一种轨道车辆车头结构的制作方法

本发明涉及一种轨道车辆车头结构，尤其涉及一种具有良好碰撞安全性能的车辆车头结构，属于轨道交通车辆车体结构领域。

背景技术：

目前地铁车辆的车钩缓冲器等吸能部件仅能满足两列车在相对速度不到20km/h的撞击，更高速度下，车钩系统会失效或剪切，车体会接触并发生撞击变形，给乘客司机带来伤害。为提高铁道车辆的被动安全性能，欧盟和国际铁路协会共同承担的欧洲列车防碰撞性项目(SAFETRAIN)，并花费巨大成本进行实物碰撞试验，试验对象为以受控方式变形的车体端部结构。随后欧盟通过SAFETRAIN等研究项目推动各成员国制定了统一的碰撞标准，《EN15227铁路应用-铁路车辆车体防撞性要求》便是其主要成果之一。该标准对C-II类铁路车辆（即地铁车辆）的碰撞安全要求是两列相同单元列车在相对速度达25km/h的撞击场景中，车体的变形区域范围、减速度大小，防止爬车等需满足相关要求，且车辆前端能够吸收足够的撞击能量。如何设计合理的车体结构吸收更多能量且能防止爬车成为该领域亟待研究解决的问题。

在中国的申请号为CN02126784.7的发明专利中公开了铁路客运列车耐冲击吸能车体，申请号为CN200920282833.6的实用新型公开的独立车头座底架结构，申请号为CN201310434839.1的发明专利公开了一种轨道车辆司机室吸能结构，以及申请号为CN201320697051.5的实用新型公开的整体式司机室结构，这些结构都设置了一级或多级的吸能结构，但是忽略了车辆防爬要求，在列车碰撞时很难保证吸能结构正常作用，安全性难以保证。

在王卉子著的《城轨车辆的耐撞击性能研究》以及周传谊等著的《城轨车辆头车底架前端压溃吸能结构优化设计》公开的车头结构在考虑吸能基础上增设了防爬器，但是防爬器是集成在车体底架结构上。当防爬器发生作用时，车体前端就会碰撞破坏，维护工作量比较大。

中国发明专利申请CN201310505736.X、中国实用新型专利CN201120420346.9、日本专利公开号为JP2004268694A的头车结构公开了带防爬吸能装置的模块化司机室，以及中国实用新型专利CN201410000695.3的实用新型公开的一种城轨司机室结构的防爬器是可拆卸式的，但是这些公开的司机室变形区只限制在防爬器安装板的前端，而防爬器安装板离车体最前端距离较短，能变形区域很小，吸收能量有限。中国发明专利申请CN201310072635.8公开了带防爬吸能装置的列车前端组成，包含了车体牵引梁前端的车钩箱、设置在车体牵引梁前端的车钩安装座、防爬吸能装置安装座和防爬吸能装置构成，但该结构主要通过底架自身来抵抗车辆爬起时的垂向载荷，导致底架结构过于复杂，没有从整体的角度考虑，即利用司机室骨架来提高垂向承载能力。美国发明专利US6561105B2公开了一种地板上方装有吸能元件的司机室，发生两列车碰撞时，该吸能元件将与防爬器共同作用，但是不管怎样其纵向压溃强度不能高于客室安全区强度，因此在纵向压溃行程未增加，而车体主结构强度不变的情况下，单独靠设置更多数量的吸能元件是不能有效提高碰撞能量的吸收总量的，而且在地板上方设置吸能元件会减少前窗的大小，减少司机视野广阔度。

此外，目前国内现有B型城轨车辆不锈钢车体的司机室结构对于前窗下300kN的压缩载荷要求，基本上不能满足要求。如中国实用新型专利201020677752.9公开的不锈钢地铁司机室车体结构，窗下的钢骨架主要用来支撑玻璃钢头罩，结构较弱，在车辆运行过程中不能很好保护司机受列车前方的障碍物撞击。中国实用新型专利201020107739.X公开的铝合金车体考虑了该工况，但是主要靠司机室骨架自身的结构强度来实现，没有结合底架前端结构综合来考虑，且前方没有足够的变形吸能区，安全性仍然不足。

