一种轨道车辆底架结构的制作方法

本发明涉及一种轨道车辆底架结构，属于轨道车辆领域。

背景技术：

铁道车辆最重要的使命是保证乘客的安全。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。

轨道车辆耐碰撞设计主要以en15227标准进行评估，该标准对不同类型的车辆进行了定义，并对不同类型的车辆规定了相应的碰撞场景。比如地铁列车耐碰撞设计符合性主要以en15227标准定义的c-ii类车辆进行评估，即相同两列aw0列车以25km/h相对速度对撞场景下，在乘客生存空间允许车体发生一定的塑性变形。因此在设计时，部分车辆仅以满足25km/h相对速度对撞来进行评价。导致了部分地铁列车前端通常只设置了车钩、防爬吸能装置用于碰撞吸能，并没有考虑在车体前端设置较大能量的变形吸能区，不方便进一步提高碰撞吸能性能。

基于上述设计思路，目前用于列车前端的吸能防爬装置及底架结构主要有两种，一种是采用独立于车体焊接结构、用螺栓或铆钉连接的防爬装置，但没有在防爬器安装面的后方设置底架变形吸能区，如cn201310505736发明专利介绍的方案，该方案方便撞车后对已发生变形的防爬器进行更换，但吸能量有限；另一种是焊接在列车底架前端，与车体主结构连为一体的防爬装置，如cn201810848240、cn201080063563等发明专利介绍的方案。以cn201080063563公开的用于轨道车辆的碰撞模块为例，该模块包括碰撞元件、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。以cn201810848240公开的轨道车辆的司机室及轨道车辆为例，司机室为可拆卸式；防爬齿，底架背板、前端板和两个侧边梁共同围成的容置空间内具有吸能结构，窗侧立梁、窗下横梁以及窗下侧梁上均具有向司机室的外部凸出的折弯处，折弯处形成为骨架结构压溃变形的预设变形点；底架设有横截面渐变的吸能梁，并在串联状布置的吸能梁之间设有过渡板。该方案没有设立可拆卸式防爬器，防爬齿直接固定在底架前端结构上，也没设置专门的垂向抗弯装置，碰撞过程中没有专用的吸能元件吸能，主要通过底架焊接结构变形区吸能。上述两种专利方案的防爬吸能装置与底架焊接结构变形区均没有以串联的方式设置在列车前端，适用于碰撞速度要求不高，吸能量需求不大的轨道列车。

ep1900593b1专利提供了一种列车前端及防爬器安装结构，防爬器安装座内部设有纵向导向管，不利于车体轻量化，也未提及在车体底架上设置可变形区，防爬器动作完后便进入了不可控、无序的车体变形阶段。

实际上列车相撞速度往往不止标准规定的大小，比如地铁列车也不时出现了30km/h以上速度的碰撞，此时传统的单纯依靠车钩、防爬器等专用的吸能元件已不能完全满足吸能要求，需要车体也吸收一部分能量。在底架前端设置变形吸能区，需降低该区域的纵向刚度以促使比客室区域更先发生塑性变形；同时也需要相应加强垂向刚度，以承受碰撞过程中另一列车重力带来的巨大垂向力和力矩。此时通常的做法是在底架前端设置类似防爬器的导向机构，该机构垂向刚度大，纵向易压溃变形。但从重量控制角度来看，列车头车的司机室端通常会比非司机室端尺寸更长，轴重不平衡控制本身就很难，而导向机构较重，再对底架前端增设类似的导向机构会大大加剧列车轴重不平衡现象，非常不利于整车性能控制。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种轨道车辆底架结构，该底架结构可以解决如下问题中的至少一个：

1、未设置底架变形吸能区的列车车体及底架吸能能力不够大；

2、设置了底架变形吸能区但前端垂向刚度不够，或者列车前端重量过重引起轴重不平衡；

3、防爬器安装板后方底架结构的碰撞易变形需求与车体静强度需求存在矛盾；

4、无导向机构的底架变形吸能区易出现垂向失稳，产生压溃下塌。

5、列车前端重量过重导致轴重偏差过大。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种轨道车辆底架结构，包括沿纵向方向从列车前端向后依次布置的防爬器、底架前端结构和底架本体；其结构特点是：

所述底架本体包括位于两侧的底架边梁，位于车体中部且与底架边梁相连的底架地板，位于底架地板下方呈纵向布置的车钩支撑梁，位于车钩支撑梁前部的车钩安装座，以及位于车钩安装座两翼并与底架边梁相连的车钩侧翼梁；

所述底架前端结构包括位于车端的防撞墙，防撞墙后方的波纹板，位于波纹板两侧的侧护板，位于上层的波纹板下方并与防撞墙、车钩安装座相连的车钩前撑梁；所述底架前端结构沿着纵向方向分为串联设置的由防爬器形成防爬器吸能区和底架变形吸能区，该防爬器吸能区和底架变形吸能区通过防撞墙隔开；

