CN116084323B - 一种高速列车脱轨阻拦系统及其结构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种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，所述被动防护阻拦装置包括固定于高铁线路两侧的刚性的支撑结构和设于所述支撑结构上的旋转防护桶；本发明还公开了一种高速列车脱轨阻拦系统的结构设计方法；本发明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。

Description

一种高速列车脱轨阻拦系统及其结构设计方法

技术领域

本发明涉及轨道交通安全防护技术领域，特别是一种高速列车脱轨阻拦系统及其结构设计方法。

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。当前我国高铁正处于向更高速度迈进的关键阶段，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，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

为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种高速列车脱轨阻拦系统及其结构设计方法，本发明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。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种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，所述被动防护阻拦装置包括固定于高铁线路两侧的刚性的支撑结构和设于所述支撑结构上的旋转防护桶。

作为本发明的进一步改进，所述支撑结构包括横梁、夹具和固定于高铁线路两侧的立柱，所述旋转防护桶套设于所述立柱上并由所述横梁支撑，且所述横梁通过所述夹具固定于所述立柱上。

作为本发明的进一步改进，所述立柱、横梁和夹具均为钢结构。

作为本发明的进一步改进，所述旋转防护桶包括不锈钢内外壳和设于所述内外壳之间的泡沫吸能层。

本发明还公开了一种如上所述的高速列车脱轨阻拦系统的结构设计方法，包括以下步骤：

步骤S1、计算列车初始动能并根据能量守恒列出参与吸能的各结构能量守恒方程式；

步骤S2、设定脱轨阻拦系统所要达到的能量转换率，对步骤S1的能量守恒方程式进行简化并初步确定立柱与旋转防护桶吸能占比，从而确定立柱和旋转防护桶的吸能量；

步骤S3、估算参与吸能的立柱和旋转防护桶的数量，进而分别确定立柱和旋转防护桶的吸能平均值，并根据吸能平均值对单个立柱和旋转防护桶进行设计；

步骤S4、根据车体高度、头车鼻尖到地面的高度，同时考虑到为后续旋转防护桶留出设计空间，对立柱高度进行初步设定，同时设定立柱的横向动态变形值，计算其支撑铰链点旋转的角度并基于Parkes模型列出立柱弯曲能量平衡方程式，从而计算出立柱的直径，其中，立柱高度包括地面以上高度以及位于混凝土基础中立柱的预埋高度；

步骤S5、根据动车组头车鼻尖到地面的高度，保证头车鼻尖与旋转防护桶中心处于同一水平面，进而初步确定旋转防护桶中心距地面的高度；根据头车的前端结构初步设定泡沫吸能层的高度，根据泡沫材料应力-应变曲线积分得出单位体积泡沫平均吸能量，与步骤S3旋转防护桶的吸能平均值联立求得泡沫吸能层的外径，并对外径数值进行修正；

步骤S6、对横梁、夹具、回旋圈、螺栓、螺母的尺寸进行适当选取满足结构和功能要求即可。

作为本发明的进一步改进，步骤S1中，参与吸能的各结构能量守恒方程式如下：

式中：m为列车的质量，v ₁为列车与阻拦系统碰撞前的速度，E _柱为所有立柱吸收的能量之和，E _桶为所有旋转防护桶吸收的能量之和，E ₁为列车与地面摩擦做功，E ₂为列车变形吸收的能量，E ₃包括旋转防护桶与立柱、回旋圈、列车摩擦做功，回旋圈与横梁、夹具、立柱摩擦做功，横梁、夹具、螺栓、螺母、回旋圈吸收的能量，v ₂为阻拦系统完成对列车导向作用时列车的速度。

作为本发明的进一步改进，步骤S2中，设定该脱轨阻拦系统所要达到的能量转换率并对步骤S1的能量守恒方程进行简化，忽略列车与地面摩擦做功E ₁，列车变形吸收的能量E ₂，旋转防护桶与立柱、回旋圈、列车摩擦做功，回旋圈与横梁、夹具、立柱摩擦做功，横梁、夹具、螺栓、螺母、回旋圈吸收的能量E ₃，得能量方程如下：

