WO2022033270A1 - 压溃管及轨道交通车辆车钩缓冲吸能装置、轨道车辆 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种包括套设的两层或多层薄壁管的压溃管，各层薄壁管为碳纤维管或金属管，且相邻两层薄壁管的材质不同，所述薄壁是指管壁厚不超20mm。以及一种轨道交通车辆车钩缓冲吸能装置，其包括用于连接在车钩钩头(7)上的牵引杆(1)，用于连接在车钩尾座(8)上的承力板(5)，所述承力板(5)与牵引杆(1)之间通过导向杆(10)相连，所述牵引杆(1)朝向车钩尾座(8)的一端装有涨块(2)；在导向杆(10)外套设有压溃管，压溃管的一端与所述承力板(5)的一个端面抵接，压溃管的另一端形成与所述涨块(2)抵接的斜面环，使得涨块(2)挤压压溃管时压溃管径向鼓胀；所述导向杆(10)靠近承力板(5)的端部具有支撑台(11)，该支撑台(11)的外周面与压溃管内壁面贴合。以及一种轨道车辆。

Description

压溃管及轨道交通车辆车钩缓冲吸能装置、轨道车辆 技术领域

本发明涉及一种压溃管及具有该压溃管的轨道交通车辆车钩缓冲吸能装置、轨道车辆，属于车辆碰撞领域。

背景技术

轨道交通车辆耐撞性设计的要求是，车辆防撞系统在碰撞过程中按人为规定的合理顺序运行，最大可能地吸收碰撞能量，从而最大程度地保护旅客和司乘人员安全，降低车辆损伤。

目前，轨道交通车辆防撞系统大多设计在车辆前端，主要包括车钩缓冲装置、防爬器、司机室可变性结构等，是逐级式的能量吸收过程。如中国专利申请CN108297892A公开了一种用于轨道列车的碰撞吸能系统及轨道列车，其提供了一种用于轨道列车的碰撞吸能系统，在轨道列车发生相对碰撞时，车钩缓冲装置向车体方向运动并与防爬装置共同形成了碰撞受力面，能更有效的吸收碰撞动能并提供防爬功能。

中国专利申请CN11126789A公开了一种组合式吸能器，其包括碰撞挡板、翻边管、基座及吸能组件。翻边管的一端与碰撞挡板固定连接，翻边管的管壁上沿翻边管的轴线方向开设有多个切槽；翻边管的另一端抵接于基座上，基座的远离翻边管的一侧用于与车体连接。吸能组件设置于翻边管内，且与碰撞挡板固定连接。该专利本质上是一种卷曲吸能装置，这种卷曲吸能装置的压溃部分仅承受轴向力。众所周知，为保证车辆结构和司乘人员安全，缓冲吸能装置所受轴向力不能超过一定限值，这也就限制了绝大多数缓冲吸能装置的吸能能力。

鼓胀式压溃管是车钩缓冲装置的一种主要碰撞吸能结构，具有相对稳定的能量吸收能力。鼓胀式压溃管主要由内顶杆、吸能薄壁结构和两者间的连接装置构成。当结构受到纵向冲击时，内顶杆挤压薄壁结构，当冲击力达到套筒临界强度时，薄壁结构发生膨胀变形，通过内顶杆与薄壁结构间的摩擦和薄壁结构的向外鼓胀变形来消耗冲击能量，对受冲击的轨道交通车辆起到缓冲作用。为保护车辆主体结构不受损，压溃管的强度要比车体强度略低，这也成为限制压溃管吸能量的一大关键因素。

现阶段广泛采用的鼓胀式压溃管的吸能薄壁结构由薄壁金属制成，其主要利用薄壁结构的鼓胀变形吸能，在受到碰撞冲击时载荷反馈较慢，载荷波动较大，被保护的车体结构所受冲击载荷不稳定，且能量吸收不均匀，单位体积内吸收能量较小等问题。如中国实用 新型专利CN201329871Y公开了一种安装于钩缓装置的车钩连挂部分和安装吊挂系统之间的扩张式压溃装置。

