一种组合式吸能防爬装置的制作方法

1.本发明主要涉及到轨道交通车辆安全技术领域，特指一种组合式吸能防爬装置。


背景技术：

2.随着轨道交通的快速发展，列车运营速度的不断提高，人们对列车的运行安全问题越来越重视。现有技术中，防爬吸能装置常常被用于列车车辆发生不可避免的碰撞事故时，通过各种方式吸收和耗散车辆前端的碰撞能量、缓和冲击载荷，最大程度地保护人员的生命安全，它是轨道列车被动安全防护中的重要部分。
3.目前，随着列车安全标准的提高，其对防爬器的吸能量和压缩行程也提出了更加苛刻的要求，这就需要在更小尺寸空间内平稳吸收更大的能量。但是，传统常见的管式防爬器存在尺寸大、力值固定不可调且行程较长易失稳的不足，需要额外增设导向装置，碰撞事故发生后大多作为整体更换，维护成本较高。此外，有些防爬器装置组件数量多，安装繁琐，有些仍需要使用专用工具。
4.也有从业者提出了组合式的吸能结构，但是传统组合式结构仍然存在一些不足：
5.1、一般导向机构设计相较复杂，冲压过程吸能量会受压溃结构吸能行程限制。
6.2、吸能结构一般采用冲压吸能及压溃式吸能形式的组合，本质上装置吸能量以压溃式吸能为主，冲压吸能仅做补充，造成吸能效果不好。
7.3、制备过程复杂，制造成本较高；产品体积较大，造成安装不方便。


技术实现要素：

8.本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、吸能效率高、工作力值稳定、制作方便的组合式吸能防爬装置。
9.为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
10.一种组合式吸能防爬装置，其包括：防爬齿板、组合式吸能管、结构底座及与车辆前端面固定连接的法兰座，所述法兰座与结构底座连接，用以进行轴向定位的组合式吸能管、防爬齿板；所述组合式吸能管的一端与防爬齿板连接，另一端与结构底座连接；所述组合式吸能管包括位于外侧的复合材料吸能管和位于内侧的金属薄壁吸能管。
11.作为本发明的进一步改进：所述金属薄壁吸能管包括吸能管变形段、吸能管中段过渡面、吸能管导向段、防爬齿安装面及结构底座安装面，位于金属薄壁吸能管中段的吸能管中段过渡面设有锥形面，用来与法兰座上对应的变形约束面接触进行轴向定位；所述金属薄壁吸能管上的结构底座安装面与结构底座通过螺栓固定连接，用以防止组合式吸能管沿轴线窜动脱出；所述金属薄壁吸能管上的吸能管变形段通过与防爬齿板固定连接。
12.作为本发明的进一步改进：所述结构底座上开有螺栓孔与结构底座安装面固定连接，所述法兰座的法兰座后端面、结构底座安装面和结构底座的端面处于同一平面；所述组合式吸能管中的复合材料吸能管受防爬齿安装面与法兰座前端面共同约束固定。
13.作为本发明的进一步改进：所述法兰座上设有车体安装螺栓孔用于与车辆前端结
构固定连接；所述法兰座的前端内部设置有变形约束面、用来与组合吸能管对应的端面/锥形面接触产生挤压变形。
14.作为本发明的进一步改进：所述法兰座的内部向后端面延伸出一定厚度的法兰座内导向面，所述法兰座内导向面构成一个导向面、用于金属薄壁吸能管挤压变形后的导向作用；所述法兰座的法兰座前端面与防爬齿板的防爬齿后端面在碰撞过程中挤压位于外侧的复合材料吸能管，以促使其产生轴向渐进塑性变形。
15.作为本发明的进一步改进：所述金属薄壁吸能管的轴向几何中心与法兰座的轴向几何中心重合，以防止轴向偏载。