式中，k为能量转换率，其中，

。

作为本发明的进一步改进，步骤S2中，假设所有立柱吸收的能量之和占E ₄的百分比为β，从而确定立柱和旋转防护桶的吸能量如下：

作为本发明的进一步改进，步骤S3中，估算参与吸能的立柱和旋转防护桶的数量具体如下：

式中：c为列车从与阻拦系统接触直至完成导向作用时列车与阻拦系统相互作用的长度，f为相邻立柱之间的间距，n取整数。

作为本发明的进一步改进，步骤S3中，立柱和旋转防护桶的吸能平均值的确定方法如下：

式中：E _柱n为第n个变形的立柱吸收的能量，E _桶n为第n个变形的旋转防护桶吸收的能量。

由于不锈钢外壳主要对泡沫层起到一层保护作用，所以初步设计的不锈钢层厚度较低，为简化计算，忽略其吸能作用，仅考虑泡沫吸能层的吸能E _吸y，即：

作为本发明的进一步改进，步骤S4中，基于Parkes模型列出立柱弯曲能量平衡方程式如下：

式中，M _u为极限弯矩，θ为支撑铰链点旋转的角度，σ _s为材料的屈服强度，W _s为塑性弯曲截面系数,W _z为弯曲截面系数，其中，圆形截面弯曲截面系数

，α为截面形状系数（圆形截面/>

），D _柱为立柱的直径。

作为本发明的进一步改进，支撑铰链点旋转的角度的计算方法如下：

式中，P为立柱的横向动态变形值，即立柱发生弯曲变形后相对于初始位置的横向水平位移，l ₁为地面以上立柱的高度。

作为本发明的进一步改进，步骤S4中，立柱直径的计算方法如下：

。

作为本发明的进一步改进，步骤S5中，泡沫吸能层的外径的计算方法如下：

泡沫吸能层单位体积泡沫材料的平均吸能量：

式中，ε为应变，σ为应力，ε _p为吸能层泡沫材料的平均应变。

泡沫吸能层的体积：

式中，D _吸为泡沫吸能层的外径，d _吸为泡沫吸能层的内径，L _吸为泡沫吸能层的高度。

从而，泡沫吸能层的外径D _吸：

作为本发明的进一步改进，在步骤S5中，通过对泡沫吸能层的厚度乘以安全系数对外径数值进行修正。

本发明的有益效果是：

本发明主要基于能量转换、“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为本发明实施例的整体结构示意图；

图2为本发明实施例中被动防护阻拦装置结构示意图；

图3为本发明实施例中单个被动防护阻拦装置示意图；

图4为本发明实施例中旋转防护桶与列车预期作用范围示意图。

附图标记：

1、被动防护阻拦装置，2、立柱，3、横梁，4、夹具，5、不锈钢内外壳，6、泡沫吸能层，7、螺栓，8、回转圈。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

实施例

如图1-图3所示，一种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。

所述被动防护阻拦装置1包括刚性的支撑结构和包括泡沫吸能层6和不锈钢内外壳5的柔性旋转结构，柔性旋转结构也可被称为旋转防护桶，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，所述支撑结构采用钢结构。

所述支撑结构包括立柱2、横梁3和夹具4；具体地，夹具4和横梁3之间通过螺栓7进行连接，不锈钢内外壳5的两端与横梁3之间设置有回转圈8。

本实施例还提供一种高速列车脱轨阻拦系统的结构设计方法，具体包括以下步骤：

步骤S1、计算列车初动能并根据能量守恒列出参与吸能的各结构能量守恒方程式；

步骤S2、设定该脱轨阻拦系统所要达到的能量转换率、对步骤S1的能量守恒方程进行适当简化并初步确定立柱与旋转防护桶吸能占比从而确定立柱和旋转防护桶的吸能量；

步骤S3、估算参与吸能的立柱和旋转防护桶的数量，进而分别确定立柱和旋转防护桶的吸能平均值，并根据吸能平均值对单个立柱和旋转防护桶进行设计；

步骤S4、根据车体高度、头车鼻尖到地面的高度同时考虑到为后续旋转防护桶留出设计空间，对立柱高度包括地面以上高度以及位于混凝土基础中立柱的预埋高度进行初步设定，同时设定立柱的横向动态变形值，计算其支撑铰链点旋转的角度并基于Parkes模型列出立柱弯曲能量平衡方程式，从而计算出立柱的直径；