所述防爬器为自带导向机构的可拆卸式防爬器，该防爬器通过紧固件安装在所述防撞墙上，所述防爬器、防撞墙和底架变形吸能区串联设置。

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：

在其中一个优选的实施例中，所述底架前端结构横向分成三个区域，包括两个位于侧部的防爬器支撑区和一个位于中部的钩缓运动区；优选防爬器支撑区为由上下两层的波纹板，前方的防撞墙，后方的车钩侧翼梁构成的封闭腔形结构；所述钩缓运动区由上层的波纹板，车钩安装座，两翼的车钩前撑梁以及防撞墙形成。

在其中一个优选的实施例中，所述防爬器支撑区和钩缓运动区由车钩前撑梁隔开；优选所述车钩前撑梁整体呈t型状，该车钩前撑梁的上方盖板与波纹板固连形成数个局部封闭型腔结构。由此，牵引前撑梁呈t型状，上方盖板与梯形波纹板形成腔形结构，提供足够的支撑刚度传递车钩作用力。

在其中一个优选的实施例中，所述底架前端结构内设有与防撞墙平行的若干个导向装置；优选相邻两个导向装置间距小于防爬器的后退行程，且每个导向装置的前方刚度小于后方刚度；优选所述防撞墙的纵向刚度大于侧护板和波纹板的纵向刚度之和；优选位于导向装置前方的波纹板比位于导向装置后方的波纹板的板厚更薄、强度更弱。

在其中一个优选的实施例中，所述防爬器包括位于前端的防爬齿板，与防爬齿板垂直的导向机构，与导向机构平行布置的吸能装置，以及位于尾端的安装底座；优选所述防爬齿板与导向机构为一体结构；优选所述安装底座、防撞墙上均开有与导向机构配合的导向孔；所述车钩侧翼梁在对应导向机构的位置开有导向孔。

在其中一个优选的实施例中，所述防爬器的导向机构位于吸能装置的内部，且导向机构之间吸能装置无相互连接。

在其中一个优选的实施例中，所述侧护板与后方的底架边梁相连，所述车钩前撑梁与后方的车钩安装座相连，且该车钩前撑梁上开有垂向方向的压溃引导孔。

在其中一个优选的实施例中，所述防爬器、底架前端结构和底架本体的纵向刚度依次递增。

在其中一个优选的实施例中，所述防撞墙为整体型材的结构梁，该防撞墙的两侧段分别与对应的侧护板相连，所述防撞墙在中间位置开有缺口。

在其中一个优选的实施例中，所述防爬器吸能区内部设有负刚度结构，所述负刚度结构的四周被上下两层波纹板、底架边梁以及车钩前撑梁包围，在负刚度结构的中间相应位置保留缺口；优选所述负刚度结构为负刚度蜂窝结构；更优选所述负刚度结构采用尼龙或硅树脂材料制成。由此，在防爬器支撑区内部、导向装置导向孔的四周镶嵌有负刚度蜂窝结构，负刚度蜂窝可采用尼龙、硅树脂等材料，压溃时可吸收部分能量，后续可取出通过拉伸力恢复原样，重复利用。

由此，轨道车辆底架结构，充分利用了可拆卸式防爬器的导向机构，保持车体轻量化的同时，提高列车耐碰撞性能。包含以下内容：

1)列车底架结构包括底架本体、底架前端结构、可拆卸式防爬器。底架前端设置防撞墙、底架变形吸能区以及车钩安装梁。自带导向机构的吸能防爬器安装在防撞墙上，吸能防爬器和底架变形吸能区采用串联式分别位于防撞墙的前后端。

2)底架变形吸能区主要通过波纹状变形板吸能，包括中间的钩缓运动区和位于两侧的防爬器支撑区。防爬器支撑区包括底架侧梁、缓冲梁以及变形板等结构。防爬器支撑区内部设有若干与防撞墙平行的导向装置，导向装置间距小于防爬器的后退行程，且每个导向装置前方刚度小于后方。

3)当列车碰撞时，防爬器发生变形吸能，其导向机构后退，穿过防爬器支撑区内部的导向装置，在底架变形时提供垂向支撑力并引导底架变形吸能区发生稳定、有序变形，同时压溃负刚度蜂窝结构进行变形吸能。

4)防爬器导向机构可为十字、工字、t型、方形、圆形等形状，在后退端设有倒角，方便控制导向机构的后退轨迹。

5)防爬器支撑区内部的导向装置可为板材、盒装、管状等结构。

6)变形板优先采用受载荷时变形较均匀的梯形波纹状，也可采用方形波纹状、正弦波纹状、三角形波纹状等。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、列车车体前端设置了底架变形吸能区参与更高速度碰撞吸能，列车碰撞安全性进一步提升，为乘客提供了更好的安全保护。

