一种轨道车辆防撞系统及防撞方法与流程

本发明涉及一种轨道车辆防撞系统及防撞方法，属于轨道车辆技术领域，尤其涉及一种轨道车辆车体结构，以及与列车配套的路端挡车器机构。

背景技术：

铁道车辆最重要的使命是保证司乘人员的安全。列车前端通常会设置带吸能功能的防爬装置可显著改善轨道车辆在发生碰撞时的变形吸能特性。为了有效防止撞车时列车相互攀爬，防爬器还需具备优异的抗垂弯能力，所以防爬器通常会设置垂向刚度很大的导向机构来保证防爬性能。该导向机构能确保防爬器在撞车时稳定地后退，并引导吸能元件正常发挥变形吸能功能，最终使列车以稳定地、可控地、有序发生变形，使乘客受到的冲击力最小化，以降低车中人员损伤的可能性。

在轨道线路的尽头，通常会设置挡车器以防止列车冲出轨道导致出轨或者发生倾覆(相比把列车限制在轨道上，出轨、倾覆等现象给生命和车辆均带来更大的危害)。挡车器一般设置有与列车钩缓系统的钩头匹配的撞击点，有的还设有与防爬器匹配的防爬齿板。由于大部分路端撞击的速度会低于15km/h，基于成本及器件的更换维护考虑，一般是车钩与撞击点先撞上，可率先吸收部分撞击能量。如果速度很低(如低于5-7km/h)，车钩缓冲器可完全恢复。如果速度稍高，车钩会发生不可逆变形吸能，车钩压溃管动作，甚至车钩过载剪切。进而防爬器与挡车器的防爬齿板接触，防止列车发生爬起、侧偏倾覆或者骑跨到挡车器上等现象。这种场景与两列车相互撞击时的变形、吸能顺序一致，也是目前国内外常见的方式。

但是当列车以更高速度(如30km/h)撞击时，钩缓系统的吸能效果会下降，尤其对于气液缓冲器，在高速下撞击会出现刚化现象，能量吸收能力大幅下降。此时列车钩缓系统容易出现吸能不充分就产生过载剪切，然后防爬器、车体变形区、司机安全区，客室安全区依次发生损坏，造成难以挽回的损失。还有部分挡车器没有设置防爬齿板，在类似场景中会造成更恶劣的影响。

实际上，列车出现在路端时，一般是列车调试，或者清客状态运行到车辆段进行维护保养等场景。此时车上一般没有乘客、只有司机操作人员。有时因为司机疏忽、或者列车主动防撞系统，或轨道预警系统故障等原因，在即将抵达路线终点的时候，列车还保持较大前进速度。此时怎样保护好司机，以及最大程度利用列车自身吸能来降低碰撞事故恶劣程度成为技术难点。

cn201711487129专利方案提供了一种用于轨道列车的碰撞吸能系统及轨道列车，基于提高碰撞过程中吸能元件的稳定性，其钩缓装置的前端与防爬装置的前端共同形成碰撞受力面，在列车相撞时两者共同作用。该方案重点是解决碰撞吸能系统的可靠性问题，但没有提高车体的碰撞能量吸收问题。其理由是：碰撞吸能量为碰撞界面力和变形吸能行程的乘积，即载荷-位移曲线下面积的积分。碰撞界面力包括钩缓系统、防爬器、车体变形吸能区等三种吸能元件同时动作或单独动作的作用力。由于该界面力最大值不能大于客室安全区的压溃力值，所以不管是一种吸能元件单独作用，还是多种吸能元件同时作用，在相同行程下吸能量不会显著提升。而对于路端终点的挡车器来讲，其自身碰撞吸收能力是一定的，随着碰撞速度的提高，剩余的能量几乎全部需要由列车自身吸能元件及车体吸收，提高列车自身碰撞能量的吸收能力，才能最大程度保证列车不会冲出轨道造成致命的危害。