16.作为本发明的进一步改进：所述防爬齿的一端上设置预留卡槽或凸台以保证与组合吸能管的轴向对中；在组合式吸能管的底部也设有卡槽或卡销与法兰座进行配合。
17.作为本发明的进一步改进：所述防爬齿上进一步设有一个以上的凸起，所述凸起的边缘设有弧形切边；作为与带有凸起的防爬齿咬合的另一个防爬齿也具有凸起，工作时两组防爬齿互相咬合、实现配合。
18.作为本发明的进一步改进：所述金属薄壁吸能管直接作为外侧的复合材吸能管的制造芯模。
19.作为本发明的进一步改进：所述复合材料吸能管是由多层纤维增强复合材料有序堆叠而成。
20.在列车之间发生碰撞事故时，首先是两列列车之间的前端防爬齿板发生碰撞，对应的防爬齿互相咬合接触在一起，在后续的过程中组合式吸能管将碰撞力进行纵向传递。在组合式吸能管受压纵向运动过程中，位于外侧的复合材料吸能管两端先受到防爬齿与安装法兰座两断面挤压，发生轴向渐进变形吸收初始撞击能量，缓冲初始峰值力。随后，位于内侧的金属薄壁吸能的外锥面与法兰座的内锥形面产生挤压作用，金属薄壁吸能管向内发生径向挤压塑性变形，同时传递塑性变形力和摩擦力并产生热量。最终，整个过程中的撞击动能将转化为复合-金属组合吸能管的弹塑性变形能和热能来消耗能量降低列车运行速度，减少碰撞伤害。
21.由于组合式吸能管撞击初期有复合材料缓冲，撞击行程中外侧管轴向渐进压溃，内侧管吸能端径向逐步收缩，两者互相支撑互为导向，组合式吸能整体的塑性变形稳定、有序、可控，具备良好的能量吸收特性和被动安全防护性能。内侧金属薄壁管采用相对较软(强度相对比较小)、具有一定塑性流动性的薄壁金属材料，除外侧复合材料管外的其他结构采用相对比较硬(强度相对比较大)的金属材料。生产制造时，内侧金属薄壁管由原始棒材/管材按照设计要求经机械加工为变径结构，直径较小端作为固定导向段，直径较大端作为能量吸收段。随后将金属薄壁管作为芯模，在芯模上铺碳纤维预浸料，然后按照袋压/模压/热压罐等工艺要求完成后续复合材料外管加工过程。此外，所述的组合管轴向几何中心必须与法兰座的轴向几何中心重合，防止轴向偏载，避免影响碰撞变形稳定性。防爬齿后端面可预留卡槽或凸台以保证与组合吸能管轴向对中，连接方式可以选择紧固件等形式；组合吸能管底部可加装卡槽/卡销与法兰座配合，避免整体的延中心轴转动避免防爬齿侧倾；法兰座盘与组合吸能管配合位置尺寸可调整，以保证悬臂结构水平稳定，确保结构功能稳定。
22.与现有技术相比，本发明的优点就在于：
23.1、本发明的组合式吸能防爬装置，结构简单紧凑，吸能效率高，工作力值稳定，轻量化效果显著。将组合式吸能装置的法兰座固定安装于列车前端，组合吸能管在法兰座内部连接，法兰座起到支点作用，法兰座一侧设计有导向段为组合吸能管导向，组合管自身塑性变形方向不一致也可互起导向作用，整体发生压杆失稳的概率急剧降低。
24.2、本发明的组合式吸能防爬装置，为一种复合材料与薄壁金属组合的管式吸能防爬装置，与现有防爬吸能装置相比，缩短了吸能行程提高了稳定性，装置整体结构简单紧凑，轻量化效果显著。在发明所涉组合式吸能结构的成型过程中，可以先采用传统方式完成内侧金属薄壁管的生产制造，随后将金属薄壁管作为芯模直接进行外侧复合材料的管的缠绕成型。该种组合式吸能管的全寿命周期中，金属薄壁管既作为生产制造的芯模降低了复合材料管的制造成本，又可作为导向机构确保复合材料吸能管的吸能特性。通过调节过盈量可配套使用不同系列的组合式吸能管以降低不同能量等级产品开发费用，缩短开发时间。外侧复合材料管可以缓冲装置整体初始峰值力，在降低装置重量的同时提升装置平台力，确保吸能量满足设计要求。装置安装座加装防松卡槽/卡销可以避免结构轴向偏转，保证结构功能完整可靠。
