列车碰撞多级电磁吸能装置及其控制方法

本发明涉及一种列车碰撞多级电磁吸能装置及其应用，尤其涉及利用电磁感应技术的列车伸缩式碰撞吸能装置，属于列车防碰撞安全。

背景技术：

1、轨道交通运载系统发展迅速，其安全问题显得尤为重要，列车一旦发生碰撞事故造成的损失不可估量。相比于一般交通工具，列车具有多车辆编组，质量大，速度快等特点，其冲击能量远高于单体碰撞的交通工具。传统的列车头部吸能装置是按照“车钩压溃管-专用吸能结构-承载吸能结构”顺序设计的，发生撞击时，内部构件依次变形吸能，但由于车头安装空间有限，变形行程较短，一定程度上限制了列车的吸能能力，考虑到其内部结构的复杂性，适用于列车的吸能装置需具备更好的精确性、快速性及安全性。

2、传统的列车碰撞吸能结构包括压溃吸能、切削吸能、液压缓冲吸能等方式。其中薄壁吸能结构吸能稳定，通过碰撞传递能量，将动能转化为摩擦变形生成的内能，能够最大程度散发出去，吸能理想，节省成本；切削吸能利用刀具撕裂金属耗散能量，但需要的材料及刀具易受到环境影响，疲劳极限和寿命一般不高，需要定期更换维修，费用昂贵，拆装不易；液压缓冲利用油液的粘性阻尼来吸收并转化冲击能量，主要通过转化为热能并挥发到空气介质中实现转移，但其结构复杂，机械精度很高，安装困难，常用于军工安全防护类。

3、目前，中南大学在列车防碰撞领域提出了许多吸能技术，如申请号为cn201610859342.8的中国专利申请提出了一种列车碰撞防护方法及系统的装置，由吸能管、弹簧、活塞杆、气缸座、限位套等组成，碰撞发生后通过限位套从内部孔中挤出，吸能管在气缸活塞推动下伸出吸收能量。但是限位套不能保证同步滑动以达到锁死的目的，或是仅依靠圆管和限位套之间过盈配合加大摩擦来防止回弹，对于大碰撞和冲击作用下往往难以达到理想效果。又如申请号为cn202211036730.8的中国专利申请公开了一种列车自适应耐撞性保护装置，通过探测器和雷达勘测障碍物，再传递数据并转换给电磁铁，电磁铁改变结构内部磁流体的黏度来调整缓冲大小，以此传递能量，碰撞后利用推杆和末端的弹簧吸收能量。只不过高速行驶下车头处的探测器和雷达传输数据存在延迟，判断碰撞距离可能存在误差，对撞击力大小的判断或许不够及时与精确(且毫米级雷达成本巨大)；吸能车钩机构内部磁流体的特性不稳定，容易受到温度和环境的影响从而改变黏度高低，导致吸能效果有所降低；碰撞前机械锁死的剪切螺栓能使钩头与钩尾座之间不发生相对运动的刚度范围未能给出，且碰撞断裂的残骸会遗留在磁流体当中，从而进一步影响流体的能量传递与耗散效果，日积月累还会失去重复使用的作用，需对装置进行整体的拆解与更换，费时费力。

4、采用机械压溃式吸能的方式仍然是列车碰撞过程中最直接有效的防碰撞吸能方式，但是压溃式结构的压溃吸能长度与吸收的撞击能量成正比，而简单地增加压溃结构的吸能行程会造成吸能装置的长度增加，影响其在列车上的安装，随着列车越来越高速化运行，传统的机械压溃式吸能装置已经不能适应高速度的列车碰撞吸能防护。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是：针对现有机械压溃式吸能装置不能适应列车高在高速撞击时的吸能防护要求，提供一种列车碰撞多级电磁吸能装置及其应用。

2、本发明采用如下技术方案实现：

3、列车碰撞多级电磁吸能装置，包括固定外管2以及伸缩设置于固定外管2内部的两级吸能内管；其中，一级吸能内管5滑动装配于固定外管2内部，所述一级吸能内管5和固定外管2之间设有将一级吸能内管从固定外管弹出的一级电磁组件，二级吸能内管9滑动装配于一级吸能内管5内部，所述二级吸能内管9和一级吸能内管5之间设有将二级吸能内管从一级吸能内管弹出的二级电磁组件，所述固定外管2上还设有将一级吸能内管5和二级吸能内管9保持收回在固定外管内部的定位销4，所述定位销4通过定位销电磁铁3控制移动；所述定位销电磁铁3、一级电磁组件和二级电磁组件均通过列车控制系统与列车碰撞传感器反馈连接。

4、在本发明的列车碰撞多级电磁吸能装置中，进一步的，所述固定外管2、一级吸能内管5和二级吸能内管9的侧壁上均设有定位孔，所述一级吸能内管5和二级吸能内管9收回在固定外管2内部，通过定位销4同时穿过固定外管2、一级吸能内管5和二级吸能内管9上的定位孔进行定位，所述定位销电磁铁3设置于固定外管2上的定位孔外侧。

