬板1后面的金属吸能管2在外力作用下沿着第一段3轴向运动，此时位于第一段3端部的刨削刀具6对金属吸能管2的内壁进行刨削。经过刨削后的金属吸能管2在第二段4的作用下发生鼓胀变形。随着冲击的进行，金属吸能管2继续沿着轴向运动，金属吸能管2发生鼓胀变形的部分在第三段5的作用下，沿着诱导凹槽7产生撕裂，撕裂产生的条状金属管壁在第三段5及其根部的第四段9的作用下发生卷曲。在整个冲击过程中，金属吸能管2发生了金属材料的刨削、鼓胀变形、撕裂及卷曲变形等现象。同时金属吸能管2在运动过程中与刨削刀具3、变形诱导结构的外表面发生摩擦，通过这些方式把冲击动能进行能量耗散。

图7为本发明的金属吸能装置的冲击特性仿真曲线示意图，其中横坐标表示金属吸能管2(或金属防爬板1)移动的位移，纵坐标表示冲击力的大小(等于阻抗力的大小)。由图可知，当金属吸能管2最下端的金属材料已经完成卷曲变形阶段(即进入稳定状态，对应图中的P点)后，其阻抗力的数值也基本稳定，其阻抗力为金属材料的刨削阻抗力、鼓胀变形阻抗力、撕裂阻抗力及卷曲阻抗力之和，阻抗力高，装置的吸能量大。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (10)

1.一种金属吸能装置，包括金属吸能管(2)，其特征在于，还包括变形诱导结构，所述变形诱导结构包括从上到下依次连接的第一段(3)、第二段(4)、第三段(5)、第四段(9)；

所述金属吸能管(2)的下端套接在所述变形诱导结构的至少所述第一段(3)的外周；

所述第一段(3)的上端面沿外周设有刨削刀具(6)，所述金属吸能管(2)的下端在管内壁上沿长度方向开设有诱导凹槽(7)，所述刨削刀具(6)的位置和数量与所述诱导凹槽(7)的位置和数量相适应；

所述第二段(4)至少包括第一圆台(41)，所述第三段(5)至少包括第二圆台，所述第四段(9)围绕所述第三段(5)的底端四周，并且第四段的底面与第三段(5)的底面平齐；

所述第一段(3)、第二段(4)、第三段(5)、第四段(9)同轴设置，各段之间圆滑过渡。

2.根据权利要求1所述的金属吸能装置，其特征在于，多个所述刨削刀具(6)沿所述第一段(3)上端面的外周均匀分布，所述刨削刀具(6)的刀刃位于所述金属吸能管(2)的诱导凹槽(7)内，所述诱导凹槽(7)的初始长度大于所述刨削刀具(6)的垂向高度。

3.根据权利要求1所述的金属吸能装置，其特征在于，所述第一段(3)为圆柱体结构，第一段(3)过盈装配于所述金属吸能管(2)中。

4.根据权利要求1所述的金属吸能装置，其特征在于，所述金属吸能管(2)的下端套接在所述变形诱导结构的第一段(3)和所述第二段(4)的外周，所述第一段(3)的外径比所述金属吸能管(2)的内径小0～1mm，所述金属吸能管(2)与所述第二段(4)之间过盈配合连接。

5.根据权利要求1所述的金属吸能装置，其特征在于，所述第二段(4)还包括第一圆柱(42)，所述第一圆柱(42)连接于所述第一圆台(41)的下端，所述第一圆台(41)的圆台锥面角度为1～60°，所述第一圆柱(42)的外径为金属吸能管(2)的内径的1.05～1.15倍。

6.根据权利要求5所述的金属吸能装置，其特征在于，所述第一圆台(41)的圆台锥面角度为30～45°。

7.根据权利要求1所述的金属吸能装置，其特征在于，所述第三段(5)的第二圆台的锥面角度为5～70°，第二圆台的底面外径为金属吸能管(2)的内径的1.3～2倍。

8.根据权利要求1～7之一所述的金属吸能装置，其特征在于，所述变形诱导结构的中部轴向设置有减重孔(8)。

9.根据权利要求1～7之一所述的金属吸能装置，其特征在于，还包括金属防爬板(1)，所述金属吸能管(2)的上端固定连接所述金属防爬板(1)，所述金属防爬板(1)的外表面设有防爬齿(11)。

10.根据权利要求1～7之一所述的金属吸能装置，其特征在于，还包括安装座(10)，所述安装座(10)与所述变形诱导结构相连接，且二者底面平齐，所述安装座(10)上设有安装孔，金属吸能装置通过安装孔、安装件固定连接在轨道车辆前端。

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