步骤S5、根据动车组头车鼻尖到地面的高度，保证头车鼻尖与旋转防护桶中心处于同一水平面，进而初步确定旋转防护桶中心距地面的高度。在保证经济性的前提下，尽可能增大头车与旋转防护桶的接触面积，根据头车的前端结构初步设定吸能层的高度，根据泡沫材料应力－应变曲线积分得出单位体积泡沫平均吸能量，与步骤S3旋转防护桶的吸能平均值联立求得泡沫吸能层的外径，并对外径数值进行修正；

步骤S6、对包括横梁、夹具、回旋圈、螺栓、螺母的尺寸进行适当选取，满足结构和功能要求即可。

在步骤S1中，参与吸能的各结构能量守恒方程式如下：

(1)

式中：m为列车的质量，v ₁为列车与阻拦系统碰撞前的速度，E _柱为所有立柱吸收的能量之和，E _桶为所有旋转防护桶吸收的能量之和，E ₁为列车与地面摩擦做功，E ₂为列车变形吸收的能量，E ₃包括旋转防护桶与立柱、回旋圈、列车摩擦做功，回旋圈与横梁、夹具、立柱摩擦做功，横梁、夹具、螺栓、螺母、回旋圈吸收的能量，v ₂为阻拦系统完成对列车导向作用时列车的速度。

步骤S2中，设定该脱轨阻拦系统所要达到的能量转换率并对步骤S1的能量守恒方程进行适当简化忽略E ₁（列车与地面摩擦做功），E ₂（列车变形吸收的能量），E ₃（旋转防护桶与立柱、回旋圈、列车摩擦做功，回旋圈与横梁、夹具、立柱摩擦做功，横梁、夹具、螺栓、螺母、回旋圈吸收的能量）得能量方程如下：

(2)

式中：k为能量转换率（其中

）。

步骤S2中，初步确定立柱与旋转防护桶吸能占比，设所有立柱吸收的能量之和占E ₄的百分比为β，从而确定立柱和旋转防护桶的吸能量如下：

(3)

(4)

步骤S3中，参与吸能的立柱和旋转防护桶的数量如下：

(5)

式中：c为列车从与阻拦系统接触直至完成导向作用列车与阻拦系统相互作用的长度，f为立柱间距，n取整数。

步骤S3中，立柱和旋转防护桶的吸能平均值如下：

(6)

(7)

式中：E _柱n为第n个变形的立柱吸收的能量，E _桶n为第n个变形的旋转防护桶吸收的能量。

由于不锈钢外壳主要对泡沫层起到一层保护作用，所以初步设计的不锈钢层厚度较低，为简化计算，忽略其吸能作用，仅考虑泡沫层的吸能，即

(8)

步骤S4中，设定立柱的横向动态变形值，根据车体高度、头车鼻尖到地面的高度同时考虑到为后续旋转防护桶留出设计空间，对立柱高度包括地面以上高度以及位于混凝土基础中立柱的预埋高度进行初步设定并基于Parkes模型列出立柱弯曲能量平衡方程式如下：

（9）

式中：M _u为极限弯矩，θ为支撑铰链点旋转的角度，σ _s为材料的屈服强度，W _s为塑性弯曲截面系数,W _z为弯曲截面系数（其中圆形截面弯曲截面系数

，α为截面形状系数（圆形截面/>

），D _柱为立柱的直径。

步骤S4中，根据车体高度、头车鼻尖到地面的高度，同时考虑到为后续旋转防护桶留出设计空间，对立柱高度包括地面以上高度以及位于混凝土基础中立柱的预埋高度进行初步设定同时，设定立柱的横向动态变形值，得出支撑铰链点旋转的角度如下：

