1.本发明涉及轨道车辆被动安全防护领域，特别是一种金属吸能装置。
背景技术：2.随着轨道交通行业的快速发展，轨道车辆的安全越来越受到重视。金属防爬吸能装置作为轨道车辆中最常见的吸能结构，在碰撞发生时能够有效地吸收冲击动能，对轨道车辆和乘员的安全起到决定性作用。因此，具有优秀冲击特性的吸能装置受到广泛的研究和应用。
3.现有技术中有不少关于防爬吸能装置的发明创造，如发明专利cn109515468 a中提供了一种轨道车辆吸能防爬器，其吸能原理是通过金属管的刨削及流体的阻尼进行能量耗散，该技术方案结合了切削式吸能和液压式吸能的优点，提高了装置的吸能量和抗偏载性，但其后期阻抗力稳定性差，且行程利用率低；又如发明专利cn111055874b中提供了一种多级防撞缓冲结构，能够进行多级缓冲，其原理为通过切削金属方管壁上的突起以及金属管的压溃进行能量耗散，该技术方案采用多级可伸缩的结构，占用空间小，吸能效果好，但其阻抗力稳定性差，初始峰值高。
4.现有技术中的防爬吸能装置，尤其是对于含有金属型材的防爬吸能装置，在其压缩变形过程中可控性差，撞击力波动较大，阻抗力不稳定，往往导致吸能效率较低。
技术实现要素：5.本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种金属吸能装置，该金属吸能装置初始峰值力低、阻抗力稳定、吸能量大、过程可控。
6.为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
7.一种金属吸能装置，包括金属吸能管，其结构特点是，还包括变径管结构、冲头结构、环形凹槽底座，所述变径管结构包括依次圆滑过渡连接的上部金属管、中部金属管、下部金属管，所述上部金属管的内径大于中部金属管的内径且小于下部金属管的内径；
8.所述金属吸能管的下端套接在所述上部金属管中；
9.所述冲头结构位于所述变径管结构的下部腔体中，所述冲头结构的外周设有楔形结构，冲头结构通过楔形结构与所述变径管结构相连接；
10.所述环形凹槽底座固定连接在所述冲头结构的底部。
11.本发明的金属吸能装置通过设置金属吸能管、变径管结构、冲头结构、环形凹槽底座等结构，对金属吸能管实现了收缩、鼓胀变形、撕裂及卷曲变形四种形式和四个阶段的吸能。在车辆受到初始冲击时，金属吸能管沿着变径管结构作轴向运动，在从上部金属管运动至中部金属管的过程中，管径较小的中部金属管诱导金属吸能管发生轴向收缩形变，然后冲头结构诱导金属吸能管沿着冲头结构移动及发生鼓胀形变，经刨削后的金属吸能管再鼓胀变形，接着金属吸能管沿着楔形结构产生撕裂，最后在环形凹槽底座的作用下，金属吸能管发生卷曲。本装置采用上述四种吸能方式相结合，将冲击动能进行能量耗散，四种形变模
式及产生的阻抗力皆按照预先设计的进行，整个过程有序可控，金属吸能管的金属材料重复使用了四次，利用率高，吸能效率高。
12.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：
13.所述冲头结构包括上部圆台、下部圆柱体，所述上部圆台的上表面的直径小于所述中部金属管的内径与所述金属吸能管的壁厚的差值，所述上部圆台的圆台锥面角度为1～60
°
，所述下部圆柱体的外径大于所述金属吸能管的外径。
14.所述楔形结构包括多个上窄下宽的三角形刀具，所述三角形刀具的窄端朝向所述冲头结构的上部圆台的方向，多个三角形刀具均匀分布在所述冲头结构的下部圆柱体的圆周外表面，楔形结构能够快速割裂与之接触的金属吸能管的管壁。
15.所述环形凹槽底座包括互相连接的中部圆台、底部环形凹槽，所述底部环形凹槽围绕在所述中部圆台的底部四周，并且底部环形凹槽的底面与中部圆台的底面平齐，环形凹槽底座能够有效的诱导被切割后的金属吸能管发生卷曲形变。
16.所述冲头结构的外表面距离所述变径管结构的内表面的最小距离不小于所述金属吸能管的壁厚，以便金属吸能管在外力作用下能够在冲头结构与变径管结构之间的缝隙中移动。所述冲头结构的上表面位于变径管结构的中部金属管中，利于诱导金属吸能管沿着冲头结构的外表面发生鼓胀变形。
17.所述金属吸能管过盈装配于所述上部金属管中，所述上部金属管的内径在装配前小于所述金属吸能管的外径，所述下部金属管的内径不小于所述冲头结构的外径与受冲击金属的壁厚之和。
18.所述上部金属管与中部金属管之间通过第一斜面或第一圆弧面过渡连接，所述中部金属管与下部金属管之间通过第二斜面或第二圆弧面过渡连接。
19.所述金属吸能管的长度不小于所述变径管结构的顶部至所述环形凹槽底座的底部的垂直距离。
