專利名稱：城市軌道列車吸能防爬器的制作方法
技術領域：
本發明屬于軌道交通被動安全技術領域，具體涉及一種城市軌道列車吸能防爬
O
背景技術：
列車碰撞事故是造成旅客重大傷亡的最主要的原因，因此如何提高列車運行的安全性，盡量減少司機和旅客在事故中的傷亡，成為人們普遍關注的問題。因而，車輛的被動安全技術已成為車輛安全設計的重要技術。被動安全技術通過吸能裝置和車體局部結構的塑性大變形有序地吸收撞擊瞬間所產生的巨大能量，從而在車輛發生碰撞事故時有效地保護乘員安全，使傷害減小到最低限度。在列車的被動安全防護系統中，頭車的吸能裝置是保護乘員的第一道安全屏障。 現在，城市軌道交通列車頭車普遍安裝有一種防爬器，其功能在于車輛當發生正面碰撞事故時通過一對防爬齒的相互咬合避免爬車以保護乘員安全，其中有部分車中還有帶吸能功能的防爬器，我國國內外資企業的車輛中也有吸能功能的防爬器在使用，但其碰撞性能及其與強度特性的協調性有進一步提高的需要與可能。軌道交通的歷史表明，當列車發生相向而行或同向追尾碰撞事故時，一般列車的車鉤緩沖器容量很有限，難以吸收高于10公里/小時以上相對速度的碰撞能量，從而在車頭或頭尾之間將發生剛性碰撞而產生很大的瞬態碰撞力而損壞車體結構，同時引發的急劇減速又會對車上司乘人員的大腦造成一定的損傷。采用吸能防爬器則可以通過吸收碰撞動能而避免或減緩碰撞對乘員的傷害。
發明內容
本發明的目的在于提供一種城市軌道列車吸能防爬器，該裝置在車輛發生較大的沖擊載荷作用時，將通過自身結構有序、穩定的塑性大變形從而消耗較大的撞擊動能，并具有良好的碰撞性能，因而可以更好地保護乘員的人身安全。本發明提出的城市軌道列車吸能防爬器，由防爬齒板1、前隔板2、后隔板3、泡沫填充管4、第一壓潰控制孔5-1、第二壓潰控制孔5-2、箱體6和底座7構成，箱體6為中空的筒體結構，箱體6的前后兩側分別設有防爬齒板1和底座2，箱體6內縱向布置有前隔板 2和后隔板3，將箱體6分隔成三個較小的箱形結構，防爬齒板1與前隔板2之間的空間區域為第一箱形結構6-1，前隔板2與后隔板3之間的空間區域為第二箱形結構6-2，后隔板 3與底座7之間的空間區域為第三箱形結構6-3，第一箱形結構6-1和第二箱形結構6-2的長度相等，且相對于第三箱形結構6-3長度較短，第一箱形結構6-1和第二箱形結構6-2的筒壁的左右兩側分別設有第一壓潰控制孔5-1和第二壓潰控制孔5-2，第三箱形結構6-3橫向布置有泡沫填充管4，底板7固定于車體底架端部結構上。本發明中，第一箱形結構6-1內的壓潰控制孔5-1較第二箱形結構6-2內的壓潰控制孔5-2的孔長度稍長。
本發明中，壓潰控制孔系通過優化設計后確定的形狀與尺寸。第一壓潰控制孔5-1 和第二壓潰控制孔5-2為矩形加兩半圓的形式。但第一壓潰控制孔5-1的長度尺寸要長一些，這是因控制第一箱型空腔首先發生壓潰的次序而設計的。兩孔徑和長度是基于吸能防爬器須滿足(1)在車鉤緩沖器有效工作載荷下靜應力小于靜強度許用應力以保持結構穩定；(2)當車鉤緩沖器失效后應力須大于材料屈服應力而發生塑性大變形吸能的雙重復雜要求下進行協調優化設計獲得的。設計運用優化設計軟件Opt^truct，在針對防爬器設計要求的兩種不同應力約束的工況下，對槽孔進行尺寸和形狀優化后得到了槽孔孔徑和長度最佳尺寸，從而使設計防爬器既能滿足在車鉤未失效情況下的靜強度要求，而當碰撞發生后在鉤緩裝置失效后又能誘導防爬器箱形結構發生依次有序的塑性變形從而實現壓潰吸能的功能。本發明中，所述泡沫填充管4采用泡沫鋁芯填充鋁管，它對結構壓潰吸能變形的穩定性具有較大的保障意義。本發明裝置的主要特點
