一种多级吸能结构的制作方法

1.本发明属于轨道车辆吸能技术领域，尤其是涉及一种多级吸能结构的设计。


背景技术：

2.目前国内城市轨道车辆多依靠车钩、刨削式压溃管等吸能元件进行吸能，车体前端结构只吸收小部分的能量，具体见图1常规式一级吸能结构。由于列车间距以及车辆限界等条件的限制，车钩等吸能元件吸收的能量非常有限，最多能仅能满足25km/h的碰撞要求。稳定性较差，且不能满足较高速度下碰撞的能量吸收要求。不同项目的碰撞安全性设计及验证要求差别较大，通常情况下地铁列车通常为6～8辆编组，其碰撞等级仅满足en15227规定的c
‑
ii等级，关于碰撞等级具体要求见表1。
3.表1en15227碰撞等级要求
[0004][0005]
随着轨道运输的发展，车辆运量需求不断地增加，列车的编组数量以及载客量也随之提高。因此车辆前端结构吸能成为提高车辆被动安全保护性能的主要研究目标，车辆前端的碰撞变形能量吸收结构主要以研究底架端部结构为主。


技术实现要素：

[0006]
本发明的目的是改进吸能结构，提升吸收能量值，提高列车的碰撞等级。
[0007]
为达到上述目的，本发明提供一种多级吸能结构，其特征在于：包括第一级吸能区和第二级吸能区，第一级吸能区设置于防爬齿之后，第二级吸能区设置在第一级吸能区和车钩安装座之间，两级吸能区内均设有压溃箱，其中第一级吸能区的压溃箱的断面为矩形的变截面，位于吸能区两侧；第二级吸能区的压溃箱有两种结构，一种是外侧两个长方体压溃箱作为主体承载，另一种是内侧两个梯形棱台压溃箱作为辅助承载，所述的所有压溃箱结构主要由外箱体、箱芯和隔板焊接而成，每个箱体侧面设有压溃孔，所有压溃箱的外箱体厚度3
‑
5mm；箱芯厚度5
‑
6mm；隔板厚度3
‑
5mm。
[0008]
进一步地，第二级吸能区两个长方体压溃箱与第一级吸能区断面为矩形的变截面箱体中心相对应，以保证一级压溃载荷最大程度上直接传递至二级压溃箱。
[0009]
进一步地，所述的两个梯形压溃箱上底朝前对称设置，为车钩摆动提供充足的空间。
[0010]
进一步地，防撞梁厚度为8
‑
10mm，可以抵抗4000kn以下的冲击力，对后部结构起到了保护作用。
[0011]
根据有限元仿真计算，通过上述数值的搭配，外箱体以及箱芯的厚度决定了碰撞过程中的平台力值在2000kn范围，即满足了吸收的能量值也对车体后部起到了保护。
[0012]
经过结构分析和计算验证，本发明相比现有技术取得了明显进步，此种吸能元件有很好的吸能能力，并且可以改变内部结构来提高压溃过程中的力值来获得更大的能量吸收范围；这种吸能结构在垂向和横向刚度上更加稳定，有利于吸能变形过程完整的进行。下面是通过仿真计算的模拟验证结果以及计算数值。
[0013]
本发明满足以36km/h速度行驶的10节车厢与同样的另一列车相撞，乘客区生存空间的塑性应变不超过10％，最大平均减速2.2g，低于5g的要求。相比较现有25km/h一级吸能结构车辆，其碰撞速度有了很大提高。
[0014]
本发明满足10节车厢以80km/h的速度碰撞在一个15t的可变形障碍物上，乘客区生存空间的塑性应变不超过10％，最大平均减速5.8g，低于7.5g的要求。相比较现有25km/h一级吸能结构车辆，其列车的安全性提高。
附图说明
[0015]
图1a和图1b为常规一级吸能形式示意图；
[0016]
图2为本发明整体示意图；
[0017]
图3为本发明的一级吸能单元示意图；
[0018]
图4为本发明的二级矩形吸能单元示意图；
[0019]
图5为本发明的二级梯形吸能单元示意图。
具体实施方式
[0020]
如图2所示，整个吸能结构分为第一级吸能区ⅰ、防撞梁ⅱ、第二级吸能区ⅲ三大部分。按吸能的顺序来区分，第一级吸能区位于最前端，包括两个带有防爬齿2的压溃箱3，该压溃箱断面为矩形的变截面箱体，通过截面均匀的增加来提高压溃力值。第一级吸能区后是防撞梁ⅱ，厚度在8
‑
10mm，采用高强碳钢板箱型插接焊接，防撞梁作为中间过渡元件，可将第一级吸能区撞击后的能量向第二级吸能区域平稳传递。第一级吸能区包含两种压溃箱，其中长方体压溃箱5作为主体承载，梯形棱台压溃箱6作为辅助承载，用来稳定压溃过程以及提高压溃过程中的平台力。所述的两个梯形棱台压溃箱上底朝前对称设置，为车钩摆动提供充足的空间。根据压溃力值的分布，第二吸能区两个长方体压溃箱5与第一级吸能区断面为矩形的变截面箱体3前后相对应。压溃箱结构主要由外箱体、隔板和箱芯焊接而成，每个箱体上下面设有长圆形压溃孔，在压溃中起导向力作用，并降低压溃力的峰值。
[0021]
参照图3，第一级吸能区压溃箱的外箱体7厚度在3
‑
5mm；箱芯8厚度在5
‑
6mm；隔板9厚度在3
‑
5mm。
[0022]
参照图4，第二级吸能区长方体压溃箱的外箱体10厚度在3
‑
5mm；箱芯11厚度在5
‑
6mm；隔板12厚度在3
‑
5mm。
[0023]
参照图5，第二级吸能区梯形棱台压溃臬的外箱体13厚度在3
‑
5mm；箱芯14厚度在3
‑
5mm；隔板15厚度在5
‑
6mm。
[0024]
第二级吸能区压溃箱除板厚和外形尺寸有所区别，其工作原理同第一级吸能区压溃箱是相同的。
[0025]
当车辆发生碰撞时，撞击的能量沿防爬器2到压溃箱结构3，当第一级压溃箱3压溃至极限时，压溃力上升到最大值，此时通过防撞梁组成4到第二级吸能区开始工作，直至二级吸能区的边梁1、压溃箱5和6，当第二级吸能区压溃箱压溃至极限时，车体端部变形至最大程度，能量吸收完毕。
[0026]
本发明吸能结构以可控制的方式顺次传递和造成塑性形变破坏。通过计算和试验验证，各种外箱体与内部的隔板材质和板厚的优化组合配置使得本结构最大限度的提高了列车的被动安全保护性能。