25.3、本发明的组合式吸能防爬装置，当轨道交通列车发生碰撞事故时，防爬器受轴向压缩，组合管外侧复合材料管受防爬齿与法兰座断面挤压约束产生轴向渐进式压溃变形，组合管内侧金属薄壁管因法兰做约束限制发生径向收缩变形，两种吸能形式组合吸收撞击动能。结构整体平台力稳定，无初始峰值力，能量吸收率高，组合管内外管壁厚可以依据吸能量及轻量化指标做动态设计，可以做为一种主要吸能部件被用于多数碰撞缓冲能量吸收领域。
26.4、本发明的组合式吸能防爬装置，采用复合材料，因其自身密度低，力学性能优异，已被用于吸能管等能量吸收领域，但其在应用过程中容易出现脆性失效，需要额外布置导向机构才能保证结构吸能行程及材料利用率。同时，复合材料管状结构成型过程中需用钢制/木制/硅胶制等作为内芯模，除制造环节外无法再次利用存在一定的材料及成本浪费。
27.5、本发明的组合式吸能防爬装置，适用范围广，可以适用于航空登陆缓冲器、电梯缓冲器、汽车及轨道交通碰撞被动安全防护领域。尤其是涉及轨道列车的防爬器吸能缓冲装置，属于轨道交通车辆被动安全领域。
附图说明
28.图1是本发明中组合吸能管式吸能防爬装置在发生对撞时的示意图。
29.图2是本发明中组合吸能管式吸能防爬装置的三维示意图。
30.图3是本发明中组合吸能管式吸能防爬装置的纵切剖面示意图。
31.图4是本发明中在具体应用实例中组合吸能管吸能区纵剖示意图。
32.图5是本发明在具体应用实例中防爬齿的结构示意图。
33.图6是本发明在具体应用实例中复合材料吸能管的结构示意图。
34.图7是本发明在具体应用实例中复合材料吸能管在制作时的铺层示意图。
35.图8是本发明在具体应用实例中金属薄壁管上一段的结构原理示意图。
36.图9是本发明在具体应用实例中金属薄壁管上另一段的结构原理示意图。
37.图10是本发明在具体应用实例中法兰座的结构原理示意图。
38.图11是本发明在具体应用实例中法兰座的纵切剖面图。
39.图12是本发明在具体应用实例中结构底座的结构原理示意图。
40.图例说明：
41.1、防爬齿板；2、复合材料吸能管3、金属薄壁吸能管；4、法兰座；5、结构底座；11、防爬齿12、防爬齿安装面；31、吸能管变形段；32、吸能管中段过渡面；33、吸能管导向段；34、防爬齿安装面；35、结构底座安装面；41、车体安装螺栓孔；42、法兰座内导向面；43、法兰座后端面；44、变形约束面；45、法兰座前端面；51、结构底座螺栓孔。
具体实施方式
42.以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
43.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
44.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，术语“装配”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