(10)

式中：P为立柱的横向动态变形值（立柱发生弯曲变形后相对于初始位置的横向水平位移），l ₁为地面以上立柱的高度。

作为优选，步骤S4中，联立式(3)，(5)，(6)，(9)、(10)可得立柱的直径如下：

(11)

步骤S5中，根据动车组头车鼻尖到地面的高度，保证头车鼻尖与旋转防护桶中心处于同一水平面，进而初步确定旋转防护桶中心距地面的高度。在保证经济性的前提下，尽可能增大头车与旋转防护桶的接触面积，根据头车的前端结构初步设定吸能层的高度。

步骤S5中，根据泡沫材料应力－应变曲线积分得出单位体积泡沫平均吸能量，与步骤S3旋转防护桶的吸能平均值联立求得泡沫吸能层的外径：

吸能层单位体积泡沫材料的平均吸能量

(12)

式中：ε为应变，σ为应力，ε _p为吸能层泡沫材料的平均应变。

泡沫吸能层体积

；(13)

(14)

式中：D _吸为泡沫吸能层的外径，d _吸为泡沫吸能层的内径，L _吸为泡沫吸能层的高度。

联立式(4)，(5)，(7)，(8)，(13)，(14)，可得泡沫吸能层的外径D _吸

(15)

步骤S5中，由于平均应变达到致密化应变考虑的是泡沫吸能层的全部区域参与变形，但实际上只有旋转防护桶的部分区域与列车接触导致泡沫吸能层发生变形，计算的吸能层厚度偏小导致防护阻拦装置无法达到预期的防护效果，从而导致安全性较差，因此为保证安全性，对泡沫吸能层的厚度乘安全系数对外径数值进行修正。

步骤S6中、对包括横梁、夹具、回旋圈、螺栓、螺母的尺寸进行适当选取，满足结构和功能要求即可。

下面对本实施例作进一步说明：

再如图1所示，一种高速列车脱轨阻拦系统及其结构设计方法，包括布置在高铁线路两侧的多个被动防护阻拦装置，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在高速铁路两侧限界外布置相应的防护阻拦装置。

本实施例中，考虑到旋转结构使用的耐久性，旋转结构采用三层夹芯结构，最外层和最内层材料为不锈钢，中间泡沫吸能层为泡沫材料，使其在保证耐久性的同时，又能起到缓冲吸能的作用，同时还能减小旋转结构与立柱之间的摩擦。

本实施例中，为了配合旋转结构使其更好的发挥能量耗散和转移的作用，所述支撑结构包括立柱、横梁和夹具。为了保证支撑结构的强度，作为优选的实施方式，所述支撑结构采用钢结构。

本实施例中，为了降低列车与阻拦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。

本实施例中，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阻拦系统；

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。

本实施例中，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；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阻拦装置时，阻拦系统中的旋转结构就会与列车表面发生摩擦，致使旋转结构绕着立柱发生旋转滚动；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，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；同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的外表面，降低了防护阻拦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，但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。

该阻拦系统具有独特的结构设计和材料配置，同时为了降低列车与阻拦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。其中旋转结构可通过上、下的钢结构来支撑和定位，从而配合中间的旋转结构使其更好的发挥能量耗散和转移的作用。

粘性耗能可以缓冲列车与阻拦装置的撞击过程，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。当列车由于种种原因发生脱轨事故与阻拦系统发生撞击时，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。

实验：

以某型车为例，对该结构设计方法进行具体说明。

该型列车整备质量为375.8t，车体高度为3700mm，选取列车与阻拦系统碰撞前的速度v ₁=36km/h为初步设计速度，从列车与阻拦系统接触直至完成导向作用，列车与阻拦系统相互作用的长度至少为一个头车车长25250mm，故初步设计选取列车从与阻拦系统接触直至完成导向作用列车与阻拦系统相互作用的长度c=25250mm，为保证防护效果和经济性，立柱间距初步选取1000mm。考虑到为后续旋转防护桶和横梁留出设计空间，初步设计立柱高度为2000mm，其中位于混凝土基础中的立柱高度为400mm，位于地面以上的立柱高度l ₁=1600mm。