同时，车体静强度性能设计是追求车体每个截面都具有足够高的强度，而耐碰撞性能设计是要求车体在碰撞冲击力作用下以有序的、可控的方式发生变形。这两者本身具有一定的矛盾性，如何在满足静强度性能的前提下合理地设计车体的耐碰撞性能一直是轨道车辆领域的难点。

技术实现要素：

为了克服上述问题和不足，本发明旨在提供一种轨道车辆车头结构，该车头结构通过系统优化司机室骨架结构及底架前端结构，使车头结构具有良好的整体承载性能，满足EN12663标准对于车体静强度的要求，同时提高了车体的变形吸能能力和抵抗撞击能力，使车体以可控、有序的方式变形并吸收能量，获得了安全性能良好的车体结构。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种轨道车辆车头结构，其结构特点是，包括车体主结构、车头防撞结构和防爬器，按照轨道车辆的纵向方向将车头划分为纵向载荷强度呈梯度递减的安全区、次要变形区和主要变形区；

其中所述安全区为车体主结构，其包括客室区域和司机座椅区域；所述次要变形区为司机室前门至防爬器安装板之间区域，其包括车头防撞结构和防爬器安装结构；所述主要变形区域包括位于防爬器安装板之前的司机室地板及防爬器；

所述次要变形区的纵向轻度小于安全区的纵向强度而在发生碰撞时，次要变形区比安全区先发生塑性变形；所述次要变形区与主要变形区之间设有一级止挡结构，安全区与次要变形区之间设有二级止挡结构，该一级止挡结构和二级止挡结构用于阻隔前方区域的变形影响后方区域。

由此，本发明将轨道车辆车头按照纵向方向划分为安全区-次要变形区-主要变形区，其中安全区包括客室区域和司机座椅区域，次要变形区为司机室前门至防爬器安装板之间区域；主要变形区域包括防爬器安装板之前的地板及防爬器自身。结构的设计目标是：主要变形区的变形吸能能满足EN15227标准规定的25km/h碰撞的吸能要求及“生存空间内平均纵向减速不大于5g”的要求；次要变形区主要在车体以25km/h以上速度撞击时，吸收部分能量，保护车体主结构尽可能受到最小的伤害。

安全区域的车体顶盖、底架通长梁的横截面足够强，通过梁、柱形成环状结构使车体具有良好的承载性能，为车体能满足巨大的纵向压缩载荷以及抵抗25km/h速度列车撞击力的提供基础。

次要变形区主要包括防撞结构和防爬器安装结构，利用地板下方防爬器安装结构的内部撑板生根，在地板面上设置防撞结构，可以抵抗列车前方障碍物的冲击，即静压缩力300kN；通过在支撑板上开孔使其防爬器安装结构的纵向刚度弱化，利用司机室窗立柱上方的焊缝强度比母材强度低，并在连接处开孔弱化次要变形区上方的纵向强度，使其在碰撞过程中比安全区域的主结构先发生塑性变形，保护车体主结构的安全。

主要变形区包括司机室地板前端及防爬器，通过防撞立柱前方的司机室地板开一定深度的槽，确保防爬器吸能工作过程中，地板发生不可控的变形而引起到次要变形区域的地板跟着发生屈曲失稳变形；同时在地板前端局部加厚增大碰撞时相互接触的几率，减少列车爬起40mm以内时地板前端未接触而侵入次要变形区域的现象发生，进一步提高车辆碰撞安全性能。

在次要变形区和主要变形区之间、次要变形区和安全区之间设置了止挡结构，用于阻隔前方区域的变形影响后方区域结构。止挡部件与车体横截面上的梁、柱进行成环设计，在增强车体整体承载性的基础上提高了列车防爬和吸能能力。

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：

所述司机室地板上开有位于司机室的防撞立柱前方的地板槽，且在防爬器安装板之前的司机室地板上装有增厚板。

所述安全区的车体横截面至少能承受1500kN的纵向载荷；次要变形区纵向载荷设计值为1200-1400kN，压溃变形至少吸能0.6MJ；主要变形区的防爬器压溃力为900kN -1200kN，压溃变形至少吸能0.4MJ；优选所述次要变形区的长度不小于500mm，所述主要变形区的行程不小于400mm。