45.如图1-图12所示，本发明的组合式吸能防爬装置，包括防爬齿板1、组合式吸能管、结构底座5及与车辆前端面固定连接的法兰座4，所述法兰座4的内部锥形面与结构底座5的螺栓连接，用以进行轴向定位的组合式吸能管、防爬齿板1。所述组合吸能管的一端与防爬齿板1连接，另一端与结构底座5连接，并通过法兰座4的锥形面和结构底座5进行限位、将组合吸能管与法兰座4固定，用以限制组合吸能管沿轴线窜动脱出，最终令防爬齿板1、组合吸能管、法兰座4、结构底座5通过螺栓连接固连成为一个整体。本发明中，所述组合式吸能管包括位于外侧的复合材料吸能管2和位于内侧的金属薄壁吸能管3，其中位于外侧的复合材料吸能管2可以是由多层纤维增强复合材料有序堆叠而成，位于内侧的金属薄壁吸能管3通过紧固件连接/焊接连接等方式与防爬齿板1固定连接。
46.参见图8、图9、图10和图11，在具体应用实例中，所述金属薄壁吸能管3包括吸能管变形段31、吸能管中段过渡面32、吸能管导向段33、防爬齿安装面34及结构底座安装面35，位于金属薄壁吸能管3中段的吸能管中段过渡面32设有锥形面，用来与法兰座4上对应的变形约束面44(如锥形面)接触进行轴向定位；所述金属薄壁吸能管3上的结构底座安装面35与结构底座5通过螺栓固定连接，用以防止组合吸能管沿轴线窜动脱出。所述金属薄壁吸能管3上的吸能管变形段31通过紧固件连接/焊接连接等方式与防爬齿板1固定连接。
47.参见图5和图12，在具体应用实例中，所述结构底座5上开有四个螺栓孔51与结构底座安装面35的四个螺栓孔用螺栓固定连接，螺栓紧固后，法兰座4的法兰座后端面、结构底座安装面35和结构底座5的端面处于同一平面；组合吸能管中的复合材料吸能管2受防爬
齿安装面12与法兰座前端面45共同约束固定，必要时可以通过调节结构底座5上的螺栓与复合材料吸能管2的尺寸实现给复合材料吸能管2施加结构预应力的目的。
48.在具体应用实例中，所述防爬齿11上进一步设有四个凸起，所述凸起的边缘设有弧形切边；作为与带有凸起的防爬齿11咬合的另一个防爬齿11带有矩形块状的凸起，工作时两组防爬齿11互相咬合、实现配合。
49.参见图10和图11，在具体应用实例中，法兰座4的平台周围开有四个车体安装螺栓孔41用于与车辆前端结构固定连接。所述法兰座4的前端内部设置有变形约束面44、用来与组合吸能管对应的端面/锥形面接触产生挤压变形。所述法兰座4的内部向后端面延伸出一定厚度的法兰座内导向面42(导向段)，所述法兰座内导向面42构成一个导向面、用于金属薄壁吸能管3挤压变形后的导向作用，从而增加稳定性。所述法兰座4的法兰座前端面45与防爬齿板1的防爬齿后端面12在碰撞过程中挤压位于外侧的复合材料吸能管2，促使其产生轴向渐进塑性变形。
50.作为较佳的方案，在一定范围内，可设置金属薄壁吸能管3的外锥形面延伸出一段不同的距离，形成一系列防爬器，配套的法兰座4无需改变，增加过盈量，吸收更多能量。同时，改变复合材料吸能管2本身的铺层角度、壁厚等参数，与金属薄壁吸能管3进行参数化匹配设计，可以在同样目标吸能量的前提下最大程度实现装置轻量化。
51.作为较佳实施例，本发明中的金属薄壁吸能管3采用相对较软(强度相对比较小)、具有一定塑性流动性的薄壁金属材料，除位于外侧的复合材料吸能管2外的其他结构采用相对比较硬(强度相对比较大)的金属材料。复合材料吸能管2可以采用玻璃纤维、碳纤维、碳化硅纤维等轻量化复合材料，仅需满足复合材料管本身产生渐进塑性变形即可。这样子，整个结构在碰撞过程中位于外侧的复合材料管3优先参与变形，缓冲初始碰撞力，随后强度比较小的金属薄壁吸能管3会发生径向收缩塑性变形。碰撞后可更换新的组合式吸能管，而其余零件均可以重复使用，因此可大大提高结构材料的重复利用率，节省成本。
