一种轨道车辆碰撞柱及含有该碰撞柱的车辆头部结构的制作方法

本发明属于铁路运输领域，具体涉及一种用于地铁车辆的头部碰撞柱结构。

背景技术：

随着社会的发展，地铁车辆在人口密集城市越来越普及，大家对地铁车辆的安全性要求越来越高。欧洲标准en15227中规定轨道车辆车体前端应具有结构被动安全性，即需要在车体前端一定范围内设置能量吸收区域。北美铁道协会标准aars-580规定，司机室前端必须设置两个碰撞柱和两个角柱，碰撞柱和角柱都必须具有足够的强度以抵御碰撞破坏。现有轨道车辆前端设计一般综合上述两种方法，在前方吸能区域后安装碰撞柱和角柱。当车辆发生碰撞时，吸能装置首先被破坏，吸收撞击能量。在吸能装置被破坏之后，如果撞击并未停止，此时碰撞柱和角柱将发挥作用，以其较大的强度和刚度抵御撞击物，避免司机室和客室区域被破坏。

目前中国国内地铁轨道车辆碰撞柱的设计一般依据欧洲标准bsen12663-2010。满足该标准下的碰撞柱多为简单的空心柱结构，由钢板焊接加工而成。相比于欧洲标准，美国asmert2-2014标准对于车体强度提出了更高的要求。美国地铁轨道车辆大都要求能够实现在6辆编组、25公里每小时碰撞时保证司机安全，在6辆编组、40公里每小时碰撞时保证客室安全。另一方面，车辆头部及碰撞柱的设计在很大程度上受到头部形状，车内空间要求以及整车重量要求等等的制约。这些制约因素进一步提高了碰撞柱的设计难度。在这种情况下，简单几何形状的空心柱结构往往无法满足asmert2-2014的强度和其他功能要求。

美国专利us9205847b2公布了一种包含多段碰撞柱的头部碰撞结构，该结构包含一根上端碰撞柱，两根下端碰撞柱和多段横梁，并且在下端碰撞柱的前侧安装了吸能装置。该设计提高了车辆头部的强度和司机的可视范围，但由于吸能装置安装在碰撞柱前侧，车辆头部的有效利用空间将会被缩小。美国专利us7900565b2公布了一种加强的头部吸能装置，该装置同样安装在碰撞柱前侧。此外，该吸能装置没有前端保护，容易被撕裂从而导致较大的侧向力。美国专利us6561105b2在碰撞柱前侧添加了防护罩，本质上也是为了同碰撞柱一起增加头部强度，但大量新的结构单元的引入大大增加了头部的复杂性。不同于以上三项专利，中国专利cn101932487b公布了一种将吸能装置安装在碰撞柱后端的车辆头部结构，可以有效提高车辆头部内部空间的利用率，但是由于碰撞柱直接暴露在车辆最前端，在碰撞时首当其冲，其结构可能在吸能装置完全发挥作用前被破坏（例如尖锐物撞击），从而失去保护司机室和客室的功能。碰撞柱除了提供足够的强度、合理的刚性以阻挡碰撞力对司机室及客室的损害外，还可以通过自身弹性变形、塑性变形或者屈曲来消耗部分的碰撞能量。美国专利us20070214996a1公开了一种利用碰撞柱和前端横梁屈曲以吸能的车辆头部结构。这种集防撞和吸能于一体的设计形式简洁，并且充分利用了空间发挥了碰撞柱对司机室和客室的保护功能。但是实际碰撞发生的位置、角度以及力的大小差别很大，碰撞柱不一定能如设计的一样及时发生屈曲。综上所述，现有的轨道车辆碰撞柱及头部结构很难同时满足强度高，结构紧凑，空间利用率高，安全有效等等设计要求。轨道车辆碰撞柱及头部结构的设计还存在很大的改进空间。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种安全、可靠、结构合理、具有弹塑性的地铁车辆碰撞柱及含有该碰撞柱结构的车辆头部结构，使地铁车辆在碰撞发生后，尤其是发生相对高速碰撞后，不至于挤压车辆司机室和客室空间并危害司机和乘客的生命安全，并且应当满足车辆整体设计的刚度要求、空间要求、质量要求、功能要求及其工艺性要求。