20.还包括金属防爬板，所述金属吸能管的上端固定连接所述金属防爬板，所述金属防爬板的外表面设有防爬齿。
21.所述环形凹槽底座上设有安装孔，金属吸能装置通过安装孔、安装件固定连接在轨道车辆的前端
22.与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：
23.1)本发明的金属吸能装置在工作过程中，金属吸能管在变径管结构、冲头结构、楔形结构及环形凹槽底座的作用下依次经历了收缩、鼓胀变形、撕裂及卷曲变形，金属吸能管的金属材料重复使用了四次，利用率高，吸能效率高。
24.2)本发明的金属吸能装置中的金属吸能管在任一时刻与变径管结构、冲头结构、楔形结构及环形凹槽底座相作用发生的形变模式及产生的阻抗力皆按照预先设计的进行，整个过程有序可控。
25.3)冲击过程中，本发明的金属吸能装置进入稳定状态后，其阻抗力为金属材料的压缩阻抗力、鼓胀变形阻抗力、撕裂阻抗力及卷曲阻抗力之和，阻抗力高，吸能量大。
26.4)本发明的金属吸能管在发生收缩、鼓胀变形、撕裂及卷曲变形过程中表现出的冲击特性皆为初始峰值力低，阻抗力稳定。当金属管进入卷曲形变后，整个金属吸能装置产
生的阻抗力稳定在振幅很小的范围内，比目前主流的金属压溃式吸能结构更加平缓，因此对乘员产生的加速度变化震荡小，对乘员冲击小，更有利于乘员安全保护。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。
28.图1为本发明的金属吸能装置一实施例的外观示意图。
29.图2为本发明的金属吸能装置一实施例的剖视图。
30.图3为四分之一轴向剖切变径管结构后的本发明的金属吸能装置的结构示意图。
31.图4为本发明的金属吸能装置中的冲头结构、楔形结构及环形凹槽底座的结构示意图。
32.图5为本发明的金属吸能装置在工作过程中的四分之一轴向剖切变径管结构后的结构示意图.
33.图6为本发明的金属吸能装置在工作过程中的结构示意图。
34.图7为本发明的金属吸能装置另一实施例的外观示意图。
35.图8为本发明的防爬吸能装置的冲击特性仿真曲线示意图。
36.附图标记：
[0037]1‑
金属吸能管；2
‑
变径管结构；3
‑
冲头结构；4
‑
环形凹槽底座；5
‑
楔形结构；6
‑
安装孔；7
‑
金属防爬板；8
‑
防爬齿；
[0038]
21
‑
上部金属管；22
‑
中部金属管；23
‑
下部金属管；24
‑
第一圆弧面；25
‑
第二圆弧面；
[0039]
31
‑
上部圆台；32
‑
下部圆柱体；
[0040]
41
‑
中部圆台；42
‑
底部环形凹槽。
具体实施方式
[0041]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。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。除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0042]
实施例1
[0043]
本发明至少一个实施例提供一种金属吸能装置，如图1、图2所示，包括金属吸能管1、变径管结构2、冲头结构3、环形凹槽底座4，所述变径管结构2包括依次圆滑过渡连接的上部金属管21、第一圆弧面24、中部金属管22、第二圆弧面25、下部金属管23。所述上部金属管
21的内径大于中部金属管22的内径且小于下部金属管23的内径，所述金属吸能管1过盈装配于所述上部金属管21中，上部金属管21的内径在装配前小于所述金属吸能管1的外径。金属吸能管1一端初始位于变径管结构2中，其端部与变径管结构2的上部金属管21底部平齐，可在外部工装辅助下过盈装配于上部金属管21中。
[0044]
所述下部金属管23的内径不小于所述冲头结构3的外径与受冲击金属的壁厚之和。所述金属吸能管1的长度不小于所述变径管结构2的顶部至所述环形凹槽底座4的底部的垂直距离。上部金属管21主要起初始固定支撑金属吸能管1的作用，中部金属管22可诱导金属吸能管1发生径向收缩形变，变径管结构的三段可以一体加工而成，也可分段加工后焊接在一起。
[0045]
结合图3、图4、图5，所述冲头结构3位于所述变径管结构2的下部腔体中，所述冲头结构3的外周通过楔形结构5与所述变径管结构2相连接；所述冲头结构3包括上部圆台31、下部圆柱体32，所述上部圆台31的上表面的直径小于所述中部金属管22的内径与所述金属吸能管1的壁厚的差值，所述上部圆台31的圆台锥面角度为1～60
°
