一种轨道车辆车体结构及轨道列车的制作方法

1.本发明涉及轨道车辆车体结构及轨道列车。


背景技术：

2.从1980年代开始，以机车牵引的uic-z型车厢被广泛运用在欧洲160～200km/h的线路上。由于目前欧洲地区发布了tsi标准，新开发的uic-z型车厢只有通过tsi认证才能上线运营。tsi标准要求车体不仅要满足强度要求，还要满足en15227标准规定的防撞性要求。国际铁路联盟uic系列标准多年未更新，对车体只有强度要求，无防撞性要求。经分析，uic567-2规定了车端距300mm，uic528规定了缓冲器突出车体端墙为150mm，除去弹性行程110mm，只有40mm塑性变形行程，缓冲器吸能太少，不能满足en15227防撞性要求，且受车端距的限制，无法加长缓冲器突出端墙的长度，即传统的uic-z型车厢车体不能满足tsi标准规定的防撞性要求。
3.中国发明专利cn1394778公开了铁路客运列车耐冲击吸能车体，利用车体头部和车体端部的非载人区作为塑性变形吸能结构。中国发明专利cn1669855a公开了用于耐冲击吸能列车车体的底架，利用底架外端部至底架枕梁之间的非载人区作为塑性变形吸能结构。但上述技术方案存在以下不足：1、车体外端至枕梁之间作为吸能结构，非载人区较大，减少了载客量，不满足用户大载客量要求，也不适用于端部无卫生间的车辆；2、未考虑车辆防爬要求。中国发明专利cn104512429a公开了一种轨道车辆的端墙结构及其加工方法，其利用端墙结构发生塑性变形吸能，存在以下不足：1、不适用于无缓冲梁的车体；2、不适用需安装链子钩和缓冲器的车体；3、未考虑车辆防爬要求。中国发明专利cn106672000a公开了客车室吸能区和轨道车辆，其利用端墙与闸墙之间的压溃吸能装置吸能，存在以下不足：1、需要增加一个闸墙，闸墙不仅增加较多重量，而且占用了客室空间，减少了载客量；2、不适用需安装缓冲器的车体；3、未考虑车辆防爬要求。
4.中国发明专利cn106240587公开了一种轨道车辆车头结构，其通过司机室前端结构的加强及一、二级止挡结构的设置使塑性变形吸能被控制在司机室前门的前端，但显然，这种吸能结构仅适于头车车体，不能用于中间车车体，且其二级止挡结构的后方仅依靠车体底架支撑，其防撞性能有限。
5.随着社会的发展，人们对车辆舒适度、列车安全等方面的需求不断提高。如何在车体主要尺寸满足uic 567-2标准规定的前提下合理地设计车体端部的吸能结构，在尽量减小非载人区的目标下实现车体的防撞性能满足en15227标准要求，是一个亟待解决的技术难题。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题是，针对现有车体吸能结构的非载人区较大，不满足en15227标准要求的不足，本发明提供一种能尽量减小非载人区，且车体的防撞性能更高的轨道车辆车体结构及轨道列车。
7.为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：
8.一种轨道车辆车体结构，其包括位于车体端部的端墙、位于端墙与近端墙的门立柱之间的端侧墙、位于端侧墙及门区顶部的端顶盖、安装于端墙外表面的防爬装置、位于车体底架端部的底架端部结构、底架边梁和安装在底架端部结构前面的缓冲器；
9.所述缓冲器、防爬装置、端墙、端侧墙、底架边梁沿车体的纵向方向从车体端部往中间依次设置，所述底架端部结构位于所述端顶盖的下面，所述防爬装置、端墙和底架端部结构连接在一起形成框架承载结构，且车体从端部至中间依次形成纵向刚度逐级递增的弹塑性变形区、塑性变形区和弹性变形区；