关于轨道车辆防撞系统的现有技术包括：

中国实用新型专利cn201420193441.3公开了一种双缸液压缓冲滑动挡车器，该挡车器两侧有防爬部，重点描述了双杠液压机构，没涉及列车碰撞过程吸能结构动作及列车结构。中国实用新型专利cn201820646426.8公开了一种铁路尽头线挡车器智能防撞系统，以及中国实用新型专利cn02272828.7公开了一种无需外接的减速装置。

cn201080063563公开了一种用于轨道车辆的碰撞模块专利方案提供了一种碰撞模块，包括碰撞元件、横向型材、连接板等部件，其中横向型材为板状型材，包括三角形、梯形、孔型材，碰撞元件设置在两块连接板之间，该专利的碰撞吸能元件和横向型材在空间上属于并联关系，且该模块与车体主结构焊接为一体，不可拆卸。

cn201310505736一种耐碰撞铝合金头车底架前端结构，车体设置了安全区和司机室变形区，司机室变形区下方设置了由安装板、地板、边梁和端部斜筋组成的箱型结构，用于安装防爬器。该方案解决了防爬器的安装，以及在防爬器安装面前端设置了变形区，并没有涉及防爬器安装面后面的变形吸能区的设置，吸能量有限。

cn201610771803专利提供了一种轨道车辆车头结构，但该结构的司机室门立柱和车钩安装座基本位于同一截面上，具有较大的局限性，且未涉及司机逃生安全。

cn201711487129公开了一种用于轨道列车的碰撞吸能系统及轨道列车，其钩缓冲装置的前端与所述防爬装置的前端共同形成碰撞受力面，在正常列车相撞时两者共同作用。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种轨道车辆防撞系统及防撞方法，将挡车器设置有低速碰撞和高速碰撞两种模式，充分发挥轨道车辆进行多级吸能区作用，从而以期解决以下问题之一：

1、列车高速撞击路端挡车器时，由于列车没有设置行程足够长的变形吸能区，不能稳定、可控地变形吸能，无法足够多的吸收碰撞动能，列车容易冲出轨道发生出轨、撞击前方物体或倾覆等恶劣事故；

2、列车高速撞击路端挡车器时，车钩缓冲器能量吸收能量下降，车钩容易过早发生剪切失效，且常用的气液型车钩在高速撞击下容易发生刚化；

3、挡车器与列车撞击时工作模式单一导致列车变形吸能区及防爬器、钩缓系统的吸能元件不能充分、高效发挥作用，即如果只存在钩缓系统、防爬器先后动作，那么高速模式下列车前端的车钩缓冲器容易发生吸能不充分；而如果只存在防爬器、钩缓系统先后动作，那么低速碰撞下易于更换的钩缓系统可能无法发挥作用(缓冲器本可重复使用)，而防爬器、车体及车载设备可能率先损坏，损失成本显著增大；

4、碰撞速度较高时司机室座椅前方生存空间不够，司机安全难以保障。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种轨道车辆防撞系统，包括轨道车辆和设置在轨道线路终点的挡车器；所述轨道车辆包括若干车体本体、位于车体本体前方的车体前端结构、防爬器、以及钩缓系统；在车体本体的两端屏柜区域设有纵向刚度小于车体本体的车体客室高阶变形吸能区，在车辆头部还设有纵向刚度小于车体客室高阶变形吸能区的车体前端结构，车体前端结构前端两侧分布有防爬器，每辆车两端中部设有钩缓系统；

所述车体前端结构包括防撞墙、a柱、b柱、波纹板一和波纹板二；

车体头部吸能区从前往后依次为钩缓系统吸能区、防爬器吸能区、车头一级变形吸能区、车头二级变形吸能区，以及车体本体的车体高阶客室变形吸能区；

所述钩缓系统吸能区的吸能元件为钩缓系统，所述防爬器吸能区的吸能元件为防爬器，所述车头一级变形吸能区的主要吸能元件为波纹板一，所述车头二级变形吸能区的主要吸能元件为波纹板二；

所述钩缓系统、防爬器、车头一级变形吸能区、车头二级变形吸能区、车体高阶客室变形吸能区采用串联式分布；

所述挡车器包括车钩连接器、防爬齿板、测速器以及止档阀；当所述测速器检测车辆小于某一设定速度时，止档阀处于关闭状态，车钩连接器的伸出端位于防爬齿板前方；当所述测速器检测车辆以大于某一设定速度时，止档阀处于打开状态，车钩连接器处于无纵向约束状态。