①從保護乘員安全的理念出發，采用與國內外(國內多為外資或合資企業)現有同類裝置不同的結構形式，具有壓潰穩定性高，比吸能大、對乘員安全保護性能好的特點，通過仿真，表明本發明裝置的耐撞擊吸能量較大，車輛碰撞性能合理安全。②鑒于吸能防爬器應在車鉤緩沖裝置失效后起作用，故壓潰觸發力應控制在一個合適的范圍內，同時為確保防爬功能還需要有一定的強度要求，在明確國內尚無相應規范的情況，本發明參考了歐洲英國標準，通過優化設計技術對防爬器的結構進行了優化，實現了其碰撞吸能性能與強度特性之間的科學協調。本發明的技術特色是
①采取分級吸能的方式使結構變形控制有序；
②使用新型泡沫金屬作為部分填充材料，改善了結構的壓潰穩定性。③運用有限元和優化技術，通過對壓潰控制孔的優化設計確保了設計防爬器的靜強度要求與壓潰特性的科學協調性。④通過瞬態動力學仿真，驗證了新型吸能防爬器碰撞良好性能及其乘員安全防護性。本發明的預期效果
計算機仿真表明，在軌道列車頭車正面碰撞相對速度不大于25公里/小時的情況下， 吸能防爬器可以有效地保護列車乘員在碰撞事故中的安全要求
①吸收沖擊較大的撞擊動能，頭車一對防爬器的總吸能量可達400KJ左右；
②仿真結果表明，該防爬器對乘員撞擊事故安全保護性好，變形穩定，平均減速度小于 5g，達到國際標準中提出的乘員頭部傷害標準值。本發明的吸能防爬器結構如附圖1所示，該吸能防爬器由三個封閉箱體，其中前兩個箱體總體相似，均為中空結構，不同處在于側壁的孔徑與長度不同。之后的箱體內縱向安置了一個填充了泡沫鋁芯材的鋁管。在發生碰撞時，通過這兩種類型箱體的壓潰塑性變形依次構成兩個主要的結構吸能階段，以吸收不同碰撞速度下產生的動能。本發明的工作過程如下
①安裝防爬器的列車之間在發生碰撞時縱向碰撞力的傳遞途徑見附圖2.，通過防爬齒板，縱向力首先將相繼作用到箱體6的第一箱形結構6-1和第二箱形結構6-2，取決于縱向力的大小，兩個小箱體將依次發生有規則的塑性變形從而消耗一定量的沖擊動能。②得益于本發明運用優化技術設計的第一壓潰控制孔5-1和第二壓潰控制孔 5-2，使防爬器初始壓潰力控制在一定合理的范圍，并確保了壓潰按預定的次序和理想的壓潰模式發生。③在更大的沖擊力作用時，第三箱形結構6-3將發生壓潰，由于本發明設計了一個縱向安置于中央的泡沫鋁填充管，因而對保持壓潰穩定、以及改善碰撞安全性能起到良好效果，此外該填充管同時也能起到增加可吸收能量的作用。④仿真結果表明，通過三階段的壓潰變形，在有限的工作行程內，單個吸能防爬器吸收能量理論最大值為200KJ.左右。
圖1為本發明的裝置結構框圖。圖2為該吸能防爬器工作圖。圖3為防爬器吸能仿真曲線圖。圖4為防爬器碰撞力-時間仿真曲線圖。圖中標號1為防爬齒板，2為前隔板，3為后隔板，4為泡沫填充管，5為壓潰控制孔，5-1為第一壓潰控制孔，5-2為第二壓潰控制孔，6為箱體，6-1為第一箱形結構，6-2為第二箱形結構，6-3為第三箱形結構，7為底座。
具體實施例方式下面通過實施例結合附圖進一步說明本發明。實施例1 該吸能防爬器結構示意如附圖1所示。其結構由防爬齒板1、前隔板2、 后隔板3、泡沫填充管4、壓潰控制孔5、箱體6和底座7構成。箱體6由前隔板2和后隔板 3分為兩種長度的三個較小的箱形結構，前面兩個較短箱形結構的長度相等，這兩個小箱形結構左右兩側各有形式相同的壓潰控制孔5-1和5-2，其中前箱形結構筒壁的孔5-1較長。 第三箱形結構內的后隔板3與底座7間在縱向安置了一個由泡沫鋁芯材填充鋁管制成的泡沫填充管4，底座7用螺栓與車體底架予以連接。其中防爬齒板1用于防止車輛在發生縱向碰撞時的爬車事故，同時與箱體6與底座7及前隔板2、后隔板3等整體焊接而成的主體結構，泡沫鋁填充管4則起到穩定壓潰塑性變形以及增加吸收能量的作用。