10.所述弹塑性变形区为所述缓冲器端头至所述防爬装置之前的区域，所述塑性变形区为所述端墙至近端墙的门立柱之间的区域，所述弹性变形区为客室载客区，且所述弹性变形区位于车体两端的所述塑性变形区之间；
11.所述弹性变形区与所述塑性变形区的连接处位于近端墙的门立柱处，且所述近端墙的门立柱处设置用于阻止车体继续变形的变形止挡结构，所述底架端部结构连同所述底架边梁一起支撑所述变形止挡结构；
12.当车体发生撞车时，所述弹塑性变形区、塑性变形区依次产生变形，至变形止挡结构时，变形终止。
13.本发明通过在底架的端部设置底架端部结构，并利用底架端部结构、端顶盖、端侧墙、端墙、缓冲器、防爬装置形成纵向刚度逐级递增的弹塑性变形区、塑性变形区和弹性变形区，且将弹性变形区与塑性变形区的连接处设置变形止挡结构，底架端部结构连同底架边梁一起支撑变形止挡结构，这样使得本发明不仅充分利用车体端部空间实现了车体防撞吸能，增大了客室载客区，而且提高了车体端部的防撞力和变形吸能能力，同时集成了车辆防爬功能，使车体在发生意外撞车的情况下可有序、可控的发生塑性变形吸能，保护客室乘客的安全。
14.优选地，所述端墙包括用于形成端墙门洞的端墙立柱、用于连接端墙及侧墙的角立柱、位于所述端墙立柱与所述角立柱之间的中间立柱和下横梁、位于所述端墙立柱和所述角立柱顶部的主横梁、在主横梁上方纵横交错连接的上横梁和上立柱、连接两侧角立柱的端墙弯梁组装，且所述端墙立柱、角立柱、中间立柱、下横梁、主横梁、上横梁、上立柱和端墙弯梁组装形成框架结构。
15.优选地，所述防爬装置包括防爬板、支撑梁、支撑立柱和支撑连接梁，所述支撑梁、支撑连接梁、支撑立柱连接形成框架支撑结构，所述防爬板安装在所述框架支撑结构上，且所述支撑梁的上侧与所述端墙的中间立柱连接，所述支撑梁和支撑连接梁的一端与所述端墙的角立柱连接，另一端与所述端墙的端墙立柱连接，所述端墙立柱与所述支撑连接梁连接后与所述地板连接。
16.优选地，所述底架端部结构包括依次设置的支撑筋、安装板及底架端梁，所述安装板和所述底架端梁之间经楼梯结构、连接板和h形梁连接，所述h形梁连接所述安装板和所述底架端梁的中部，且所述h型梁的两侧分别经所述连接板连接所述楼梯结构，所述底架端梁的两端分别与所述底架边梁相连。如此，本发明将底架端部结构上安装板的支撑结构和楼梯结构上下乘客的功能需求合二为一，从而减少了车体端部占用客室的空间。
17.优选地，所述支撑筋具有多个，分别尽量位于端墙的角立柱及端墙立柱的下方，且
中部的所述支撑筋对齐所述h型梁的端部设置，以使端墙的塑性变形经角立柱、端墙立柱、支撑筋直接传递给安装板，在安装板后方的支撑结构支撑下，使塑性变形在安装板处终止。
18.优选地，相邻的所述支撑筋之间通过地板连接，且中部的两个所述支撑筋之间的地板上开设诱导口，以方便变形主要经h型梁传递。
19.优选地，所述底架端梁、所述底架边梁及所述楼梯结构的上表面齐平，所述楼梯结构的楼梯端板的下部与所述底架边梁的下表面之间设置支撑座。
20.优选地，所述楼梯结构包括位于楼梯两端的楼梯端板、用于形成台阶面板的台阶板、位于第一级台阶底部的底板、设置在所述缓冲器的安装孔中间的竖板、用于连接所述底板和所述竖板的斜板，近缓冲器端的所述楼梯端板上设有缓冲器安装孔，所述竖板经所述连接板连接所述h形梁，所述台阶板与所述底板、斜板、竖板和连接板组成多腔箱型结构，且所述楼梯端板直接连接所述安装板，同时所述门立柱延伸至所述楼梯结构的底部，所述楼梯端板直接作为所述门立柱的封板。
21.优选地，所述端墙的端墙立柱与所述支撑筋对齐，且所述支撑筋对齐所述h型梁的端部。