发明内容

针对目前带鼓胀压溃式吸能结构的轨道交通车辆车钩吸能量不足问题，本发明旨在提供一种压溃管及轨道交通车辆车钩缓冲吸能装置、轨道车辆，该缓冲吸能装置通过对压溃管薄壁结构的优化设计，提高压溃管的碰撞吸能量，优化吸能行为。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种压溃管，其包括套设的两层或多层薄壁管，各层薄壁管为碳纤维管或金属管，且相邻两层薄壁管的材质不同，所述薄壁是指管壁厚不超过20mm。

由此，本发明经过长期研究设计出新型压溃管结构，这种压溃管结构的相邻两层之间相互限制，保证了整个剩余压溃结构的完整性，缓解了剩余金属薄壁结构的剧烈变形，也避免了剩余碳纤维薄壁结构的快速破碎，提升了剩余吸能结构的完整性，减轻了冲击载荷波动，增加了碰撞吸能量。

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：

在其中一个优选的实施例中，所述压溃管有两层，其中压溃管内层为金属管，压溃管外层为碳纤维管。进一步地，优选所述金属管为铝合金管。

在其中一个优选的实施例中，所述金属管的厚度为2-7.5mm，所述碳纤维管的厚度范围为2-15mm。

优选地，相邻两层薄壁管之间设有环氧树脂层。

基于同一个发明构思，本发明还提供了一种轨道交通车辆车钩缓冲吸能装置，其包括用于连接在车钩钩头上的牵引杆，用于连接在车钩尾座上的承力板；所述承力板与牵引杆之间通过导向杆相连，所述牵引杆朝向车钩尾座的一端装有涨块；

在导向杆外套设有上述的压溃管，压溃管的一端与所述承力板的一个端面抵接，压溃管的另一端形成与所述涨块抵接的斜面环，使得涨块挤压压溃管时压溃管径向鼓胀；

所述导向杆靠近承力板的端部具有支撑台，该支撑台的外周面与压溃管内壁面贴合。

所述导向杆的一端伸入所述牵引杆内并通过卡环连接件固定相连。所述牵引杆通过卡环连接件与车钩钩头相连。

所述牵引杆与涨块之间设有触发指示销，该触发指示销设置在牵引杆的外壁面上， 且指示销的外端相对涨块的外壁面伸出。最好地，所述触发指示销位于牵引杆顶端的上部，涨块附近，为压溃管压溃触发指示销。

所述承力板一端通过卡环连接件或橡胶缓冲器与车钩尾座固定相连，所述车钩尾座固定于车体底架上。

所述涨块为嵌入牵引杆顶端的硬质结构。

根据本发明的优选实施例，本发明是一种基于带鼓胀压溃式的车钩缓冲吸能装置，针对车钩压溃管结构提供了一种双层或多层薄壁压溃管结构设计思路。本发明的所述压溃结构是一种不可逆的能量吸收元件，一般结合橡胶缓冲器一起使用。

所述压溃管结构作为车钩缓冲吸能装置的一部分，通常情况下，前端牵引杆与车钩钩头连接，后端承力板经橡胶缓冲器与车钩尾座连接，钩尾座连接承力板和车体底架。

压溃管双层或多层薄壁结构为本发明主要发明内容和创新点，其中压溃管内层为金属薄壁结构，所用材料包括但不限于铝合金、碳钢等，压溃管外层为碳纤维复合材料薄壁结构。铝合金/碳纤维双层薄壁结构是由碳纤维环氧树脂预浸料与铝合金圆管外表面相结合所组成，为了提升铝合金与碳纤维之间的界面效果，在铝合金圆管与碳纤维预浸料之间加入一层环氧树脂。

传统压溃管一般为单层金属薄壁结构，主要利用金属薄壁结构的鼓胀变形吸能，其在受到碰撞时的冲击载荷波动较大，被保护的车体结构所受冲击载荷不稳定，且能量吸收不均匀，单位体积内吸收的能量较小。