初步设计立柱采用刚度较强的Q345钢，为达到80%能量转换率，应尽可能使泡沫吸能层吸收较多能量，立柱吸收的能量应尽可能少，故初步设计取β为30%。考虑到安全性，立柱的横向动态变形值P取300mm。将数值代入公式（11）中，求得D _柱=160.272mm，考虑立柱应便于加工，取D _柱=160mm。

某型动车组头车鼻尖到地面的高度近似为950mm，为使旋转防护桶与列车充分作用完成导向，应保证头车鼻尖与旋转防护桶中心处于同一水平面，初步设计旋转防护桶中心距地面的高度为950mm，在保证经济性的前提下，尽可能增大头车与旋转防护桶的接触面积，使头车AB部分均可与旋转防护桶接触（如图4所示，图中A,B关于C对称，C为鼻尖所在水平线），头车AB部分高度约为800mm，进而初步设计吸能层的高度L _吸=800mm。上述设计可知立柱直径D _柱为160mm，考虑到应预留安装余量以及不锈钢外壳的尺寸，初步设计取吸能层的内径d _吸=175mm。

结合泡沫铝材料的优良特性，选取中间吸能层材料为相对密度0.21的泡沫铝其e _f 等于6.1336×10⁶J，将数值代入式(15)，求得泡沫吸能层的外径D _吸1=240.121mm，厚度t ₁=32.5605mm，由于平均应变达到致密化应变考虑的是泡沫吸能层的全部区域参与变形，但实际上只有旋转防护桶的部分区域与列车接触导致泡沫吸能层发生变形，计算的吸能层厚度偏小导致防护阻拦装置无法达到预期的防护效果，从而导致安全性较差，因此为保证安全性，结果乘安全系数3，即厚度为97.6815mm。故吸能层的外径D _吸=370.363mm，为便于加工取D _吸=370mm。

考虑到其经济性，使用寿命及其便于加工性，横梁、夹具、回旋圈材料选用304不锈钢，横梁、夹具厚度取4mm，回旋圈厚度取2mm。圆头方颈螺栓应符合GB/T 12标准要求；六角头螺栓应符合GB/T 5780标准要求，六角螺母应符合GB/T 6170标准要求。

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”的防护阻拦装置；③让列车与防护阻拦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。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种高速列车脱轨阻拦系统的结构设计方法，其特征在于，所述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，所述被动防护阻拦装置包括固定于高铁线路两侧的刚性的支撑结构和设于所述支撑结构上的旋转防护桶；

所述支撑结构包括横梁、夹具和固定于高铁线路两侧的立柱，所述旋转防护桶套设于所述立柱上并由所述横梁支撑，且所述横梁通过所述夹具固定于所述立柱上；

所述旋转防护桶包括不锈钢内外壳和设于所述内外壳之间的泡沫吸能层；

所述的结构设计方法包括以下步骤：

步骤S1、计算列车初始动能并根据能量守恒列出参与吸能的各结构能量守恒方程式；

步骤S1中，参与吸能的各结构能量守恒方程式如下：

式中：m为列车的质量，v₁为列车与阻拦系统碰撞前的速度，E_柱为所有立柱吸收的能量之和，E_桶为所有旋转防护桶吸收的能量之和，E₁为列车与地面摩擦做功，E₂为列车变形吸收的能量，E₃包括旋转防护桶与立柱、回旋圈、列车摩擦做功，回旋圈与横梁、夹具、立柱摩擦做功，横梁、夹具、螺栓、螺母、回旋圈吸收的能量，v₂为阻拦系统完成对列车导向作用时列车的速度；