由此，本发明的挡车器设有低速碰撞和高速碰撞两种工作模式，挡车器带有速度检测装置，根据车辆接近线路终点时的速度可切换模式；当车辆以较低速度撞击时，挡车器的车钩连接器最先与车辆接触；当车辆较高速度撞击时，车钩连接器后方的止档阀打开，并随着车辆前端钩缓系统的钩头同步运动，并且不提供纵向支撑力，直到顶住挡车器的止档墙然后提供纵向反作用力。在此期间挡车器的防爬齿板对车辆防爬器一直施加纵向反作用力。

车辆高速撞击挡车器时，车辆前端的吸能部件中，防爬器、车头一级车体变形吸能区、钩缓系统、车头二级变形吸能区依次动作；位于编组车之间的钩缓系统也同时动作。当车辆前端的所有吸能部件、车间钩缓装置都基本吸能完毕，每节编组车客室两端的高阶吸能区再进一步进行吸能。

根据本发明的实施例，还可以对本发明作进一步的优化，以下为优化后形成的技术方案：

优选所述a柱和b柱分别对应设置在车体前端结构的中部和侧部，a柱和b柱将车体本体和防撞墙连为一体形成框架结构。

所述防撞墙上设有导向孔，用于提供防爬器的后退空间。

司机座椅位于车头一级变形吸能区、车头二级变形吸能区之间的过渡区域；操纵台位于司机座椅前方，在碰撞过程中操纵台与防撞墙、a柱同步往车后端方向运动。

针对不同的车辆，所述设定速度为距离挡车器50m位置处车辆速度在40km/h-54km/h中的某一速度。这样就可以保证在车辆与挡车器接触的那一刻的速度为15km/h-36km/h中的某一速度。例如高铁或动车组与挡车器接触的那一刻的速度临界点一般是36km/h，对于地铁车与挡车器接触的那一刻的速度临界点一般是15km/h。如果超过这一速度，则启动高速碰撞模式，止档阀打开；低于这一速度，则启动低速碰撞模式，止档阀关闭。

在其中一个优选的实施例中，所述测速器为红外测速仪或预埋在轨道中的测速传感器。

所述防爬器具有导向机构，该导向机构的端头加工出台阶状的缺口，位于最前端的导向杆头部可穿过椅底座引导孔；导向杆肩部比椅底座引导孔轮廓大，可顶住座椅底座；所述椅底座引导孔与所述导向机构的后退轨迹重合。

基于同一个发明构思，本发明还提供了一种利用所述的轨道车辆防撞系统进行车辆防撞的方法：

当测速器测定车辆驶向线路终点的速度小于某一设定速度时，止档阀处于关闭状态，车钩连接器的伸出端位于防爬齿板前方，挡车器的车钩连接器最先与车辆接触，钩缓系统与车钩连接器接触并停止向前运动；

当测速器测定车辆驶向线路终点的速度大于某一设定速度时，止档阀处于打开状态，车钩连接器处于无纵向约束状态，当车辆撞击时车钩连接器迅速在滑移通道中后退，直到车辆与防爬齿板接触并作用一段行程，当所述连接器底座与止档墙接触时，车钩连接器开始对车辆提供持续纵向反作用力，同时所述吸能机构开始动作并吸能；这样所述防爬器、位于车头一级变形吸能区的波纹板一、位于车头二级变形吸能区的波纹板二，位于车体本体两端的吸能元件钩缓系统以及车体客室高阶变形吸能区相继发生变形吸能；司机座椅的座椅底座和钩缓系统的底座都位于车头两级车体变形吸能区之间的塑性铰区；波纹板一压溃完后，防爬器的导向机构后退并顶住座椅底座，使司机座椅与固定在a柱或防撞墙上的操纵台始终保持一定的距离。

进一步地，当测速器测定车辆驶向线路终点的速度大于某一设定速度时，轨道车辆的钩缓系统撞击挡车器并推动车钩连接器向后运动，随后车辆两侧的防爬器与防爬齿板接触，防爬器开始压溃变形；