所述压溃管的外层薄壁结构采用碳纤维复合材料制备。碳纤维复合材料具有比吸能较高、冲击载荷平稳、质量小等优点，在承受相同碰撞冲击时，碳纤维复合材料薄壁结构的冲击载荷比金属薄壁结构的更快到达峰值载荷，但单一碳纤维复合材料薄壁结构件容易产生显微缺陷，受剧烈碰撞冲击后易破碎，丧失持续吸能能力。本发明所述的双层或多层薄壁结构解决了这个问题，在内层金属薄壁结构的约束下，碳纤维复合材料薄壁结构的局部失效并不影响其他部位继续吸能，可实现碳纤维复合材料薄壁结构的持续稳定吸能，大幅增加整套吸能装置的吸能量。

所述碳纤维薄壁结构沿铝合金圆管外壁每次缠入两层(0°/90°和±45°)预浸料，两层纤维起始缠绕位置错开一定距离，保证纤维布交叉铺层，以保证整体的结构强度和刚度。

由此，本发明的核心是针对带鼓胀压溃式车钩缓冲吸能装置提供一种压溃管结构设计方案，通过将传统的单层金属薄壁结构压溃管替换成双层或多层薄壁结构(金属薄壁+碳纤维复合材料薄壁)压溃管，增加其在碰撞过程中的吸能量，减轻碰撞造成的瞬时冲击 危害。

基于同一个发明构思，本发明还提供了一种轨道车辆，其特点在于车体底架上装有所述的轨道交通车辆车钩缓冲吸能装置。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

对鼓胀式压溃管结构，其薄壁结构为主要吸能部件。传统的单层金属薄壁结构受冲击时到达峰值载荷的时间长，载荷波动大，在碰撞压溃过程中的总吸能量较低，且载荷波动大产生的异常高冲击载荷易对司机室和车体结构造成损伤，威胁司乘人员安全。

对于具有双层薄壁结构(金属薄壁+碳纤维复合材料薄壁)的压溃管，因双层薄壁结构受冲击时到达峰值载荷的时间短、载荷波动小、吸能稳定，在碰撞压溃过程中的总吸能量较单层薄壁结构压溃管有较大提高，一般可提升10％以上，且有效避免了异常高冲击载荷的出现，保障了司乘人员安全。

与CN201329871Y相比，本发明创造性地提出了双层或多层压溃管结构，优选采用双层结构压溃管单元，即碳纤维层和铝合金层(金属层)并非随意的双层结构组合可以达到的效果。本发明中，碳纤维强度高但易碎，铝合金强度低但延展性(韧性)好。在车辆碰撞过程中，铝合金能有力的支撑碳纤维层的结构完整性，同时碳纤维的比吸能高、冲击载荷平稳，在相同的压溃长度上，两种材料相互配合，能把吸能效果发挥到极致，这在图3中也能获得验证。

与CN11126789A所提的卷曲吸能装置相比，本发明的吸能方式为鼓胀式吸能，压溃管在受压过程中同时承受轴向力和径向力，而CN11126789A公开的卷曲吸能装置的压溃部分仅承受轴向力。本发明在利用轴向吸能的基础上充分利用了压溃管的径向吸能，从根本上说能大大增加整个装置的总吸能量。

附图说明

为了更清楚地阐述本发明的技术方案及特点，下面将对本发明所述的双层薄壁结构(金属薄壁+碳纤维复合材料薄壁)压溃管示意图和实施例描述中所需要使用的附图做简单介绍。

图1为本发明所述车钩缓冲吸能装置示意图；

图2为本发明所述双层薄壁结构(金属薄壁+碳纤维复合材料薄壁)压溃管的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的铝合金单层薄壁结构和铝合金/碳纤维双层薄壁结构在碰 撞过程中的冲击载荷-位移曲线示意图。