2、设置了底架变形吸能区，该区域的垂向刚度巧妙利用了防爬器的导向机构，保证车体稳定、有序地变形吸能，还可有效缓解列车前端重量过重引起轴重不平衡问题。

3、导向装置导向孔的四周镶嵌有尼龙、硅树脂等材料制成的负刚度蜂窝结构，可增大碰撞时压溃变形部件的受力面积，增强稳定性，同时该材料可重复使用，经济性较好。

4、列车前端结构简单，制造方便。

5、相对于cn201080063563而言，本申请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。

6、相对于cn201310505736而言，本申请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。

附图说明

图1是本发明一个实施例的结构原理图；

图2是本发明底架结构侧视面；

图3是本发明防爬器结构示意图；

图4是本发明防爬器导向机构示意图；

图5是本发明防爬器内部结构示意图；

图6是本发明图2的a-a剖视图；

图7是本发明图2的b-b剖视图；

图8是本发明导向装置示意图；

图9是本发明负刚度结构示意图；

图10是本发明图6的c-c剖视图；

图11是本发明图6的d-d剖视图；

图12是本发明防爬器压溃示意图；

图13是本发明底架吸能区部分压溃示意图；

图14是本发明底架吸能区完全压溃示意图。

在图中：底架本体1，底架地板11，底架边梁12，车钩支撑梁13，车钩侧翼梁14，导向孔14a，车钩安装座15，底架前端结构2，防撞墙21，缺口21a，波纹板22，侧护板23，车钩前撑梁24，t型板241，导向装置25，导向孔25a，防爬器3，防爬齿板31，导向机构32，引导角32a，吸能装置33，安装底座34，螺纹块35，负刚度结构4，负刚度结构压溃状态4'；

防爬器支撑区a、钩缓运动区b；

防爬器吸能区e1、底架变形吸能区e2；

防爬器有效吸能行程h1、底架变形吸能区有效吸能行程h2、导向机构距导向装置距离h3。

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。

本实施例的轨道车辆底架结构如图1底架结构示意图所示：底架结构主要包括底架本体1、底架前端结构2、防爬器3三部分，纵向方向从列车前端向后依次为防爬器3、底架前端结构2和底架本体1，且纵向刚度依次递增。防爬器3为可拆卸式，且自带导向机构，通过螺栓固定在底架前端结构2的防撞墙21的两侧。底架前端结构2为底架变形吸能区，可先于底架本体1发生变形压溃。防爬器3和底架前端结构2采用串联式分别位于防撞墙21的前后方。

底架本体1包括位于两侧的底架边梁12，位于车体中部，且与底架边梁12相连的底架地板11，位于底架地板11下方呈纵向布置的车钩支撑梁13，位于车钩支撑梁13前部的车钩安装座15，以及位于车钩安装座15两翼并与底架边梁12相连的车钩侧翼梁14组成。

底架前端结构2主要由位于车端的防撞墙21，防撞墙21后方的波纹板22，波纹板22两侧的侧护板23，位于波纹板22下方并与防撞墙21、车钩安装座15相连的车钩前撑梁24组成。侧护板23与后方的底架边梁12相连，并在碰撞时由底架边梁12提供支撑力，侧护板23开有垂向方向的腰孔压溃引导孔，可先于底架边梁12发生变形。车钩前撑梁24与后方的车钩安装座15相连，并开有垂向方向的腰孔压溃引导孔，可先于车钩支撑梁13、车钩安装座15发生变形。

底架前端结构2横向可分成三个区域，包括两个位于侧部的防爬器支撑区a和一个位于中部的钩缓运动区b。防爬器支撑区a结构由上下两层波纹板22，前方的防撞墙21，后方的车钩侧翼梁14构成的封闭腔形结构。在该结构设置了若干数量的与防撞墙21平行的导向装置25，导向装置25间距小于防爬器3的后退行程，用于在碰撞过程中底架变形时，引导防爬器3中导向机构32后退，并能提供足够的垂向支撑力，引导底架变形吸能区发生稳定、有序变形。钩缓运动区b由上层波纹板22，车钩安装座15，两翼的车钩前撑梁24以及防撞墙21组成。底架变形吸能区主要通过两端与侧护板23连接的上层波纹板22，以及吸能防爬器支撑区a下层波纹板22吸能。

防撞墙21为整体型材的结构梁，两侧与侧护板23相连，防撞墙21在中间开有缺口21a用于保证车钩在钩缓运动区b的上下及左右摆动空间，在两侧有足够的高度用于防爬器3的安装。当发生碰撞时，防撞墙21用于承载防爬器3的纵向力和垂向力，并向侧护板23和波纹板22传递纵向载荷，且防撞墙21自身的纵向刚度大于侧护板23和波纹板22的刚度总和，在碰撞过程中形成一面整体向后移动的墙体，使车体变形吸能区能均匀、有序地吸能。