当防爬器吸能结束后，随后对位于钩缓系统底座前方的波纹板一进行压溃并吸能；

当车头一级变形吸能区即将完全压溃后，车钩连接器的连接器底座与止档墙接触，顶住挡车器的止档墙并对车辆钩缓系统提供纵向反作用力，在此期间挡车器的防爬齿板对位于车辆防爬器一直施加纵向反作用力，三股力流同时推动压溃波纹板二使之发生变形吸能；

若此时还有剩余动能，将进一步压溃位于编组车之间的钩缓系统以及车体客室高阶变形吸能区。

由此，本发明轨道车辆防撞系统包括车辆车体本体、车体吸能区、专用吸能元件(钩缓系统、防爬器)，以及位于线路终点的挡车器；

本发明的车辆车体两端设置多级变形吸能区，包括在每节编组车客室两端的高阶吸能区，在头车司机室前端设置两级变形吸能区；

挡车器中的车钩连接器从止档阀打开开始运动，到与止档墙接触的这段行程，与车辆防爬器、车头一级变形吸能区的有效行程基本相等。当车头一级变形区即将走完有效行程，车钩连接器开始对位于车辆中间位置的车钩施加纵向反作用力，两侧的防爬齿板对位于车辆两侧的防爬器仍继续施加纵向反作用力，三股力流同时推动司机座椅区的塑性铰区稳步后退，并传力压溃车头二级吸能区，使之发生变形吸能。

司机座椅位于车头两级车体变形吸能区之间的塑性铰区，即司机安全区，钩缓系统安装部位也设置在该区域内，且司机座椅固定装置下方设有止档板，止档板上的导向孔与防爬器导向机构后退轨迹重合。

在防撞墙上装有自带导向机构的吸能防爬器，吸能防爬器和车头两级变形吸能区采用串联式。

当车辆碰撞时导致防爬器发生变形吸能时，其导向机构后退，其导向杆头部率先穿过防爬器支撑区内部的座椅止档板导向孔，再用导向杆肩部顶住止档板本体，在后续的变形压溃中，防爬器导向机构与座椅做同步后退运动，始终保持座椅与司机台等部件的安全距离。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)挡车器能根据碰撞速度切换模式，不需要对车辆吸能元件正常动作顺序进行调整，不影响两车辆相互碰撞吸能性能。有利于在车辆高速撞击挡车器时充分发挥车辆多级吸能区及吸能元件的作用，同时在低速撞击时发挥车钩缓冲系统的可恢复变形特点，彻底解决了现有车辆高速撞击路端挡车器时，由于车辆没有设置行程足够长的变形吸能区，不能稳定、可控地变形吸能，无法足够多的吸收碰撞动能，车辆容易冲出轨道发生出轨、撞击前方物体或倾覆等恶劣事故的问题。

2)挡车器碰撞模式切换简单，不需另设能抵抗巨大纵向反作用力的传动装置，仅需控制止档阀的动作即可，挡车器结构简单可靠，彻底解决了现有车辆高速撞击路端挡车器时，车钩缓冲器能量吸收能量下降，车钩容易过早发生剪切失效，且常用的气液型车钩在高速撞击下容易发生刚化的问题。

与cn201080063563相比，本发明碰撞吸能元件和横向型材(可变形吸能)是串联关系，且碰撞吸能元件可拆卸。与cn201310505736相比，本发明在防爬器安装面后方设置了可压溃变形吸能区，并且充分利用了防爬器自身机构，车体耐碰撞性能有了明显提升。与cn201711487129相比，本发明只有在非正常车辆相撞时才出现共同形成碰撞受力面，正常车辆相撞时是按钩缓装置、防爬器顺次接触和变形，有本质区别。