所述车体主结构包括车体顶盖、侧墙、底架及司机室上框架；所述车体顶盖与侧墙之间的顶侧连接梁延伸至司机室门立柱前端并覆盖在司机室的门上横梁与侧墙连接为一体，所述司机室上框架将侧墙的四个司机室门立柱及车体顶盖连接成一体，并与车体的底架组成了整体承载结构；优选所述顶侧连接梁呈L型；优选所述门上横梁为C型结构，该门上横梁的内部嵌入了连接立柱，该门上横梁下方固定有为安装司机室门提供附着面的门框包边；优选所述门框包边连接前后两根司机室门立柱和门上横梁。

所述司机室门立柱内侧开有多个用于与外侧蒙皮的连接的工艺孔；优选所述司机室门立柱的横截面长度尺寸至少为120mm，更优选为至少180mm。

所述司机室门立柱外侧开有用于装入扶手嵌套的安装孔，且扶手嵌套与安装孔的上下侧面固定相连而形成型腔结构。

所述车体顶盖的车顶边梁与头罩的连接处为车体的刚度突变处，所述门上横梁在该刚度突变处设置所述连接立柱。

所述二级止挡结构包括设置在车体的底架上的牵引横梁、车钩安装座和车钩翼板，用于阻隔位于车头防撞结构下部防爬器安装结构的碰撞冲击力；该二级止挡结构与司机室门立柱、司机室上框架在垂直于车体长度方向的横截面上形成环状结构。

所述牵引横梁的左右两端连接底架的左右两根通长边梁，且该牵引横梁与上方的司机室门立柱对齐；所述车钩安装座的后方设有牵缓结构；所述车钩翼板的左右两端与底架的两根通长边梁以及车钩安装座相连，且该车钩翼板与位于其上方的牵引横梁固定相连。

所述车头防撞结构主要由司机室窗立柱、防撞墙、司机室地板、增厚板，及防爬器安装结构固定连接而成；所述防撞墙位于司机室地板上方，且防撞墙的两侧分别与司机室窗立柱相连，所述增厚板位于司机室地板的前端；优选所述增厚板与司机室地板的厚度之和至少为40mm。

所述防撞墙包括防撞横梁、防撞立柱和防撞斜撑；所述防撞斜撑与防爬器安装结构的立撑板横向方向对齐设置；所述防撞横梁、防撞立柱和防撞斜撑固定相连而形成封闭的腔型结构。

所述司机室窗立柱上端与车体主结构的司机室上框架固定相连；优选在司机室窗立柱上设有立柱减弱孔。

所述车头防撞结构直接焊接在车体主结构的前端，或在车体主结构与车头防撞结构的连接面设置连接孔，并通过紧固件相连。

所述防爬器安装结构包括防爬器安装板、过渡梁、盖板、斜撑板和立撑板；所述过渡梁、盖板、斜撑板、立撑板主要用于支撑防爬器动作时的巨大纵向冲击力；优选所述过渡梁、盖板、斜撑板和立撑板上开有诱导变形的减弱孔。

所述一级止挡结构与防撞墙位于同一横截面上，该一级止挡结构的后端设有提供支撑力的司机室窗立柱和立撑板；优选在司机室地板上开有位于防撞墙处的隔断槽，该隔断槽用于阻隔司机室地板变形的传递；优选所述司机室窗立柱上方的焊缝强度比母材强度低，且在连接处开孔弱化纵向强度。

所述一级止挡结构包括设置在底架上的防爬器安装板和与防爬器安装板对齐布置的前端小横梁；优选所述司机室地板上开有位于司机室的防撞立柱前方的地板槽，所述前端小横梁位于地板槽的后方。

所述防爬器为可拆卸式的吸能防爬器；优选所述防爬器通过司机室窗立柱与车体主结构的上部一起形成垂向方向的传力路径；优选所述防爬器为压溃式防爬器、刨削式防爬器或铝蜂窝式防爬器。