步骤S2、设定脱轨阻拦系统所要达到的能量转换率，对步骤S1的能量守恒方程式进行简化并初步确定立柱与旋转防护桶吸能占比，从而确定立柱和旋转防护桶的吸能量；

步骤S2中，设定该脱轨阻拦系统所要达到的能量转换率并对步骤S1的能量守恒方程进行简化，忽略列车与地面摩擦做功E₁，列车变形吸收的能量E₂，旋转防护桶与立柱、回旋圈、列车摩擦做功，回旋圈与横梁、夹具、立柱摩擦做功，横梁、夹具、螺栓、螺母、回旋圈吸收的能量E₃，得能量方程如下：

式中，k为能量转换率，其中，

步骤S2中，假设所有立柱吸收的能量之和占E₄的百分比为β，从而确定立柱和旋转防护桶的吸能量如下：

步骤S3、估算参与吸能的立柱和旋转防护桶的数量，进而分别确定立柱和旋转防护桶的吸能平均值，并根据吸能平均值对单个立柱和旋转防护桶进行设计；

步骤S3中，估算参与吸能的立柱和旋转防护桶的数量具体如下：

式中：c为列车从与阻拦系统接触直至完成导向作用时列车与阻拦系统相互作用的长度，f为相邻立柱之间的间距，n取整数；

步骤S3中，立柱和旋转防护桶的吸能平均值的确定方法如下：

式中：E_柱n为第n个变形的立柱吸收的能量，E_桶n为第n个变形的旋转防护桶吸收的能量；

由于不锈钢外壳主要对泡沫层起到一层保护作用，所以初步设计的不锈钢层厚度较低，为简化计算，忽略其吸能作用，仅考虑泡沫吸能层的吸能E_吸y，即：

E_吸y＝E_桶y；步骤S4、根据车体高度、头车鼻尖到地面的高度，同时考虑到为后续旋转防护桶留出设计空间，对立柱高度进行初步设定，同时设定立柱的横向动态变形值，计算其支撑铰链点旋转的角度并基于Parkes模型列出立柱弯曲能量平衡方程式，从而计算出立柱的直径，其中，立柱高度包括地面以上高度以及位于混凝土基础中立柱的预埋高度；

步骤S4中，基于Parkes模型列出立柱弯曲能量平衡方程式如下：

式中，M_u为极限弯矩，θ为支撑铰链点旋转的角度，σ_s为材料的屈服强度，W_s为塑性弯曲截面系数,W_z为弯曲截面系数，其中，圆形截面弯曲截面系数

α为截面形状系数，圆形截面/>

D_柱为立柱的直径；

支撑铰链点旋转的角度的计算方法如下：

式中，P为立柱的横向动态变形值，即立柱发生弯曲变形后相对于初始位置的横向水平位移，l₁为地面以上立柱的高度；

步骤S4中，立柱直径的计算方法如下：

步骤S5、根据动车组头车鼻尖到地面的高度，保证头车鼻尖与旋转防护桶中心处于同一水平面，进而初步确定旋转防护桶中心距地面的高度；根据头车的前端结构初步设定泡沫吸能层的高度，根据泡沫材料应力-应变曲线积分得出单位体积泡沫平均吸能量，与步骤S3旋转防护桶的吸能平均值联立求得泡沫吸能层的外径，并对外径数值进行修正；

步骤S5中，泡沫吸能层的外径的计算方法如下：

泡沫吸能层单位体积泡沫材料的平均吸能量：

式中，ε为应变，σ为应力，ε_p为吸能层泡沫材料的平均应变；

泡沫吸能层的体积：

式中，D_吸为泡沫吸能层的外径，d_吸为泡沫吸能层的内径，L_吸为泡沫吸能层的高度；

从而，泡沫吸能层的外径D_吸：

步骤S6、对横梁、夹具、回旋圈、螺栓、螺母的尺寸进行适当选取，满足结构和功能要求即可。

2.根据权利要求1所述的高速列车脱轨阻拦系统的结构设计方法，其特征在于，在步骤S5中，通过对泡沫吸能层的厚度乘以安全系数对外径数值进行修正。

3.根据权利要求1所述的高速列车脱轨阻拦系统的结构设计方法，其特征在于，所述立柱、横梁和夹具均为钢结构。

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