22.基于同一发明构思，本发明还提供了一种轨道列车，其包括所述的轨道车辆车体结构。
23.本发明轨道车辆车体结构主要由端顶盖、端墙、防爬装置、底架端部结构、端侧墙、底架边梁和缓冲器组成，车体纵向刚度按弱-较强-强设计，依次对应弹塑性变形区、塑性变形区和弹性变形区。弹塑性变形区为缓冲器端头至防爬板之前的区域，塑性变形区为端墙至门立柱之间的区域。弹性变形区为客室载客区，位于两端塑性变形区之间，弹性变形区与塑性变形区连接处设变形止挡结构。
24.端墙主要由端墙立柱、角立柱、中间立柱、下横梁、主横梁、上横梁、上立柱、端墙弯梁组装和端墙板组成。端墙立柱、角立柱、中间立柱、下横梁、主横梁、上立柱和端墙弯梁组装形成框架结构，在端墙上部框架内增加上横梁，提高局部刚度，抑制端墙板焊接变形，以提高端墙平整度。端墙弯梁组装采用矩形结构，由u型弯梁和圆弧板组成。角立柱和端墙立柱采用矩形结构，由2个l形梁组成。
25.防爬装置主要由防爬板、支撑梁、支撑立柱和支撑连接梁组成。防爬板至少3个齿，以保证两辆车的防爬啮合效果。防爬板与支撑梁和支撑连接梁通过支撑立柱连接形成的框架支撑结构连接。端墙与防爬装置连接形成一个倒u形框架结构，倒u形框架结构强度好、刚度大，作为车辆防爬的支撑结构和车体塑性变形区的启动结构。
26.为减少客室空间占用量，将缓冲器安装板的强度要求和楼梯结构上下乘客的功能需求合二为一设计，安装板与楼梯端板直接相连，门立柱延伸至楼梯结构底部，与楼梯端板形成矩形立柱，增强车体侧墙门洞区域的强度和刚度。
27.底架端部结构主要由支撑筋、地板、安装板、楼梯结构、底架端梁、连接板、h形梁和支撑座组成。支撑筋尽量与端墙立柱对齐并在位于端墙立柱与安装板之间的区域开诱导孔。通过楼梯结构、连接板和h形梁将安装板与底架端梁和底架边梁相连，形成一个整体框架承载结构，该结构可以作为变形止挡结构安装板的支撑结构。为缓解楼梯结构与底架边梁和底架端梁连接处刚度突变带来的应力集中，通过支撑座过渡。当缓冲器受到外力作用时，力可通过h形梁和楼梯结构传递到底架端梁，再通过底架端梁传递到底架边梁。楼梯结
构主要由楼梯端板、台阶板、底板、斜板和竖板组成。竖板设置在缓冲器紧固件的中间。台阶板与底板、斜板、竖板和连接板组成多腔箱型结构，提高了楼梯处的强度和刚度，便于缓冲器的力通过楼梯结构传递。
28.端侧墙主要由门立柱、侧墙横梁、连接立柱和侧墙板组成。门立柱采用矩形结构，由宽口u型梁和封板组成。侧墙横梁两端分别连接门立柱和连接立柱，形成楼梯式框架结构，侧墙横梁采用帽形或u形，侧墙横梁两侧根据设计需求开变形诱导孔，在梁内装入吸能元件，然后与侧墙板连接形成端侧墙。
29.端顶盖主要由顶盖边梁、端纵梁、圆弧板、连接弯梁、顶盖弯梁和顶盖过渡弯梁组成。连接弯梁、顶盖弯梁和顶盖过渡弯梁的侧面与端纵梁相连，连接弯梁、顶盖弯梁和顶盖过渡弯梁的两端与顶盖边梁相连形成弧形整体骨架，端纵梁采用采用帽形或u形，在靠近端墙的端纵梁内装入吸能元件，然后与与圆弧板连接形成端顶盖。顶盖弯梁和顶盖过渡弯梁分别与门立柱对齐。支撑筋、地板、侧墙横梁、侧墙板、顶盖边梁、端纵梁、圆弧板和吸能元件100组成车体塑性变形区。顶盖弯梁、门立柱与安装板形成的环状结构，可作为车体塑性变形区变形结束的止挡。通过门立柱和角立柱的形状设计，可实现车体宽度逐渐收窄至车体端墙宽度的变截面设计，从而满足一些国家车辆限界较小的要求。
30.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