藉由上述结构，本发明的车头结构分为安全区、次要变形区和主要变形区。安全区的车体横截面至少能承受1500kN的纵向载荷，满足英国标准GM/RT2100要求的车端吸收1MJ能量。

安全区为车体主结构，包括客室和司机座椅区域，主要结构由车体顶盖、侧墙、底架乘客区域及司机室上框架构成。通过将顶侧连接梁延伸至司机室门立柱前端并覆盖在司机室的门上横梁，利用司机室上框架将侧墙的四个司机室门立柱及顶盖连接成一体，和底架组成了整体承载结构，车体横截面至少能承受1500kN的纵向载荷。底架上的牵引横梁、车钩安装座和车钩翼板构成碰撞的二级止挡结构，其与司机室门立柱、司机室上框架一起在车体横截面上形成了环状结构，在受到撞击力时能更均匀地受力，提高了抵抗碰撞变形的能力。

次要变形区为车头防撞结构，主要由司机室窗立柱、防撞墙、司机室地板开槽后端部分、增厚板，前端小横梁及防爬器安装结构焊接而成。防撞墙位于司机室地板上方，两侧与司机室窗立柱相连，由防撞横梁、防撞立柱、防撞斜撑焊接而成，梁为异型钢，是封闭的腔型结构，可以抵抗300kN的障碍物冲击。

防爬器安装结构由防爬器安装板、过渡梁、盖板、斜撑板、立撑板组成，防爬器安装板可根据防爬器的安装接口定制，过渡梁、盖板、斜撑板、立撑板主要用于支撑防爬器动作时的巨大纵向冲击力，可根据压溃强度需要开减弱孔以诱导变形。底架上的防爬器安装板，前端小横梁为碰撞的一级止挡结构，其与防撞墙位于同一横截面上，后端设有司机室窗立柱、防爬器立撑板提供支撑力，且司机室地板在防撞墙处开槽，用于阻隔地板变形的传递。司机室窗立柱上方的焊缝强度比母材强度低，且在连接处开孔弱化纵向强度，使其在压缩过程中在后端的顶盖区域变形前剪断，保护车体主结构的安全。

主要变形区包括司机室地板开槽前端部分、增厚板、防爬器组成。增厚板的厚度与司机室地板大的厚度之和为40mm以上。防爬器为可拆卸式的安装方式，在发生撞车后方便更换。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明车头结构整体承载性能好，有效压溃行程长，能吸收大量的碰撞能量而保护车体主结构不受损坏，并有防撞结构保护司机在车辆运行过程中抵抗外物的入侵撞击，具有优良的碰撞安全性；结构较简单，易模块化生产；在全焊接结构的基础上可安装内嵌式扶手，具有实用性且美观。

本发明能满足EN15227和英国标准GM/RT2100对于碰撞的要求，同时满足EN12663标准的司机室保护工况要求，解决了钢结构车体的固有难题，满足国内外绝大部分车辆运行商对车体技术条件的需求，通用性强，具有良好的经济效益和社会效益。

附图说明

图1是本发明一个实施例的结构原理图；

图2是本发明车头结构正视图；

图3是图2的仰视图；

图4是图2中的A-A剖视图；

图5是图3中的B-B剖视图；

图6是图2中的C-C剖视图；

图7是图2中的D-D剖视图；

图8是图7进一步改进的示意图。

在图中：

1-车体主结构，11-车体顶盖，111-顶侧连接梁，112-车顶边梁，12-侧墙，121-司机室门立柱，122-连接立柱，123-门上横梁，124-门框包边，125-扶手嵌套，13-底架，131-牵引横梁，132-车钩安装座，133-车钩翼板，14-司机室上框架，2-车头防撞结构，21-司机室窗立柱，21a-立柱减弱孔，22-防撞墙，221-防撞横梁，222-防撞立柱，223-防撞斜撑，23-司机室地板，23a-地板槽，24-增厚板，25-防爬器安装结构，251-防爬器安装板，252-过渡梁，253-盖板，254-斜撑板，255-立撑板，26-前端小横梁，3-防爬器。