52.此外，进一步，本发明的金属薄壁吸能管3的轴向几何中心必须与法兰座4的轴向几何中心重合，防止轴向偏载，避免影响碰撞变形稳定性。
53.进一步，防爬齿11的一端上设置预留卡槽或凸台以保证与组合吸能管的轴向对中，连接方式可以选择紧固件/焊接等形式；在组合吸能管的底部也可加装卡槽/卡销与法兰座4进行配合，避免整体的延中心轴转动避免防爬齿11的侧倾。法兰座4与组合吸能管的配合位置尺寸可调整，以保证悬臂结构水平稳定，确保结构功能稳定。
54.参见图6和图7，本发明不对铺层角度及成型工艺做限制，复合材料吸能管2可以依据吸能量进行复合材料选型、铺层设计及工艺选型。但是在传统复合材料管的成型工艺中(诸如：袋压、rtm、模压及热压罐等)，均需要额外加工芯模辅助复合材料吸能管2的铺设及固化，后续还需将芯模去除。本发明则是创新性的利用内侧的金属薄壁吸能管3直接作为外侧的复合材吸能管2的制造芯模，在金属薄壁吸能管3的吸能端31按照设计要求、尺寸边界、设计角度等要求铺设复合材料，成型工艺过程得到简化。外侧的复合材料吸能管2经过固化等工序后便可直接作为组合式吸能管用于本发明所涉吸能结构组装生产。
55.由上可知，本发明的结构中吸能形式为压溃式与摩擦/挤压塑性变形组合的形式。组合后，两个吸能结构在吸能变形过程中互相支撑，不需要额外布置冲头等。由于外部包裹为复合材料，塑性变形后会碎裂剥离，并不会影响内部金属管径缩变形总行程。同时，采用
本发明的上述结构，那么制备过程中就能够简化复合材料的制备流程，降低了制造成本。两者组合的吸能形式，关键影响因素仅为壁厚，可以在总壁厚不变的情况下，对吸能量做动态调整。采用本发明的上述结构，整体安装空间更为紧凑，空间利用率及材料利用率更具优势。
56.参见图1，在列车之间发生碰撞事故时，本发明的工作过程为：
57.首先，两列列车之间的前端防爬齿板1发生碰撞，对应的防爬齿11互相咬合接触在一起，在后续的过程中组合吸能管将碰撞力进行纵向传递。在组合吸能管受压纵向运动过程中，位于外侧的复合材料吸能管2受两安装断面挤压首先产生渐进塑性变形吸收撞击能量。
58.随后，位于内侧的金属薄壁吸能管3的吸能管中段过渡面32与法兰座4内的变形约束面44产生挤压作用，促使吸能管变形段31在法兰约束界面受挤压产生径向塑性变形，组合式吸能管将在整个过程中同时传递塑性变形力和摩擦力并产生热量。
59.最终，整个过程中的撞击动能将转化为复合-金属组合吸能管的弹塑性变形能和热能来消耗能量降低列车运行速度，减少碰撞伤害。位于外侧的复合材料吸能管2将逐步渐进损伤后与金属薄壁吸能管3脱离，金属薄壁吸能管3在纵向力的推动下沿轴向运动同时管壁产生径向收缩变形，直至防爬齿安装面12与法兰座4的端面接触，整个吸能行程达到最大，吸能过程结束。
60.如图4所示，在组合式吸能管的吸能区域。法兰座4的端面与复合材料吸能管2的端面紧密贴合。金属薄壁吸能管3通过结构底座5上的螺栓与法兰座4内表面紧密贴合。在碰撞发生时，法兰座优先挤压复合材料吸能管2发生轴向变形，随后内锥面挤压金属薄壁吸能管3促使其径向收缩吸收能量。复合材料吸能管2与金属薄壁吸能管3的管壁厚度可以参数化匹配设计，确保装置比吸能、轻量化、吸能量等指标优势。