附图说明

图1：本发明一种实施例的挡车器及车辆防撞系统示意图；

图2：车辆车体头部结构图；

图3：车辆车体头部吸能区划分图；

图4：挡车器低速碰撞工作模式示意图；

图5：挡车器高速碰撞工作模式示意图；

图6：车辆低速撞击挡车器示意图；

图7：车辆高速撞击挡车器过程示意图；

图8：车辆高速撞击挡车器车头最终状态示意图；

图9：防爬器局部结构示意图；

图10：防爬器与座椅底座接触示意图。

在图中：

车体本体1，车体前端结构2，防撞墙21，导向孔21a，a柱22，b柱23，波纹板一24，波纹板二25，防爬器3，导向机构31，导向杆头部31a，导向杆肩部31b，钩缓系统4，底座41，挡车器5，车钩连接器51，连接器底座511，防爬齿板52，测速器53，止档阀54，滑移通道55，止档墙56，吸能机构57，终止墙58；司机座椅6，座椅底座61,底座引导孔61a，操纵台7；钩缓系统吸能区a，防爬器吸能区b，车头一级变形吸能区c1，车头二级变形吸能区c2；车体客室高阶变形吸能区d1、d2、d3。

具体实施方式

以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。

如图1所示，本实施例的车辆防撞系统包括若干车体本体1、车体前端结构2、防爬器3、钩缓系统4，以及挡车器5。车体本体1具有足够大的强度和刚度，提供容纳和保护乘客的空间。在车体本体1的两端屏柜区域设有纵向刚度稍小的车体客室高阶变形吸能区d1、d2、d3，在列车头部还设有纵向刚度更小的车体前端结构2，车体前端结构2前端两侧分布有防爬器3，每辆车两端中部设有钩缓系统4。

图2是列车车体头部结构图。位于车体本体1前方的车体前端结构2，由防撞墙21、a柱22、b柱23、波纹板一24、波纹板二25组成。a柱22和b柱23分别位于车体前端结构2的中部和侧部，将车体本体1和防撞墙21连为一体，形成保护司机的框架结构。防撞墙21上设有导向孔21a，用于提供防爬器3的后退空间，引导其变形并提供垂向支撑。

图3是列车车体头部吸能区划分图。车体头部吸能区从前往后分别是车体前端结构2的钩缓系统吸能区a、防爬器吸能区b、车头一级变形吸能区c1、车头二级变形吸能区c2，以及车体本体1的车体高阶客室变形吸能区d1。钩缓系统吸能区a的吸能元件为钩缓系统4，防爬器吸能区b的吸能元件为防爬器3，车头一级变形吸能区c1的主要吸能元件为波纹板一24，车头二级变形吸能区c2的主要吸能元件为波纹板二25。司机座椅6位于车头一级变形吸能区c1、车头二级变形吸能区c2之间的过渡区域。操纵台7位于司机座椅6前方，在碰撞过程中与防撞墙21、a柱22同步往车后端方向运动。当钩缓系统4、防爬器3等专用吸能元件动作后，车头一级变形吸能区c1、车头二级变形吸能区c2，以及车体本体1的车体高阶客室变形吸能区d1、d2、d3将依次有序、稳定地变形吸能。钩缓系统4、防爬器3和车头一级变形吸能区c1、车头二级变形吸能区c2、车体高阶客室变形吸能区d1、d2、d3采用串联式分布。

图4是挡车器低速碰撞工作模式示意图。挡车器5包括位于前端中部的车钩连接器51，前端两侧的防爬齿板52，用于检测前方一定距离列车速度的测速器53，位于车钩连接器51后方并与连接器底座511相连的止档阀54，用于提供车钩连接器51后退空间的滑移通道55，位于滑移通道55端头的止档墙56，以及路端的吸能机构57和终止墙58组成。其中测速器53可以采用红外测速仪，也可采用预埋在轨道中的测速传感器，其列车速度信息可传输到挡车器5中，控制止档阀54的开闭状态。正常情况下，当列车以较低速度向路端行驶时，止档阀54处在锁闭状态，车钩连接器51位于防爬齿板52的前端。

图5是挡车器高速碰撞工作模式示意图。当测速器53检测到列车以较高速度向路端行驶时，止档阀54将打开状态，车钩连接器51将处于无纵向约束状态，当列车撞击时将迅速在滑移通道55中后退，不对列车产生持续作用力，直到列车与防爬齿板52接触并作用一段行程，连接器底座511与止档墙56接触，车钩连接器51开始对列车提供持续纵向反作用力，同时吸能机构57开始动作并吸能。