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。

一种轨道车辆车头钢结构，如图1示，车钩钢结构主要由车体主结构1、车头防撞结构2和防爬器3构成，其纵向载荷强度呈梯度递减，依次对应安全区、作为次要变形区的较难变形区和作为主要变形区的易变形区。这三个区域的结构设计同时满足静强度性能及动力学强度性能碰撞性能要求，即安全区车体至少能承受1500kN的纵向载荷，较难变形区纵向载荷设计值为1200-1400kN，易变形区的防爬器纵向载荷设计值为1100kN；同时，易变形区的满足EN15227标准规定的25km/h碰撞的吸能要求及“生存空间内平均纵向减速不大于5g”的要求；较难变形区主要在车体以25km/h以上速度撞击时可吸收部分能量，保护车体主结构尽可能受到最小的伤害。

车体主结构1，包括客室和司机座椅区域，主要由车体顶盖11、侧墙12、底架13及司机室上框架14组成。顶侧连接梁111延伸至司机室门立柱121前端与侧墙12连接为一体，司机室上框架14将侧墙12的四根司机室门立柱121及顶盖连接成一体，并和底架13组成了整体承载结构。底架13上的牵引横梁131、车钩安装座132和车钩翼板133构成二级碰撞止挡结构，阻隔车头防撞结构2下部防爬器安装结构25的碰撞冲击力，同时与司机室门立柱121、司机室上框架14形成了环状结构。通过将车体顶盖11、底架13部件中通长结构梁的横截面设计得足够强，同时利用环状结构使车体主结构1具有良好的承载性能，为车体能满足巨大的纵向压缩载荷以及抵抗25km/h速度列车撞击力的提供基础。

车头防撞结构2主要由司机室窗立柱21、防撞墙22、司机室地板23、增厚板24，及防爬器安装结构25焊接而成。防撞墙22位于司机室地板上方，两侧与司机室窗立柱21相连，由防撞横梁221、防撞立柱222、防撞斜撑223焊接而成，这些梁为整体成型的异型钢，壁厚为4-8mm，利用其封闭的腔型结构且无焊缝薄弱区，可以抵抗300kN的障碍物冲击，异型钢的材质延展性较大，一般为304不锈钢。车头防撞结构2可直接焊接在车体主结构1的前端，也可在车体主结构1和车头防撞结构2的连接面设置连接孔，通过螺栓或铆钉连接。位于司机室地板23前端的增厚板24与司机室地板23的厚度之和为40mm以上，可减少列车爬起40mm以内时地板前端未接触而侵入较难变形区域的现象发生，提高车辆碰撞安全性能。

防爬器3为可拆卸式的吸能防爬器，通过螺栓固定在车头防撞结构2上。防爬器3可以是压溃式的，也可以是刨削式、铝蜂窝式等。

图2和图3分别是车头钢结构的正视图和仰视图。车头钢结构根据纵向强度等级设置了3个区域，车体主结构1处在安全区；车头防撞结构2主要处在较难变形区；防爬器3和位于地板槽23a前端的司机室地板23、增厚板24属于易变形区。其中易变形区的长度L1不宜小于400mm，防爬器平均压溃力设置为1100kN左右，较难变形区的长度L2不小于500mm，纵向压缩载荷强度为1200-1400kN，易变形区和较难变形区的总吸能量不小于1MJ。

为阻隔碰撞过程中巨大冲击力过早影响到车体主结构1，在其下方设置了二级止挡结构，主要由位于同一截面的牵引横梁131、车钩安装座132、车钩翼板133组成，牵引横梁131连接左右两根底架通长边梁，与上方的司机室门立柱121对齐，为车体主结构1前端的环状结构重要组成部分。车钩安装座132后方有高强的牵缓结构支撑，可以承受车钩1200kN的纵向载荷。车钩翼板133为折弯件，本身具有较好的刚度，左右两端与底架通长边梁以及车钩安装座132相连，上方与牵引横梁131焊接固定，这三者构成的止挡结构能有效抵抗前端防爬器安装结构25传递过来的纵向载荷，保护车体主结构安全。