技术特征：
1.一种多级吸能结构，其特征在于：包括第一级吸能区和第二级吸能区，第一级吸能区设置于防爬齿之后，第二级吸能区设置在第一级吸能区和车钩安装座之间，两级吸能区内均设有压溃箱，其中第一级吸能区的压溃箱的断面为矩形的变截面，位于吸能区两侧；第二级吸能区的压溃箱有两种结构，一种是外侧两个长方体压溃箱作为主体承载，另一种是内侧两个梯形棱台压溃箱作为辅助承载，所述的压溃箱结构主要由外箱体、箱芯和隔板焊接而成，每个箱体侧面设有压溃孔，所有压溃箱的外箱体厚度3
‑
5mm；箱芯厚度5
‑
6mm；隔板厚度3
‑
5mm。2.根据权利要求1所述的一种多级吸能结构，其特征在于：第二级吸能区两个长方体压溃箱与第一级吸能区断面为矩形的变截面箱体中心相对应。3.根据权利要求1所述的一种多级吸能结构，其特征在于：所述的两个梯形压溃箱上底朝前对称设置。4.根据权利要求1所述的一种多级吸能结构，其特征在于：防撞梁厚度为8
‑
10mm。

技术总结
一种多级吸能结构，第一级吸能区设置于防爬齿之后，第二级吸能区设置在第一级吸能区和车钩安装座之间，其中第一级吸能区的压溃箱的断面为矩形的变截面，位于吸能区两侧；第二级吸能区的压溃箱有两种结构，一种是外侧两个长方体压溃箱作为主体承载，另一种是内侧两个梯形棱台压溃箱作为辅助承载。根据有限元仿真计算，外箱体以及箱芯的厚度决定了碰撞过程中的平台力值在2000KN范围，即满足了吸收的能量值也对车体后部起到了保护。本发明可以改变内部结构来提高压溃过程中的力值来获得更大的能量吸收范围；这种吸能结构在垂向和横向刚度上更加稳定，有利于吸能变形过程完整的进行，仿真模拟验证其碰撞速度有了很大提高，列车的安全性提高。全性提高。全性提高。


技术研发人员：李刚 孙泽 张春林 石磊
受保护的技术使用者：中车长春轨道客车股份有限公司
技术研发日：2021.09.18
技术公布日：2021/12/30