5、在本发明的列车碰撞多级电磁吸能装置中，进一步的，所述固定外管2具有一个封闭端部以及一个开口端部，所述一级电磁组件设置在一级吸能内管5和固定外管2的封闭端部之间，所述固定外管2的开口端部和一级吸能内管5的底部设有防止一级吸能内管从固定外管脱出的限位台阶。

6、在本发明的列车碰撞多级电磁吸能装置中，进一步的，所述一级吸能内管5具有一个封闭端部以及一个开口端部，所述二级电磁组件设置在二级吸能内管9和一级吸能内管5的封闭端部之间，所述一级吸能内管5的开口端部与二级吸能内管9的底部之间设有防止二级吸能内管从一级吸能内管脱出的限位台阶。

7、在本发明的列车碰撞多级电磁吸能装置中，进一步的，所述固定外管2的开口端部还设有限位销7，所述限位销7浮动装配于固定外管2内壁，其上设有供一级吸能内管5单向伸出固定外管2的单向限位斜面701，在一级吸能内管伸出固定外管后，所述限位销7浮动伸出与一级吸能内管5底部抵接，保持一级吸能内管的伸出状态。

8、在本发明的列车碰撞多级电磁吸能装置中，进一步的，所述定位销4和限位销7均沿固定外管圆周均匀布置若干组。

9、在本发明的列车碰撞多级电磁吸能装置中，进一步的，所述一级电磁组件包括同轴布置的一级永磁体1和一级电磁线圈12，所述一级永磁体1固定在固定外管2的封闭端部内侧，所述一级电磁线圈12固定绕装在一级吸能内管5底段。

10、在本发明的列车碰撞多级电磁吸能装置中，进一步的，所述二级电磁组件包括同轴布置的二级永磁体10和二级电磁线圈8，所述二级永磁体10固定在一级吸能内管5的封闭端部内侧，所述二级电磁线圈8固定绕装在二级吸能内管9底段。

11、在本发明的列车碰撞多级电磁吸能装置中，进一步的，所述一级吸能内管5的底部沿轴向延伸设有蜂窝吸能底座11，所述蜂窝吸能底座11内部充满蜂窝吸能结构。

12、本发明还公开了上述列车碰撞多级电磁吸能装置的控制方法，列车正常行驶状态下，多级碰撞吸能装置的定位销电磁铁3断电，定位销4将两级吸能内管保持收回在固定外管2内部；

13、所述列车碰撞传感器检测到即将发生碰撞的信号后，通过列车控制系统触发列车碰撞多级电磁吸能装置，对定位销电磁铁3、一级电磁组件的一级电磁线圈12以及二级电磁组件的二级电磁线圈8同时通电，通过定位销电磁铁3将定位销4从两级吸能内管的定位孔中拔出，同时一级电磁组件产生磁场斥力将一级吸能内管5从固定外管2弹出至限位销7对其自锁，二级电磁组件产生磁场斥力将二级吸能内管9从一级吸能内管5弹出，对一级电磁组件的一级电磁线圈12以及二级电磁组件的二级电磁线圈8持续通电维持两级吸能内管为伸出状态，并以伸出状态承受列车即将发生的碰撞。

14、本发明采用上述技术方案具有如下有益效果：

15、(1)本发明采用多级吸能内管与固定外管伸缩装配，极大加长了吸能行程，提高了碰撞有效行程，伸缩结构使得吸能装置初始状态的安装尺寸并没有发生改变，列车正常运行时隐藏在车体内部几乎不占用空间，同时也不会影响车辆限界条件，利用多级伸缩的吸能内管结构，在不损失稳定性的情况下进一步增大吸能行程，最大化的利用压溃变形来减少对列车的破坏，能够克服现阶段单一弹出的主被动装置吸能的空间局限性。

16、(2)本发明采用电磁触发吸能装置，在列车遇到碰撞的紧急情况时通过电磁控制吸能内管快速弹出发挥作用，控制系统采用电磁触发模式，利用磁场斥力控制吸能内管高速弹出，代替了传统的弹簧触发，显著增加了弹出速度并且降低了响应时间，并能在后续撞击回弹时利用磁力进一步减缓撞击加速度值，最大程度上消耗碰撞能量，伸出的吸能内管在撞击回弹时全程通过电磁力在一定程度上降低了撞击顿挫感，充分利用了电磁吸能，增加了吸能效率。

17、(3)本发明采用多级吸能方式提升列车碰撞吸能效率，首先利用两级吸能内管的电磁斥力以及回弹压溃进行两个阶段的碰撞吸能，最后还在一级吸能内管底部设置蜂窝吸能底座，其内部的蜂窝结构通过轴向压溃变形来耗散最后残余的冲击动能，实现吸能装置碰撞后的三次吸能。

18、综上所述，本发明提供的列车碰撞多级电磁吸能装置及其控制方法通过电磁触发的多级吸能结构，有效吸能长度更长、多级吸能缓冲效果更好，动能吸收率更佳，材料韧性更好，利用伸缩吸能内管的碰撞大变形与电磁缓冲技术以及最后的蜂窝吸能，实现了列车在遇到碰撞时进行主动、安全、高效吸能，提高了列车碰撞吸能效率，降低了列车碰撞事故中产生的影响。

19、以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。