在图中

1-牵引杆；2-涨块；3-压溃管内层；4-压溃管外层；5-承力板；6-触发指示销；7-车钩钩头；8-车钩尾座；9-车体底架；10-导向杆；11-支撑台。

具体实施方式

以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。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。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合附图1做进一步的详细说明。图1为本发明车钩缓冲吸能装置，该缓冲吸能装置主要包括车钩钩头7、压溃管结构、固定于车体底架9上的车钩尾座8。图2为本发明双层薄壁压溃管结构的示意图，该压溃管结构包括牵引杆1、涨块2、压溃管内层3、压溃管外层4、承力板5、触发指示销6。压溃管结构中的牵引杆1通过卡环连接件与车钩钩头7相连，压溃管结构中的承力板5通过卡环连接件与车钩尾座8相连。所述承力板5与牵引杆1之间通过导向杆10相连，在导向杆10外套设有压溃管，压溃管的一端与所述承力板5的一个端面抵接，压溃管的另一端形成与所述涨块2抵接的斜面环；所述导向杆10靠近承力板5的端部具有支撑台11，该支撑台11的外周面与压溃管内壁面贴合。以下将详细介绍各结构在碰撞发生时的具体作用方式。

轨道交通车辆车钩处发生纵向碰撞时，在撞击力的作用下，压溃管双层薄壁结构承受涨块挤压，发生鼓胀变形，吸收碰撞能量。

一种轨道交通车辆，其包括上述车钩缓冲吸能装置，牵引杆1通过卡环连接件与车钩钩头相连，碰撞发生时与车钩钩头一起向后运动。涨块2嵌入牵引杆顶端，碰撞发生时涨块2随牵引杆1一起向后运动，对压溃管双层薄壁结构进行挤压，使其鼓胀。触发指示销6安装在牵引杆近顶端的涨块2旁边，具体而言该触发指示销6设置在牵引杆1的外壁面上，且指示销6的外端相对涨块2的外壁面伸出，触发指示销6属于压溃管压溃触发判断的指示销。当触发指示销6触发时，指示销被剪断。

如图1和2所示，承力板5一端通过卡环连接件与车钩尾座相连，并固定于车体底架上。另一端与压溃管双层薄壁结构相接触，限制压溃管双层薄壁结构的纵向移动。压溃管内层3优选为金属材质薄壁结构，碰撞发生时，压溃管内层3与涨块2直接接触，在引导曲面的 作用下，涨块2对压溃管内层3的内壁造成沿径向往外的压力，使压溃管内层3发生鼓胀变形，吸收碰撞能量。压溃管外层4优选为碳纤维复合材料薄壁结构，其与压溃管内层3通过粘接工艺连接为一体。

碰撞发生时，压溃管内层3率先发生鼓胀变形，随后带动压溃管外层4向外扩张。在此过程中，压溃管内层3发生局部压溃失效的同时，压溃管外层4碳纤维薄壁结构发生局部破碎。因双层薄壁结构的存在，压溃管内层3与压溃管外层4之间相互限制，保证了整个剩余压溃结构的完整性，缓解了剩余金属薄壁结构的剧烈变形，也避免了剩余碳纤维薄壁结构的快速破碎，提升了剩余吸能结构的完整性，减轻了冲击载荷波动，增加了碰撞吸能量。

针对本发明所涉及的压溃管结构，在碰撞过程中，结构吸收的总能量用W表示，计算公式如下：

其中，F表示冲击载荷，x表示压溃位移，d表示压溃过程总位移。可以看出，压溃管在压溃过程的总吸能量为冲击载荷-位移曲线与横坐标所围成的面积，冲击载荷达到峰值载荷的速度越快，总吸能量越大。