31.1、本发明的轨道车辆车体结构能满足en12663标准静强度载荷要求和en 15227标准防撞性要求，同时车辆具有防爬功能，提高了车辆的被动安全性和客室载客量，增强了车辆的市场竞争力。
32.2、本发明的轨道车辆车体结构，结构简单，重量轻，强度高，防撞性好，具有良好的经济效益和社会效益。
附图说明
33.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
34.图1为本发明车体结构的立体结构图。
35.图2为本发明车体结构的正视图。
36.图3为端墙结构示意图。
37.图4为防爬装置示意图。
38.图5为图2中的a-a剖视图。
39.图6为底架端部结构的仰视结构示意图。
40.图7为图2中的b-b剖视图。
41.图8为端顶盖与端墙的连接结构示意图。
42.在图中：1-端顶盖，11-顶盖边梁，11a-诱导孔，12-端纵梁，13-圆弧板，14-连接弯梁，15-顶盖弯梁，16-顶盖过渡弯梁；
43.2-端墙，21-端墙立柱，22-角立柱，23-中间立柱，24-下横梁，25-主横梁，26-上横梁，27-上立柱，271-塞焊孔，28-端墙弯梁组装，29-端墙板；
44.3-防爬装置，31-防爬板，32-支撑梁，33-支撑立柱，34-支撑连接梁，341-l形梁，342-连接梁，342a-搭接台，342b-搭接面；
45.4-底架端部结构，41-支撑筋，42-地板，42a-诱导口，43-安装板，44-楼梯结构，441-楼梯端板，442-台阶板，443-底板，444-斜板，445-竖板，45-底架端梁，451-前板，452-c型梁，46-连接板，461-减重孔，47-h形梁，48-支撑座；
46.5-端侧墙，51-门立柱，52-侧墙横梁，53-连接立柱，54-侧墙板；
47.6-底架边梁，7-缓冲器，71-紧固件，100-吸能元件。
具体实施方式
48.以下结合具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
49.为了便于描述，各部件的相对位置关系，如：上、下、左、右等的描述均是根据说明书附图的布图方向来进行描述的，并不对本专利的结构起限定作用。
50.如图1、图2所示，本发明轨道车辆车体结构一实施例主要由位于车体端部的端墙2、位于端墙2与近端墙的门立柱51之间的端侧墙5、位于端侧墙51及门区顶部的端顶盖1、安装于端墙2外表面的防爬装置3、底架端部结构4、底架边梁6和安装在底架端部结构前面的缓冲器7组成，所述缓冲器7、防爬装置3、端墙2、端侧墙5、底架边梁6沿车体的纵向方向从车体端部往中间依次设置，所述底架端部结构4位于所述端顶盖1的下面，所述防爬装置3、端墙2和底架端部结构4连接在一起形成框架承载结构，使车体纵向刚度按弱-较强-强设计，依次对应弹塑性变形区l1、塑性变形区l2和弹性变形区。弹塑性变形区l1为缓冲器7端头至防爬装置3之前的区域。塑性变形区l2为端墙2至近端墙的门立柱51之间的区域。弹性变形区为客室载客区，位于两端塑性变形区l2之间。弹性变形区与塑性变形区l2连接处设置由顶盖弯梁15、门立柱51与底架端部结构4的安装板43形成的环状变形止挡结构。
51.图3为端墙结构示意图。端墙2主要由端墙立柱21、角立柱22、中间立柱23、下横梁24、主横梁25、上横梁26、上立柱27、端墙弯梁组装28和端墙板29组成。主横梁25和端墙弯梁组装28连接组成一封闭结构，并在内部纵横交错设置上立柱27和上横梁26，形成端墙上部的框架。端墙弯梁组装28的横截面采用矩形结构，由u型弯梁和圆弧板组成。上立柱27的横截面采用u形，其开口朝向车内，底部开设用于与端墙板29连接的塞焊孔271，且上立柱27尽量与端墙立柱21对齐。上横梁26的横截面采用z形，以提高端墙上部局部刚度，抑制焊接变形，提高端墙板29的平整度。端墙立柱21、角立柱22和中间立柱23的一端与主横梁25连接，端墙立柱21、角立柱22和中间立柱23之间通过下横梁24连接。端墙2与防爬装置3整体形成一个倒u形框架结构。
