一种防护缓冲装置及具有其的轨道车辆的制作方法

本发明涉及交通运输，尤其涉及一种防护缓冲装置及具有其的轨道车辆。

背景技术：

1、现代轨道车辆结构在耐撞性设计方面，将列车进行纵向分区，通过不同吸能结构的组合，对列车纵向刚度进行合理匹配，保证各级吸能结构能有序地吸收碰撞过程中的动能，最大限度地保护车体中部客室区的结构稳定，从而保证乘客的生命安全。然而，在高速/超高速磁悬浮列车、商业航天电磁助推发射等重大工程项目中，超导磁体失超等故障工况的发生，使得车辆垂向也会受到巨大冲击载荷。

2、随着我国列车运行速度和牵引总重的提高，对缓冲装置提出了更高的要求，诸多缓冲装置已经不能适应运输发展的需要。目前现有缓冲器的垂向缓冲效果较差，会造成列车运行不稳、振动严重，乘客乘坐舒适度降低，严重时甚至会造成列车出轨、翻车等重大安全事故，使国家和人民群众财产造成重大损失。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了一种防护缓冲装置及具有其的轨道车辆，能够解决现有技术中缓冲器的垂向缓冲效果较差的技术问题。

2、根据本发明的一方面，提供了一种防护缓冲装置，所述装置包括一级缓冲结构和二级缓冲结构；

3、所述一级缓冲结构包括由下至上依次设置的第一缓冲层、第二缓冲层和第三缓冲层，所述第一缓冲层和所述第三缓冲层的材料相同，所述第一缓冲层和所述第二缓冲层的材料不同，且所述第一缓冲层和所述第二缓冲层所选取的材料和尺寸使垂向载荷的应力波在所述第一缓冲层与所述第二缓冲层的界面处的应力穿透率满足预设需求；

4、所述二级缓冲结构包括上基座、下基座、缓冲单元和连接部，所述缓冲单元设置在所述上基座与所述下基座之间，所述连接部用于连接所述上基座和所述下基座，所述下基座与所述第三缓冲层相连。

5、优选的，所述第一缓冲层和所述第二缓冲层的材料和尺寸通过下述方法确定：

6、获取所述第一缓冲层和所述第二缓冲层的界面处的力平衡方程和速度连续方程；

7、根据力平衡方程和速度连续方程获取透射波应力与入射波应力的关系表达式；

8、根据透射波应力与入射波应力的关系表达式和应力穿透率的预设需求选取所述第一缓冲层和所述第二缓冲层的材料和尺寸。

9、优选的，所述第一缓冲层和所述第二缓冲层所选取的材料和尺寸满足如下条件：

10、

11、式中，ρ1为第一缓冲层的密度，ρ2为第二缓冲层的密度，e1为第一缓冲层的杨氏模量，e2为第二缓冲层的杨氏模量，a1为第一缓冲层的上表面的面积，a2为第二缓冲层的下表面的面积，a为预设值。

12、优选的，预设值a为0.1。

13、优选的，通过下式获取力平衡方程：

14、a1(σi+σr)＝a2σt；

15、通过下式获取速度连续方程：

16、vi+vr＝vt；

17、通过下式获取透射波应力与入射波应力的关系表达式：

18、

19、其中，

20、式中，σi为入射波应力，σr为反射波应力，σt为透射波应力，vi为进入第一缓冲层的入射波的速度，vr为第一缓冲层与第二缓冲层界面处反射波的速度，vt为第一缓冲层与第二缓冲层界面处透射波的速度。

21、优选的，所述第一缓冲层和所述第三缓冲层的材料均为钢材料，所述第二缓冲层的材料为橡胶材料或陶瓷材料。

22、优选的，所述第一缓冲层的下表面与侧面之间的夹角为钝角。

23、优选的，所述缓冲单元包括周向缓冲部、第一垂向缓冲部和第二垂向缓冲部；所述上基座为“t”型结构，所述下基座为“h”型结构，且所述下基座的水平段具有通孔，所述上基座的竖直段端面具有连接孔，所述上基座的竖直段插入所述通孔内；所述周向缓冲部套设在所述上基座的竖直段上，且处于所述通孔内；所述第一垂向缓冲部套设在所述上基座的竖直段上，且处于所述上基座的水平段与所述下基座的水平段之间；所述连接部从所述下基座的水平段的下侧进入所述连接孔，以实现所述上基座与所述下基座的连接；所述第二垂向缓冲部套设在所述连接部上，且处于所述下基座的水平段与所述连接部的端面之间。