61.以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种组合式吸能防爬装置，其特征在于，包括：防爬齿板、组合式吸能管、结构底座及与车辆前端面固定连接的法兰座，所述法兰座与结构底座连接，用以进行轴向定位的组合式吸能管、防爬齿板；所述组合式吸能管的一端与防爬齿板连接，另一端与结构底座连接；所述组合式吸能管包括位于外侧的复合材料吸能管和位于内侧的金属薄壁吸能管。2.根据权利要求1所述的组合式吸能防爬装置，其特征在于，所述金属薄壁吸能管包括吸能管变形段、吸能管中段过渡面、吸能管导向段、防爬齿安装面及结构底座安装面，位于金属薄壁吸能管中段的吸能管中段过渡面设有锥形面，用来与法兰座上对应的变形约束面接触进行轴向定位；所述金属薄壁吸能管上的结构底座安装面与结构底座通过螺栓固定连接，用以防止组合式吸能管沿轴线窜动脱出；所述金属薄壁吸能管上的吸能管变形段通过与防爬齿板固定连接。3.根据权利要求1所述的组合式吸能防爬装置，其特征在于，所述结构底座上开有螺栓孔与结构底座安装面固定连接，所述法兰座的法兰座后端面、结构底座安装面和结构底座的端面处于同一平面；所述组合式吸能管中的复合材料吸能管受防爬齿安装面与法兰座前端面共同约束固定。4.根据权利要求1所述的组合式吸能防爬装置，其特征在于，所述法兰座上设有车体安装螺栓孔用于与车辆前端结构固定连接；所述法兰座的前端内部设置有变形约束面、用来与组合式吸能管对应的端面/锥形面接触产生挤压变形。5.根据权利要求4所述的组合式吸能防爬装置，其特征在于，所述法兰座的内部向后端面延伸出一定厚度的法兰座内导向面，所述法兰座内导向面构成一个导向面、用于金属薄壁吸能管挤压变形后的导向作用；所述法兰座的法兰座前端面与防爬齿板的防爬齿后端面在碰撞过程中挤压位于外侧的复合材料吸能管，以促使其产生轴向渐进塑性变形。6.根据权利要求1-5中任意一项所述的组合式吸能防爬装置，其特征在于，所述金属薄壁吸能管的轴向几何中心与法兰座的轴向几何中心重合，以防止轴向偏载。7.根据权利要求1-5中任意一项所述的组合式吸能防爬装置，其特征在于，所述防爬齿的一端上设置预留卡槽或凸台以保证与组合式吸能管的轴向对中；在组合式吸能管的底部也设有卡槽或卡销与法兰座进行配合。8.根据权利要求1-5中任意一项所述的组合式吸能防爬装置，其特征在于，所述防爬齿上进一步设有一个以上的凸起，所述凸起的边缘设有弧形切边；作为与带有凸起的防爬齿咬合的另一个防爬齿也具有凸起，工作时两组防爬齿互相咬合、实现配合。9.根据权利要求1-5中任意一项所述的组合式吸能防爬装置，其特征在于，所述金属薄壁吸能管直接作为外侧的复合材吸能管的制造芯模。10.根据权利要求1-5中任意一项所述的组合式吸能防爬装置，其特征在于，所述复合材料吸能管是由多层纤维增强复合材料有序堆叠而成。

技术总结
本发明公开了一种组合式吸能防爬装置，其包括：防爬齿板、组合式吸能管、结构底座及与车辆前端面固定连接的法兰座，所述法兰座与结构底座连接，用以进行轴向定位的组合式吸能管、防爬齿板；所述组合式吸能管的一端与防爬齿板连接，另一端与结构底座连接；所述组合式吸能管包括位于外侧的复合材料吸能管和位于内侧的金属薄壁吸能管。本发明具有结构简单紧凑、吸能效率高、工作力值稳定、制作方便等优点。工作力值稳定、制作方便等优点。工作力值稳定、制作方便等优点。


技术研发人员：赵凯 李林 黄志华 孙双成 王雅楠 沈振宇
受保护的技术使用者：株洲国创轨道科技有限公司
技术研发日：2022.11.16
技术公布日：2023/3/14