一种用于高速列车的吸能防爬装置的制作方法

本发明涉及轨道交通，具体涉及列车碰撞能量协同耗散与轨迹自保持技术，能够有效防止高速列车发生碰撞时出现爬车和脱轨现象的高性能吸能防爬装置。

背景技术：

1、我国高速轨道列车的车身采用两端弱中间强的刚度制造方案，列车端部刚度较弱，使能量吸收集中在列车两端，碰撞冲击和严重变形远离司机室及乘员区，从而实现对司机与乘员的安全防护。列车端部设置了防爬器，防爬器能够在列车发生碰撞时通过防爬齿的相互啮合实现对列车垂向及横向位移的限制，有效防止列车碰撞时发生爬车和脱轨的可能性。同时防爬器又需要具备一定的吸能能力，防爬吸能装置就此应运而生。防爬器技术原理如图1和图2所示，防爬器a02安装在车体a01上，锯齿状防爬齿朝向车辆前方。当发生碰撞并且完成了车钩吸能时，两辆车的防爬器a02相撞并且防爬齿相互啮合，相撞的两辆车继续接近并挤压防爬器a02，防爬器a02后退吸能同时在防爬齿和导向机构的作用下，两辆车不会出现爬车直至防爬器a02工作行程消耗完，或车辆动能消耗并停车，从而实现防爬吸能。所以，防爬器a02应具有高能量密度的吸能防爬装置、有导向和防爬结构。

2、传统的防爬器大多采用蜂窝结构，通过薄壁铝蜂窝层叠压缩吸能，这种结构具有质量轻、吸能性能稳定等优点，但是蜂窝吸能结构在被压实后无法继续吸能，吸能行程相对较小，无法实现安装空间的最大化利用。铝蜂窝结构防爬器结构示意图如图3所示，层叠的铝蜂窝b01通过隔板b02粘连成一体，导向杆b03贯通层叠的铝蜂窝b01并与防爬齿100连接。碰撞吸能时，两个防爬器的防爬齿相互啮合防止爬车，铝蜂窝被碰撞力压溃并吸收碰撞动能，导向杆防止铝蜂窝压溃过程偏心、偏载，从而实现防爬性能的作用。

3、传统蜂窝结构是由一系列六边形胞元组成的，每个胞元都有其固定的壁厚和尺寸。这种结构特性使得蜂窝结构在压缩过程中，胞元会逐渐变形和崩溃，胞元之间的壁厚会限制其进一步的压缩。同时蜂窝结构防爬吸能防爬装置的性能受到所用材料的影响。材料的弹性模量、屈服强度和断裂韧性等性质决定了结构在压缩过程中的变形和吸能能力。由于材料性能的限制，过度压缩可能导致结构损坏或失效，从而限制其压缩比。铝蜂窝结构防爬器压缩比通常最大只能稳定达到50%左右。传统铝蜂窝结构防爬器通过调整内部的层叠的铝蜂窝壁厚和防爬器铝蜂窝吸能结构的截面积来增加压缩强度，无论增加壁厚还是增加截面积，再达到高强度的要求下，不能满足高压缩比和体积小的要求。

4、目前，新研发的动车组中预留安装防爬器的空间小，且要求防爬器压缩比（工作行程与总长度比）需达到70%、平台力需达到1650kn，重量相比传统铝蜂窝防爬器要更轻。传统铝蜂窝防爬器已经无法满足新动车组的需求。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是针对现有吸能防爬装置存在结构复杂、制造难度大、压缩比较低、体积较大等问题，提供一种结构紧凑、安装简单、吸能能量密度高且重量轻的用于高速列车的吸能防爬装置。

2、为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

3、一种用于高速列车的吸能防爬装置，包括：防爬齿、压缩管、缩管盘、剪切环、第一紧固件和第二紧固件；所述压缩管的一端与防爬齿连接，压缩管的另一端穿过缩管盘与剪切环连接，所述第一紧固件用于实现缩管盘与剪切环连接固定，所述第二紧固件用于实现压缩管与剪切环连接固定；所述缩管盘与车体可拆卸连接，以实现吸能防爬装置安装在列车前端，通过压缩管与缩管盘之间的相互摩擦以及压缩管自身的塑性变形来消耗列车碰撞时产生的能量。

4、作为本发明的进一步改进，所述防爬齿包括：齿牙、齿板和连接盘，所述齿牙和连接盘分别设置在齿板的两个侧面，所述齿牙为凹凸结构，当列车发生碰撞时，凹凸形的齿牙转化为凸凹形的齿牙，凸齿牙与凹齿牙相互啮合；所述连接盘用于连接压缩管。

5、作为本发明的进一步改进，所述压缩管的一端为平口的圆管结构，用于连接连接盘；压缩管的另一端设有变径管、台阶和连接管，所述连接管位于压缩管的端部，所述变径管与连接管之间设有台阶，所述变径管贯穿缩管盘，所述连接管用于连接剪切环，所述台阶用于对剪切环的端部进行限位；所述连接管侧部对称设有多个第一固定孔，所述第二紧固件贯穿剪切环侧部并延伸至第一固定孔内，以实现压缩管与剪切环连接固定。

6、作为本发明的进一步改进，所述缩管盘包括底座、导向孔和第二固定孔，所述导向孔贯穿在底座中部，所述导向孔为变径结构，用于连接变径管；所述第二固定孔对称设置在导向孔端部，所述第一紧固件贯穿剪切环端部并延伸至第二固定孔内，以实现缩管盘与剪切环连接固定。