24、优选的，所述装置还包括法兰，所述法兰用于连接所述下基座与所述第三缓冲层。

25、根据本发明的另一方面，提供了一种具有防护缓冲装置的轨道车辆，所述车辆包括转向架和防护缓冲装置，所述防护缓冲装置与所述转向架相连，所述防护缓冲装置为上述任一所述防护缓冲装置。

26、应用本发明的技术方案，在一级缓冲结构中，为第一缓冲层和第二缓冲层选取满足预设需求的材料和尺寸，以使垂向载荷的应力波在第一缓冲层与第二缓冲层的界面处的应力穿透率满足预设需求；通过二级缓冲结构的缓冲单元来进一步缓和冲击作用力。本发明通过两级缓冲结构提高了缓冲效率，且显著衰减了由于故障撞轨瞬时垂向产生的能量巨大的冲击载荷，从而提升了乘客乘坐舒适性。同时，两级缓冲结构的工作原理不同，可调节空间大。

技术特征：

1.一种防护缓冲装置，其特征在于，所述装置包括一级缓冲结构(10)和二级缓冲结构(20)；

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一缓冲层(11)和所述第二缓冲层(12)的材料和尺寸通过下述方法确定：

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述第一缓冲层(11)和所述第二缓冲层(12)所选取的材料和尺寸满足如下条件：

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，预设值a为0.1。

5.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，通过下式获取力平衡方程：

6.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述第一缓冲层(11)和所述第三缓冲层(13)的材料均为钢材料，所述第二缓冲层(12)的材料为橡胶材料或陶瓷材料。

7.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述第一缓冲层(11)的下表面与侧面之间的夹角为钝角。

8.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述缓冲单元(23)包括周向缓冲部(231)、第一垂向缓冲部(232)和第二垂向缓冲部(233)；所述上基座(21)为“t”型结构，所述下基座(22)为“h”型结构，且所述下基座(22)的水平段具有通孔，所述上基座(21)的竖直段端面具有连接孔，所述上基座(21)的竖直段插入所述通孔内；所述周向缓冲部(231)套设在所述上基座(21)的竖直段上，且处于所述通孔内；所述第一垂向缓冲部(232)套设在所述上基座(21)的竖直段上，且处于所述上基座(21)的水平段与所述下基座(22)的水平段之间；所述连接部(24)从所述下基座(22)的水平段的下侧进入所述连接孔，以实现所述上基座(21)与所述下基座(22)的连接；所述第二垂向缓冲部(233)套设在所述连接部(24)上，且处于所述下基座(22)的水平段与所述连接部(24)的端面之间。

9.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述装置还包括法兰，所述法兰用于连接所述下基座(22)与所述第三缓冲层(13)。

10.一种具有防护缓冲装置的轨道车辆，其特征在于，所述车辆包括转向架和防护缓冲装置，所述防护缓冲装置与所述转向架相连，所述防护缓冲装置为权利要求1-9中任一所述防护缓冲装置。

技术总结本发明提供了一种防护缓冲装置及具有其的轨道车辆，该装置包括一级缓冲结构和二级缓冲结构；一级缓冲结构包括由下至上依次设置的第一缓冲层、第二缓冲层和第三缓冲层，第一缓冲层和第三缓冲层的材料相同，第一缓冲层和第二缓冲层的材料不同，且第一缓冲层和第二缓冲层所选取的材料和尺寸使垂向载荷的应力波在第一缓冲层与第二缓冲层的界面处的应力穿透率满足预设需求；二级缓冲结构包括上基座、下基座、缓冲单元和连接部，缓冲单元设置在上基座与下基座之间，连接部用于连接上基座和下基座，下基座与第三缓冲层相连。本发明能够解决现有技术中缓冲器的垂向缓冲效果较差的技术问题。技术研发人员：翟茂春,毛凯,高斐斐,李少伟,任晓博,肖国放,余笔超受保护的技术使用者：中国航天科工飞航技术研究院（中国航天海鹰机电技术研究院）技术研发日：技术公布日：2024/6/2