如图6所示，正常运营情况下，列车以较低速度行驶到路端。钩缓系统4将与挡车器5的车钩连接器51接触并停止向前运动。钩缓系统4在低速碰撞时仅发生弹性变形并可恢复，可重复使用。

由此，位于轨道终点的挡车器5具有低速碰撞(当车辆以小于某一设定速度时撞击挡车器时)和高速碰撞(当车辆以大于某一设定速度时撞击挡车器时)两种工作模式。因此止档阀54需要反应时间，因此一般可以取距离止挡器50m位置的速度进行换算。当然也可以取多个点(如距离止挡器50m处，100m处)来提前预测和修正实际撞击止挡器时的速度，从而给出止档阀54相应的动作。

如图7所示，在异常情况下，列车以较高速度行驶到路端，钩缓系统4将撞击挡车器5，但此时，车钩连接器51将处于无纵向约束状态，对列车几乎不产生纵向反作用力，钩缓系统4无阻力向前运动，并推动车钩连接器51向后运动。随后列车两侧的防爬器3与防爬齿板52接触，防爬器3开始压溃变形，当防爬器3结束后，随后对位于钩缓系统底座41前方的波纹板一24进行压溃并吸能。当车头一级变形吸能区c1即将完全压溃后，此时车钩连接器51的连接器底座511与止档墙56接触，顶住挡车器的止档墙56并对列车钩缓系统4提供纵向反作用力，在此期间挡车器5的防爬齿板52对位于列车防爬器3一直施加纵向反作用力，三股力流同时推动压溃波纹板二25，即车头二级变形吸能区c2，使之发生变形吸能。若此时还有剩余动能，将进一步压溃位于编组车之间的钩缓系统，以及车体客室高阶变形吸能区d1、d2、d3，最大程度吸收列车碰撞能量。

为了碰撞速度较高时司机室座椅前方生存空间不够，司机安全难以保障的问题。如图8所示，列车以较大速度撞击到挡车器5后，列车的防爬器3、位于车头一级变形吸能区c1的波纹板一24、位于车头二级变形吸能区c2的波纹板二25，位于车体本体1两端的吸能元件钩缓系统4以及车体客室高阶变形吸能区d1、d2、d3相继发生变形吸能。司机座椅6的座椅底座61和钩缓系统4的底座41都位于车头两级车体变形吸能区之间的塑性铰区。当波纹板一24压溃完后，防爬器3导向机构31后退并顶住座椅底座61，使司机座椅6与固定在a柱22或防撞墙21上的操纵台7始终保持一定的距离，提供司机的逃生安全空间。

如图9和图10所示，导向机构31的端头加工出台阶状的缺口，位于最前端的导向杆头部31a适当偏小，可穿过椅底座引导孔61a；导向杆肩部31b比座椅底座引导孔61a轮廓大，可顶住座椅底座61。椅底座引导孔61a与防爬器导向机构31的后退轨迹重合，在导向机构31作用力的推动下，座椅底座61同步向车后运动。

本发明的轨道车辆防撞系统充分利用了防爬器导向机构的刚度大特性，利用其碰撞过程中后退运动规律，有效缓解了碰撞速度较高时列车司机台等设备侵入司机座椅部位安全空间的风险，确保了司机安全，提高列车被动安全性能。

在列车前端设有钩缓系统、防爬器以及两级车体变形吸能区，在车厢两端的非司机室端也设有变形吸能区。列车碰撞吸能量大，吸能过程稳定、有序、可控，最大程度避免了列车在轨道终点以较高速度撞击挡车器而发生冲出轨道脱轨或翻车事故，减少车毁人亡现象发生。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本发明所附权利要求所限定的范围。

起点商标作为专业知识产权交易平台，可以帮助大家解决很多问题，如果大家想要了解更多知产交易信息请点击 【在线咨询】或添加微信 【19522093243】与客服一对一沟通，为大家解决相关问题。

此文章来源于网络,如有侵权,请联系删除