箱體6的筒壁上開有壓潰控制孔5，用于控制箱體6在承受一定數值縱向力作用時將按理想的壓潰模式發生結構壓潰，實現結構壓潰的有序及理想的塑性變形，從而可以合理地消耗碰撞所產生的較大動能，達到更好保護乘員安全的要求。通過對該防爬器進行的碰撞仿真，可以反映出其良好吸能效果及其他碰撞相關特性。仿真工況與條件①該防爬器(后附有較大質量)，以25公里/小時(即近似7米/秒) 的碰撞速度撞擊剛性墻，考核其吸收動能能力及其他撞擊性能。②按英國標準加載對本發明防爬器的靜強度進行了有限元分析，結果得到的結構應力表明，防爬器在標準給定的載荷作用下，最大應力小于材料的許用應力，因而結構在具有較大吸能功能的同時，也能滿足靜強度標準的設計要求。
附圖3-附圖4是通過碰撞仿真獲得的碰撞吸能特性曲線。由能量圖可以看到，在82ms時刻，金屬箱體吸能170KJ左右，泡沫鋁金屬材料，吸能大約為30KJ，總吸能量約200KJ。由圖可見，單個防爬器結構在2. 5ms的時間內產生第一個峰值，數值約為690KN， 車頭兩個防爬器的縱向力總和已略大于車鉤緩沖器所受縱向力(1200-1300KN)的臨界值， 這是吸能防爬器需要發揮作用的時刻，因而滿足控制孔的碰撞觸發設計要求，觸發后將發生結構壓潰吸能。
權利要求
1.一種城市軌道列車吸能防爬器，由防爬齒板(1)、前隔板O)、后隔板(3)、泡沫填充管(4)、第一壓潰控制孔(5-1)、第二壓潰控制孔(5- 、箱體(6)和底座(7)構成，其特征在于箱體(6)為中空的筒體結構，兩側設有防爬齒板(1)和底座O)，箱體(6)內縱向布置有前隔板(2)和后隔板(3)，它們將箱體(6)分隔成三個壁厚相同的較小的箱形結構，防爬齒板(1)與前隔板(2)之間的空間區域為第一箱形結構(6-1)，前隔板(2)與后隔板(3)之間的空間區域為第二箱形結構(6-2)，后隔板(3)與底座(7)之間的空間區域為第三箱形結構 (6-3)，第一箱形結構(6-1)和第二箱形結構(6-2)的長度相等，且相對于第三箱形結構長度較短，第一箱形結構(6-1)和第二箱形結構陽_2)的筒壁左右兩側分別開設有第一壓潰控制孔(5-1)和第二壓潰控制孔(5-2)，第三箱形結構(6- 縱向布置有泡沫填充管G)， 底板(7)固定于車體底架端部結構上。
2.根據權利要求1所述的城市軌道列車吸能防爬器，其特征在于第一箱形結構(6-1) 內的壓潰控制孔(5-1)較第二箱形結構(6-2)內的壓潰控制孔(5-2)的孔長度稍長。
3.根據權利要求1所述的城市軌道列車吸能防爬器，其特征在第一壓潰控制孔(5-1) 和第二壓潰控制孔(5-2)的結構為矩形加兩半圓形，兩孔徑和長度是基于吸能防爬器須滿足(1)在車鉤緩沖器有效工作載荷下靜應力小于靜強度許用應力以保持結構穩定；(2)當車鉤緩沖器失效后應力須大于材料屈服應力而發生塑性大變形吸能的雙重復雜要求下進行協調優化設計獲得的。
4.根據權利要求1所述的城市軌道列車吸能防爬器，其特征在于所述泡沫填充管(4) 采用泡沫鋁芯材填充鋁管。
全文摘要
本發明屬軌道交通車輛安全研究領域，具體涉及一種城市軌道列車吸能防爬器。該裝置由防爬齒板、前隔板、后隔板、泡沫鋁填充管、箱體筒壁和底座幾個部分構成。在發生列車碰撞(面對面碰撞或追尾)事故中，通過箱體的有序塑性大變形消耗碰撞時車輛具有的很大動能，同時減少縱向碰撞力并降低減速度，從而發揮良好的保護旅客與司乘人員人身安全的作用。本發明從沖擊動能的科學管理和乘員安全保護兩方面技術出發，提出了這一新型吸能裝置，結構較簡單、吸能量大、性能穩定，對乘員具有良好的保護作用。
文檔編號B61F19/04GK102358319SQ201110282330
公開日2012年2月22日 申請日期2011年9月22日 優先權日2011年9月22日
發明者王文斌, 趙洪倫 申請人:同濟大學