为实现上述发明目的，本发明提供一种轨道车辆碰撞柱，其特征在于：包括依次焊接的上段、中段和下段，三段都为空心钢材，上段的非安装面为斜面，中段由两块u形板对焊而成，其中一块u形板的底边为钝角折弯板，下段由四块外围钢板拼接而成，其中有一块折弯板与中段u形折弯板相吻合，上段和中段内侧安装有加强筋板，下段内部至少安装一层垂向加强筋板，下段上部与中段连接区域开有长圆孔，下段插入中段内在长圆孔处与中段焊接固定。

所述的碰撞柱内的加强筋板有强度弱化孔。

所述的碰撞柱内的加强筋板上有圆形或者异形减重孔。

一种轨道车辆头部结构，包括碰撞柱，其特征在于：碰撞柱为上述任意一项所描述的碰撞柱结构。

本发明的优点和积极效果：通过优化碰撞柱各个段的形状结构特征，使发生高速碰撞后不至于挤压车辆司机室和客室空间并危害司机和乘客的生命安全，并且满足车辆整体设计的刚度要求、空间要求、质量要求、功能要求及其工艺性要求。碰撞柱加强筋置于碰撞柱内腔内，并没有增加碰撞柱的外形尺寸，在增强车辆头部结构强度的同时保持了结构的紧凑性。为了尽量减少额外重量的引入，在加强筋板上设计了减重孔。通过优化设计减重孔的形状，数量和分布，实现以最小的质量引入实现碰撞柱的补强。通过引入加强筋板强度弱区以及优化设计碰撞柱各个部位的强度分布，当碰撞力较小时，碰撞柱只发生弹性变形；当碰撞力很大时，碰撞柱发生塑性变形，且塑性变形区域及变形大小在控制范围之内。碰撞柱的弹塑性性能也能够减小碰撞柱与其他装置之间传递的力，从而降低碰撞对其他部件的损害。

附图说明

图1为轨道车辆车体结构示意图；

图2为本发明所述轨道车辆前端示意图；

图3为本发明所述碰撞柱示意图；

图4为本发明所述碰撞柱内部结构示意图；

图5为本发明所述碰撞柱截面示意图；

图6为本发明所述碰撞柱加强筋板示意图。

具体实施方式

参阅图1，轨道车辆车体通常包括前端1，车顶2，侧墙3，后端4，底架5。这五部分结构形成完整的封闭空间用以承载乘客以及车辆的其他设备。该空间内部往往有司机室间壁6。司机室间壁6将车辆内部的空间分为两部分：司机室7和客室8。美国地铁轨道车辆大都要求能够实现在6辆编组、24公里每小时碰撞时保证司机安全，在6辆编组、40公里每小时碰撞时保证客室安全。即在撞击速度小于24公里每小时时，司机室7需要有足够的生存空间。在撞击速度小于40公里每小时时，客室8需要有足够的生存空间。为了满足安全性要求，车辆前端1上需要设置吸能装置以吸收碰撞时的能量。同时，车辆前端1上还需要设置防撞装置，当吸能装置失效时，防撞装置应当有足够的强度阻止碰撞进入到司机室7或者客室8.

参阅图2，车辆前端1包括防爬器16、一级吸能元件蜂窝板15、二级吸能元件压溃管14、碰撞柱11，角柱13，弯梁12，横梁17等。

防爬器16设置在车体头部的最外端，碰撞发生时首先接触和动作，其本身并不吸能，只是将碰撞力传递到一级吸能元件蜂窝板15上。防爬器16有两个重要功能：其一是通过咬合从而阻止车辆在碰撞中的垂向运动，从而将碰撞能量引导到水平面上；其二是保护吸能元件不被碰撞中的尖锐物刺穿或者破坏，帮助吸能元件更好地完成吸能任务。吸能元件包含两级：一级吸能元件蜂窝板15承受防爬器16传递来的碰撞力，通过受压变形，吸收车辆碰撞产生的能量；二级吸能元件压溃管14，在碰撞发生时，通过自身压溃变形吸收车辆碰撞产生的一级吸能后的剩余能量。

一级吸能元件蜂窝板15位于碰撞柱11前端，二级吸能元件压溃管14位于碰撞柱11后端。当碰撞发生且冲击力大于吸能结构的触发力时，一级吸能元件蜂窝板15通过变形吸能结构吸收掉一部分能量。接着撞击物与二级吸能元件压溃管14接触，从而诱发第二级变形吸能结构变形吸能。由于碰撞柱11的强度和刚度大于一级与二级吸能元件，在二级吸能元件压溃管14失效之前，碰撞柱11保持完好。当冲击力过大导致前两级变形吸能结构都被破坏后，撞击物与碰撞柱11接触。碰撞柱11应当有足够的强度，能够有效抵抗后续的碰撞和冲击，从而有效地保护司机和乘客的安全。