52.图4为防爬装置示意图。防爬装置主要由防爬板31、支撑梁32、支撑立柱33和支撑连接梁34组成，所述支撑梁32、支撑连接梁34、支撑立柱33连接形成框架支撑结构，所述防爬板31安装在所述框架支撑结构上。防爬板31由厚板加工出至少3个齿，以保证两辆车的防爬啮合效果。支撑立柱33的数量根据防爬板31长度确定。支撑连接梁34由l形梁341和连接梁342组成矩形结构梁，增大局部强度和刚度。支撑梁32上侧与端墙2的中间立柱23连接，支撑梁32和支撑连接梁34的一端与端墙2的角立柱22连接，另一端与端墙2的端墙立柱21连接，端墙立柱21连接处的形状与支撑连接梁342端头一样且与搭接台342a和搭接面342b固
定，再与地板42连接。至此，防爬装置3与端墙2和底架端部结构4有机的连接在一起形成框架承载结构，防爬装置3可承受意外撞车时的纵向碰撞力和垂向防爬力。
53.图5为图2中的a-a剖视图。端侧墙5主要由门立柱51、侧墙横梁52、连接立柱53和侧墙板54组成，门立柱51、侧墙横梁52、连接立柱53、底架边梁6及顶盖边梁11连接形成端侧墙框架，侧墙板54焊接在端侧墙框架上。门立柱51采用矩形结构，由宽口u型梁和封板组成，并延伸至台阶板442上。侧墙横梁52两端分别连接门立柱51和连接立柱53，形成楼梯式框架结构。侧墙横梁52采用帽形或u形，其开口朝向车外，在开口处装入吸能元件100(铝蜂窝或泡沫铝等)后，与侧墙板54连接，由于吸能元件100只在一个方向刚度较好，其它方向刚度较弱，本发明通过侧墙横梁52提供强度、刚度，以保证吸能元件100按照设计路径有序、可控的变形吸能，并在侧墙横梁52的帽形两侧根据设计需求开设变形诱导孔。角立柱22采用矩形结构，由2个l形梁组成。如图5中b箭头所指之处(底架端梁45处)，车体宽度为l3，通过如上所述门立柱51和角立柱22的形状结构设计，可实现车体宽度从l3逐渐收窄至车体端墙宽度l4，从而满足欧洲车辆限界的要求。
54.端墙板29通过折弯同侧墙板54一起搭在角立柱22的侧墙板连接面上，连接可靠，方便现场调节，且通过端墙板29的折弯圆弧提高了车体外形的美观。侧墙板54内部通过连接立柱53与角立柱22相连。由于端墙立柱21需满足贯通道安装及承受端墙压缩工况，因此端墙立柱21采用大矩形结构，由2个l形梁组成。端墙2通过角立柱22、支撑连接梁34和端墙立柱21与地板42连接，地板42中间设矩形诱导口42a，大小满足tsi1302规定的伯尔尼矩形要求。
55.为减少车体端部占用客室的空间，将底架端部结构4上的安装板43的支撑结构和楼梯结构44上下乘客的功能需求合二为一，安装板43与楼梯端板441相连，门立柱51延伸至楼梯结构44底部，并利用楼梯端板441作为门立柱51的封板形成矩形立柱，以增强车体门洞的刚度。