车头防撞结构2下方的防爬器安装结构25主要用于安装防爬器3，防爬器安装结构25由防爬器安装板251、过渡梁252、盖板253、斜撑板254及立撑板255组成，防爬器安装板251提供防爬器3的安装平面，过渡梁252、盖板253、斜撑板254及立撑板255为防爬器安装板251提供支撑力，这些部件可通过开孔或优化壁厚来控制车头防撞结构2的压溃强度，实现其既能承担防爬器3带来的约1100kN压溃力，同时自身的纵向压溃力不高于1400kN。与防爬器安装板251对齐布置的前端小横梁26位于地板槽23a的后方，作为碰撞的一级止挡结构，可以阻隔司机室地板23受到撞击时前端变形传递到后方区域。

图4是图2中的A-A剖视图。由于头罩的造型需要，车体主结构1的司机室门区域高度往往受到限制，车体顶盖11不能将车顶边梁112延伸到安全区的端头，即前端的司机室门立柱121处，这样对车体主结构1的整体强度及门角区域强度的影响较大。本发明为解决司机室门上部强度问题，在车顶边梁112的下方设置了L型的顶侧连接梁111，在客室区域两者焊接为一个整体，在司机室门区域顶侧连接梁111单独延伸至司机室门立柱121处，覆盖在侧墙12的门上横梁123外侧，加强了司机室门上部的纵向强度，同时提供了宽度大于50mm的上平面与头罩粘接，头罩的外轮廓与车顶边梁112基本一致，避免了外观上的不连接续性。门上横梁123为C型结构，内部嵌入了连接立柱122增强垂向刚度，下方点焊固定门框包边124为安装司机室门提供附着面。

图5为图3中的B-B剖视图。车顶边梁112与头罩的连接处为车体刚度突变处，门上横梁123跨过该区域并在刚度突变处设置连接立柱122，提高门角的局部刚度，门框包边124连接前后两根司机室门立柱121和门上横梁123，增强了司机室门的整体刚度。属于车头防撞结构2的司机室窗立柱21上端与车体主结构1的司机室上框架14焊接相连，并设有立柱减弱孔21a，在保证足够的垂向强度的前提下，降低纵向强度，并利用焊缝强度比母材强度低，使其在碰撞压缩过程中在车体主结构1变形前发生剪断，保护车体主结构的安全。防撞立柱222与前端小横梁26、防爬器安装板251对齐，构成了整个截面方向的止挡结构，有效地阻隔包括来自防爬器3以及地板槽23a前方的司机室地板23变形，提高了碰撞安全性，并将碰撞后返工量降至最小。

图6为图2中的C-C剖视图。车头防撞结构2下部的司机室窗立柱21、及防撞立柱222、防撞斜撑223与防爬器安装结构25的立撑板255横向方向对齐设置，为防撞墙22在承受300kN纵向压缩力时提供足够的支撑力，也可将防爬器3抵抗车辆爬起的巨大垂向力通过司机室窗立柱21以最短路径传递到车体主结构1的上部从而实现整体承载。

图7是图2中的D-D剖视图。为提高司机室门立柱的刚度，本发明的司机室门立柱121采用异型钢结构，截面长度足够大，至少为120mm，在司机室门立柱121内侧开两排半径为30mm的工艺孔，用于其与外侧蒙皮的点焊连接。

值得一提的是，为提高司机上下车的方便性，同时满足外轮廓限界要求，部分地铁车辆要求设置司机室门两侧设置内嵌式扶手。不同于铝合金车体可设计型材腔来提供安装空间，后续再喷油漆覆盖铝合金表面保持美观性。不锈钢车体一般是免涂油漆的，且钢结构车体一般是板梁结构，没有型腔，如何在保证门立柱强度的基础上开孔设置扶手是钢结构车体的难点。

本发明可进一步改进，具体为：司机室门立柱121截面长度增加，至少为180mm，外侧开有大孔，内侧两边开有点焊工艺孔。整体成型的扶手嵌套125从外侧塞入司机室门立柱121的大孔内，并上下两个面都与司机室门立柱121接触，点焊连接成一体，形成类似型材型腔的结构，强度具有连续性，解决了内嵌式扶手的安装问题。

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。