，上部圆台31的上表面位于变径管结构2的中部金属管22中，所述下部圆柱体32的外径大于所述金属吸能管1的外径，所述冲头结构3的外表面距离所述变径管结构2的内表面的最小距离不小于所述金属吸能管1的壁厚，以便金属吸能管1在外力作用下能够在缝隙中移动。当金属吸能管1从中部金属管22挤压出来后，上部圆台31能够伸入金属吸能管1中，诱导金属吸能管1沿着上部圆台31的锥面移动及发生鼓胀形变。
[0046]
楔形结构5为多个上窄下宽的三角形刀具，所述三角形刀具的窄端朝向所述冲头结构3的上部圆台31的方向，多个三角形刀具均匀分布在所述冲头结构3的下部圆柱体32的圆周外表面，三角形刀具的数量为4～20个，优选为本实施例中数量为8个，楔形结构5能够快速割裂与之接触的金属吸能管1的管壁。
[0047]
如图2、图4所示，所述环形凹槽底座4固定连接在所述冲头结构3的底部，所述环形凹槽底座4包括互相连接的中部圆台41、底部环形凹槽42，所述底部环形凹槽42位于所述中部圆台41的底部四周，并与中部圆台41的底面平齐。所述环形凹槽底座4上设有安装孔6，金属吸能装置通过安装孔6、安装件固定连接在轨道车辆的前端。
[0048]
一般的，所述金属吸能管1的外径为1～500mm，壁厚为2～100mm，变径管结构2的壁厚为2～20mm，上部金属管21的内径比金属吸能管1的外径小0.2～2mm，中部金属管22的内径比上部金属管21的内径小，下部金属管23的内径大于上部金属管21的内径，且不小于冲头结构3的最大外径与金属吸能管1的壁厚之和；本实施例中所示的金属吸能管的外径为200mm，壁厚为4mm,，上部金属管内径为199mm，中部金属管内径为180mm,下部金属管内径为260mm，冲头结构的上部圆台的上表面直径为160mm，圆柱直径为220mm。
[0049]
本技术文件中使用的“上”、“下”、“上部”、“中部”“下部”等描述仅表示相对位置关系，用于方便地描述图1至图6所示的本发明的金属吸能装置的相对位置关系。实际使用时本发明的位置与图1至图6所示的位置相垂直，本发明的金属吸能装置需要通过安装座上的安装孔安装在轨道车辆的前端两侧。因此，当安装于车体上时，金属吸能管、变径管结构、冲头结构与环形凹槽底座之间的相对位置关系相应地改变。本文所述的轴向指车辆的前进方向，在图1至图6中体现为竖直方向。
[0050]
结合图5、图6，本发明的金属吸能装置的工作原理如下：
[0051]
本装置主要通过金属吸能管2依次发生压缩、鼓胀变形、撕裂以及卷曲变形等弹塑性变形进行冲击能量耗散。一定质量和速度的物体撞击金属吸能管1后，位于变径管结构2上部的上部金属管21中的金属吸能管1在外力作用下沿着变径管结构2的中部金属管22发生轴向收缩形变，金属吸能管1的直径变小；随着冲击的进行，从变径管结构2的中部金属管22中挤压出来的金属吸能管1的端部与冲头结构3的上部圆台31相接触，在上部圆台31的诱导下，金属吸能管1沿着冲头结构3的外表面移动，并发生鼓胀变形；当受金属吸能管1的端部运动到位于冲头结构3外表面的楔形结构5时，在楔形结构5作用下，与楔形结构5接触的部分鼓起，随后发生撕裂现象，此时金属吸能管1通过楔形结构5的部分被一定数量的楔形结构5均匀分割；随着冲击的进行，撕裂后的金属吸能管1沿着环形凹槽底座4的中部圆台41的表面移动，进入到位于中部圆台41底部的底部环形凹槽42中，发生卷曲变形。在整个冲击过程中，金属吸能管1依次产生了金属材料的径向压缩、鼓胀变形、撕裂及卷曲变形等弹塑性变形。同时金属吸能管2在运动过程中与变径管结构2、冲头结构3、楔形结构5及环形凹槽底座4的表面发生摩擦，通过这些方式把冲击动能进行能量耗散。
[0052]
实施例2
[0053]
本发明的金属吸能装置的另一实施例如图7所示，实施例2在实施例1的基础上增加了金属防爬板，金属防爬板7固定连接在金属吸能管1的上端，且金属防爬板7的外表面设有防爬齿8。在碰撞发生时，相对接触的防爬齿之间发生啮合，能够有效抑制机构垂向运动。
[0054]
图8为金属吸能管壁厚为5mm的本发明的防爬吸能装置的冲击特性仿真曲线示意图，其中横坐标表示金属吸能管1(或金属防爬板7)移动的位移，纵坐标表示冲击力的大小(等于阻抗力的大小)。由图可知，当金属吸能管1端部的金属材料已经完成卷曲变形阶段(即进入稳定状态，对应图中的p点)后，其阻抗力的数值也基本稳定，其阻抗力为金属材料的压缩阻抗力、鼓胀变形阻抗力、撕裂阻抗力及卷曲阻抗力之和，阻抗力高，装置的吸能量大。
[0055]
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技术所附权利要求所限定的范围。