56.图6为底架端部结构示意图。底架端部结构4主要支撑筋41、地板42、安装板43、楼梯结构44、底架端梁45、连接板46、h形梁47和支撑座48组成。支撑筋41的上部设置用于支撑端墙2、端侧墙5的支撑平台，底部设计成弧形结构，且两支撑筋41之间经地板42和安装板43相连。支撑筋41设置多个，并尽量与端墙立柱21或角立柱22对齐，且在位于端墙立柱21与安装板43之间的地板上开变形诱导口42a。通过楼梯结构44、连接板46和h形梁47将安装板43和底架端梁45连接，连接板46两侧连接楼梯结构44和h形梁47，底架端梁45两端分别与底架边梁6相连，从而形成一个整体框架承载结构，该结构不仅可以增强门洞区域的强度和刚度，还可以作为安装板43的支撑结构，将支撑筋41和地板42的塑性变形限制在安装板43处。连接板46可根据需求开减重孔。h形梁47的一端以一定角度张开，与支撑筋41相对。底架端梁45采用矩形结构，由前板451和c型梁452组成，其中前板451同时作为楼梯结构一端的楼梯端板，形状同楼梯结构44断面。由于楼梯结构44比底架边梁6和底架端梁45高，为缓解刚度突变带来的应力集中，通过支撑座48过渡。安装板43用来安装缓冲器7。当缓冲器7受到外力作用时，力可通过h形梁47和楼梯结构44传递到底架端梁45，再通过底架端梁45传递到底架边梁6。
57.图7为图2中的b-b剖视图。楼梯结构44主要由楼梯端板441、台阶板442、底板443、斜板444和竖板445组成。楼梯端板441上开设缓冲器7安装用的螺栓孔。台阶板442由2个l形
板组成。竖板445设置在缓冲器7的紧固件71的中间。连接板46连接竖板445和h形梁47，且与台阶板442对齐。台阶板442与底板443、斜板444、竖板445和连接板46组成多腔箱型结构，提高了楼梯处的强度和刚度，便于缓冲器7的力通过楼梯结构44传递。
58.图8为端顶盖与端墙的连接示意图。端顶盖1主要由顶盖边梁11、端纵梁12、圆弧板13、连接弯梁14、顶盖弯梁15和顶盖过渡弯梁16组成。连接弯梁14、顶盖弯梁15和顶盖过渡弯梁16沿车体纵向从车体端部往中间依次设置，且连接弯梁14、顶盖弯梁15和顶盖过渡弯梁16的侧面分别与沿车体纵向设置的端纵梁12相连，连接弯梁14、顶盖弯梁15和顶盖过渡弯梁16的两端分别与顶盖边梁11相连形成弧形整体骨架，并在处于端墙2与顶盖弯梁15之间的顶盖边梁11区域上开变形诱导孔11a。端纵梁12采用帽形或u形，开口朝向车外，在靠近端墙2的端纵梁12内装入吸能元件100，然后端纵梁12通过其开口与圆弧板13连接形成端顶盖1。端墙板29通过折弯搭在端墙弯梁组装28的侧面和上表面上，端墙弯梁组装28的上表面同时搭接圆弧板13，以方便现场调节，且通过端墙板29折弯成圆弧搭在端墙弯梁组装28上提高了车体外形的美观度。端顶盖1的下侧通过连接弯梁14与端墙弯梁组装28相连。顶盖弯梁15和顶盖过渡弯梁16分别与两个门立柱51对齐。至此，形成了具有端部吸能的车体结构。
59.当车体发生意外撞车时，如图2所示，缓冲器7首先开始接触，并发生可恢复的弹性变形，弹性变形结束后发生塑性变形直至弹塑性变形区l1的末点，接着防爬装置3开始接触，两车体的防爬板31相互啮合，防止车体出现爬车现象，避免出现由于爬车引起的二次碰撞伤害。防爬装置3发生一定的塑性变形后，两车的车体端墙2开始接触，端墙2由于强度和刚度较大，端墙2作为车体塑性变形的启动结构，推着由支撑筋41、地板42、侧墙横梁52、侧墙板54、顶盖边梁11、端纵梁12、圆弧板13和各部件内部的吸能元件100组成的吸能结构有序、可控的发生变形，直至达到由顶盖弯梁15、门立柱51与安装板43形成的环状变形止挡结构终止。如此，使得本发明车体的防撞性能满足en15227标准要求，能实现保护客室乘客安全的目的。
60.以上所述，仅为本发明的具体实施方案，但本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。