碰撞柱11位于防爬器16，一级吸能元件蜂窝板15和二级吸能元件压溃管14上部，上端与弯梁12连接。碰撞柱11两侧通过横梁17与弯梁12连接。弯梁12下端分别与两个角柱13连接。角柱13与底架5连接。碰撞柱11，弯梁12，角柱13与横梁17组成的钢结构框架具有良好的保护屏障，在车辆发生碰撞时可以保护司机室7和客室8的生存空间。

参阅图3，碰撞柱11可以为一段或者多段结构。将碰撞柱11设置为多段结构主要是为了满足车辆前端的空间要求。在一种实施案例中，碰撞柱11包含碰撞柱上段113，碰撞柱中段112和碰撞柱下段111，三段结构通过焊接连接到一起。碰撞柱上段113向内侧倾斜，这样给车头外侧上方提供额外的空间用以安装显示器等结构。

图4为本发明所述碰撞柱11内部结构示意图。碰撞柱11至少有一段内侧安装有至少一层加强筋板114。在一种实施案例中，碰撞柱下段111由四段外围钢板115拼接而成，其内部安装有两块垂向加强筋板114。碰撞发生时，由于防爬器16的作用，碰撞力和能量集中作用在车体头部的下侧，所以对碰撞柱下段111加强对于阻挡撞击最为有效。必要时，可以在碰撞柱中段112和碰撞柱上段113内侧安装加强筋板114。加强筋板114可以为垂向，横向或者其他角度。在本实施案例中，碰撞柱下段111为长柱形结构，适合安装垂向的加强筋板114。两块垂向的加强筋板114布置在碰撞柱下段111内侧，以焊接的形式连接。由于加强筋板114的作用，碰撞柱11结构强度进一步加强，能够有效抵抗后续的碰撞和冲击，从而有效地保护司机和乘客的安全。

图5为本发明所述碰撞柱截面示意图。碰撞柱中段112为空心钢材，其下部与碰撞柱下段111连接区域开有长圆孔118。碰撞柱下段111由四段外围钢板115拼焊而成。加强筋板114在碰撞柱下段111内腔里，与外围钢板115通过焊接连接。碰撞柱下段111插入到碰撞柱中段112内，通过碰撞柱中段112上的长圆孔118与碰撞柱中段112实现焊接固定。

图6为本发明所述碰撞柱加强筋板示意图。碰撞柱内的加强筋板114上有圆形或者异形减重孔116。加强筋板的引入会导致车辆整体重量的增加。为了尽量减少额外重量的引入，在加强筋板114上设计了减重孔。通过优化设计减重孔的形状，数量和分布，实现以最小的质量引入实现碰撞柱的补强。在一种实施案例中，在加强筋板114上设置了4个圆形减重孔。碰撞柱内的加强筋板114上还有强度弱化孔117。强度弱化孔117位于加强筋板114端部与碰撞柱中段112的连接区域。强度弱化孔117的引入制造出一个强度弱区，该强度弱区能够增加碰撞柱的柔度。当碰撞力较大时，强度弱区首先发生变形并吸收一部分能量，减小碰撞柱与其他装置之间传递的力，从而降低碰撞对其他部件的损害。通过优化设计减重孔116和强度弱化孔117的大小，形状和位置，可以调整碰撞柱11各个部位的强度分布。当碰撞力较小时，碰撞柱只发生弹性变形；当碰撞力很大时，碰撞柱发生塑性变形，且塑性变形区域及变形大小在控制范围之内。

通过联合应用该碰撞柱11与前端吸能装置（包括防爬器16、一级吸能元件蜂窝板15和二级吸能元件压溃管14），本发明能够实现在6辆编组、时速24公里碰撞时保证司机安全，在6辆编组、时速40公里碰撞时保证客室安全，并且满足asmert2-2014标准规定的静强度要求、疲劳要求、碰撞吸能要求、刚度要求、功能要求及其工艺性要求。该设计已经通过有限元分析以及试验验证了其有效性和可行性，并在生产中得到应用。