7、作为本发明的进一步改进，所述导向孔采用两端大中间小的变径结构。

8、作为本发明的进一步改进，所述剪切环的轴向上均布有多个贯通的第三固定孔，所述第三固定孔与第二固定孔相对应，所述第一紧固件贯穿第三固定孔并延伸至第二固定孔内，以实现缩管盘与剪切环连接固定。

9、作为本发明的进一步改进，所述剪切环的径向上均布有多个贯通的第四固定孔，所述第四固定孔与第一固定孔相对应，所述第二紧固件贯穿第四固定孔并延伸至第一固定孔内，以实现压缩管与剪切环连接固定。

10、作为本发明的进一步改进，所述防爬齿与压缩管采用焊接方式形成一体结构。

11、作为本发明的进一步改进，所述压缩管为空心管状结构，并采用铝合金材料制成；所述缩管盘为高强度钢一体式整体加工的结构件；所述剪切环为高强度钢一体式整体加工的结构件。

12、作为本发明的进一步改进，所述齿板采用铝合金材质，所述齿牙为齿板上加工出的凹凸结构。

13、与现有技术相比，本发明的优点在于：

14、本发明的用于高速列车的吸能防爬装置，针对目前时速250公里的高速列车车头缺少合适的防爬吸能装置，且传统铝蜂窝防爬器存在压缩比不大、吸收的能量有限、车头安装空间有限等问题和风险，提出了一种高强度、高压缩比（压缩比超过70%）、安装空间小、结构紧凑的动集吸能防爬装置，并设计了采用铝金属制备的、具有高压缩行程的压缩吸能管，占用空间更小、压缩比更大、能够吸收更多的能量；在吸能防爬装置的尾端设计自动剪切分离结构，需要工作时可自行剪断分离，结构稳定。本发明对提升高速列车被动安全保障措施、大大减少事故发生时对公共财产安全、乘客生命财产安全的危害、同时节约列车设备安装空间、减少日常维护更换新产品成本具有重要的作用。其带来的有益效果主要包括：

15、（1）吸能防爬装置结构紧凑，制造成本低

16、本发明将主吸能结构、防爬吸能结构结合成一体，使结构更加紧凑，通过压缩管的塑性变形及压缩管表面与缩管盘之间的摩擦力吸能，大大提升了防爬器吸收能量的效率、减小了装置的重量和体积，解决了安装空间有限的情况下车辆无防爬器可用的难题，对推动车辆轻量化非常有意义。防爬装置的所有零部件均为机械制造常规原材料和结构，无制造难度，制造成本低，对降低车辆成本有益。

17、（2）利用铝合金材料剪切高强钢

18、铝合金材料具有密度低、塑性性能好、可加工性能优越等优势，但同时铝合金材料本身极限强度偏低，因此如何合理地利用铝合金塑性性能的优势和极限强度偏低的特性成为了工程应用的一个难题。本发明中研发的防爬装置，采用铝合金压缩管，合理地利用铝合金材料优越的塑性性能，同时将铝合金材料与高强度钢材组合，在压缩管推动剪切环一起后退时，巨大的推力将第一紧固件拉断，发挥了铝合金材料优良的塑性性能并且巧妙避开其强度不高这一缺点，解决了如何使用铝合金材料剪切高强度钢这一难题。

19、本发明的吸能防爬装置可以在非碰撞下保持固定，在碰撞时又能迅速解除固定。在安装了该结构的防爬器碰撞时，两辆车碰撞并且完成了车钩吸能，此时两车的防爬器碰撞在一起并且两防爬齿相互啮合，防爬器受到挤压。当防爬器受到的挤压力达到防爬器所要求的平台力之后，此时需要防爬器吸收能量，压缩管开始后退，但由于压缩管与剪切环之间、缩管盘与剪切环之间均通过紧固件与固定孔将整个防爬装置固定住了，若要防爬装置吸收能量的话，必须使紧固件失效，解除压缩管的固定。由于压缩管采用铝合金材料，强度比紧固件弱，因此压缩管无法自行将紧固件剪断，需要使用特殊的方法来剪断紧固件。在本发明中，压缩管在挤压力的推动下向后退，其尾部设置的台阶面驱动剪切环向后退，而剪切环与缩管盘之间通过紧固件连接，缩管盘与车头固定，缩管盘与剪切环均为高强度钢制成，因此当压缩管推动剪切环时，缩管盘与剪切环之间的紧固件被巨大的推力拉断，压缩管得以解除固定。

20、（3）提出了一种紧凑型模块化设计的吸能防爬装置

21、不同的动车组对防爬器的安全性能要求也各不相同，要性能参数包括垂向力、平台力、安装接口。垂向力就是作用在防爬齿，垂向向下的载荷；可通过调整压缩管内孔的大小，改变压缩管的壁厚，获取所需要的垂向力，从而适应不同的垂向力需求。平台力是防爬装置受压变形吸能时，稳定的纵向载荷；当需要不同平台力的防爬装置时，通过调整变径部分的尺寸，即导向孔中间段孔的孔径与前端孔径差值，差值越大，防爬装置在受挤压时塑性变形更大，因此获取的平台力越大。安装接口是防爬装置与车体联接的形状及螺栓孔参数，通过调整缩管盘底座的形状和孔，即可适应不同的接口需求。通过以上方法调整防爬装置的参数和性能，即可实现工程设计需求的防爬装置的模块化设计。