图3为本发明实施例提供的铝合金单层薄壁结构和铝合金/碳纤维双层薄壁结构在碰撞过程中的冲击载荷-位移曲线示意图。请参阅图3，铝合金/碳纤维双层薄壁结构对碰撞冲击的响应快于铝合金单层薄壁结构，即总吸能量更大。一般而言，在正常压溃状态下，铝合金/碳纤维双层薄壁结构的总吸能量可比铝合金单层薄壁结构的总吸能量提升10％以上。同时，铝合金单层薄壁结构的冲击载荷波动比铝合金/碳纤维双层薄壁结构的更加剧烈，在相同司机室和车体结构的情况下，冲击载荷剧烈波动所产生的异常高冲击载荷会增加司机室和车体结构的损伤概率，威胁司乘人员安全。而铝合金/碳纤维双层薄壁结构的压溃管，具有稳定的冲击载荷，可避免上述情况。

为进一步优化上述技术方案，使整个车钩缓冲吸能装置的碰撞吸能量最大化，降低对车体结构的损伤，同时提升压溃设备的载荷反馈速率，可优化设计压溃管内层3和压溃管外层4的厚度，使其达到最佳匹配值。例如所述金属管的厚度为2-7.5mm，所述碳纤维管的厚度范围为2-15mm。

本实施例采用碳纤维层与铝合金层的粘接性能优异，层间脱粘的概率较小。

需要说明的是，在上述实施例的基础上，通过增加压溃管薄壁层数(如两层以上)， 调整压溃管薄壁厚度和铝合金/碳纤维薄壁结构顺序(如内层碳纤维薄壁结构，外层铝合金薄壁结构)，开展的压溃管结构设计方案均属于本发明的保护范围。

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. 一种压溃管，其特征在于包括套设的两层或多层薄壁管，各层薄壁管为碳纤维管或金属管，且相邻两层薄壁管的材质不同，所述薄壁是指管壁厚不超过20mm。
2. 根据权利要求1所述的压溃管，其特征在于，所述压溃管有两层，其中压溃管内层(3)为金属管，压溃管外层(4)为碳纤维管。
3. 根据权利要求2所述的压溃管，其特征在于，所述金属管为铝合金管。
4. 根据权利要求1所述的轨道交通车辆车钩缓冲吸能装置，其特征在于，所述金属管的厚度为2-7.5mm，所述碳纤维管的厚度范围为2-15mm。
5. 根据权利要求1-4中任一项所述的压溃管，其特征在于，相邻两层薄壁管之间设有环氧树脂层。
6. 一种轨道交通车辆车钩缓冲吸能装置，包括用于连接在车钩钩头(7)上的牵引杆(1)，用于连接在车钩尾座(8)上的承力板(5)；其特征在于，所述承力板(5)与牵引杆(1)之间通过导向杆(10)相连，所述牵引杆(1)朝向车钩尾座(8)的一端装有涨块(2)；

   在导向杆(10)外套设有如权利要求1-5中任一项所述的压溃管，压溃管的一端与所述承力板(5)的一个端面抵接，压溃管的另一端形成与所述涨块(2)抵接的斜面环，使得涨块(2)挤压压溃管时压溃管径向鼓胀；

   所述导向杆(10)靠近承力板(5)的端部具有支撑台(11)，该支撑台(11)的外周面与压溃管内壁面贴合。
7. 根据权利要求6所述的轨道交通车辆车钩缓冲吸能装置，其特征在于，所述导向杆(10)的一端伸入所述牵引杆(1)内并通过卡环连接件固定相连。
8. 根据权利要求6所述的轨道交通车辆车钩缓冲吸能装置，其特征在于，所述牵引杆(1)与涨块(2)之间设有触发指示销(6)，该触发指示销(6)设置在牵引杆(1)的外壁面上，且指示销(6)的外端相对涨块(2)的外壁面伸出。
9. 根据权利要求6所述的轨道交通车辆车钩缓冲吸能装置，其特征在于，所述承力板(5)一端通过卡环连接件或橡胶缓冲器与车钩尾座(8)固定相连，所述车钩尾座(8)固定于车体底架(9)上。
10. 一种轨道车辆，其特征在于车体底架(9)上装有如权利要求6-9中任一项所述的轨道交通车辆车钩缓冲吸能装置。

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