图2是底架结构侧视面。底架前端结构2包括防爬器吸能区e1和底架变形吸能区e2。防爬器吸能区e1位于防撞墙21之前，主要包括防爬器3，其有效吸能行程为h1。底架变形吸能区e2包括防撞墙21、侧护板23等部件，位于车钩侧翼梁14、车钩安装座15之前，其有效吸能行程为h2。两个吸能区呈串联式分布。防爬器3通过螺栓固定在位于防撞墙21型材型腔内部的螺纹块35上，其余部件间连接都采用焊接方式。

图3是防爬器结构示意图。防爬器3包括位于前端的防爬齿板31，与防爬齿板31垂直的导向机构32，与导向机构32平行布置的吸能装置33，以及位于尾端的安装底座34。除了导向机构32与安装底座34没有相互接触外，其余部件都采用焊接方式连接。

安装底座34、防撞墙21开有与导向机构32类似形状，但尺寸偏大的孔，以便导向机构32能穿过并引导吸能装置33压溃变形。防爬器3在承受撞击力时，纵向力全部靠吸能装置33承担，并把力传递给安装底座34，进而传递到防撞墙21上；垂向力主要靠导向机构32承担，并依靠安装底座34以及防撞墙21提供垂向支撑力。

图4是防爬器导向机构示意图。防爬齿板31与导向机构32焊接为一体，两列车发生碰撞时，两块防爬齿板31的防爬齿发生啮合以限制垂向的相对运动，防止一列车相对另一列车发生爬起现象。导向机构32可为十字、工字、t型、方形、圆形等形状，在后退端设有引导角32a，方便控制导向机构的后退轨迹。

图5是防爬器内部结构示意图。防爬器3的导向机构32位于吸能装置33的内部，且两者没有直接的相互连接，这样导向机构32运动时不会对吸能装置33产生阻碍等影响。

图6是图2的a-a剖视图。底架地板11位于底架本体1的上部，与两侧的底架边梁12相连，车钩安装座15与车钩侧翼梁14位于同一截面，车钩安装座15后方设置有车钩支撑梁13。车钩支撑梁13用来承载钩缓系统的纵向力。车钩侧翼梁14主要用来承载和传递钩缓系统转弯时，给车钩安装座15带来的侧向冲击力。车钩侧翼梁14在对应导向机构32的位置开有导向孔14a，为导向机构32后退时提供后退空间，同时限位约束导向机构32的后退轨迹，为防爬器吸能区e1提供良好的垂向刚度，保证防爬器吸能区e1的正常吸能。

图7是图2的b-b剖视图，即防爬器吸能区e1的横向截面图。在防爬器吸能区e1内部的填充了负刚度结构4，负刚度结构4四周被上下两层波纹板22、底架边梁12以及车钩前撑梁24包围，在中间相应位置保留缺口，让出导向机构32的后退空间。

图8是导向装置示意图。导向装置25可以由板材加工而成，也可为盒装、管状等结构。在导向装置25内部设有导向孔25a，导向孔25a与导向机构32形状一致，尺寸适当偏大。

图9是负刚度结构示意图。负刚度结构4可为负刚度蜂窝结构，可采用尼龙、硅树脂等材料，受压力时可转变为负刚度结构压溃状态4'，吸收部分能量。后续可取出，通过拉伸力恢复原样，重复利用。

图10是图6的c-c剖视图。防爬器支撑区a和钩缓运动区b由车钩前撑梁24隔开，车钩前撑梁24呈t型状，上方盖板与波纹板22焊接，形成数个局部封闭型腔结构，为波纹板22提供足够的支撑，并把车钩安装座15上的车钩纵向作用力传递给防撞墙21，形成框架型承载结构。在钩缓运动区b，车钩安装座15和防撞墙21之间只有一层波纹板22，该结构具有良好的垂向刚度，可用来承载车上司乘人员及操作台等设备；同时纵向刚度较弱，有利于变形吸能。

图11是图6的d-d剖视图，即防爬器吸能区e1、底架变形吸能区e2的纵向剖视图。防爬器3的导向机构32可适当延伸出安装底座34以外，以缩短导向机构32距导向装置距离h3，保证防爬器有效吸能行程h1、底架变形吸能区有效吸能行程h2、导向机构32距导向装置距离h3依次变小。这样在防爬器吸能区e1、底架变形吸能区e2依次变形完成后，导向机构32能依次穿过导向装置25及车钩侧翼梁14。此外，位于导向装置25前方的波纹板22a比位于导向装置25后方的波纹板22b板厚更薄、强度更弱，在碰撞过程中更容易变形压溃。

图12-图14分别是防爬器压溃示意图、底架吸能区部分压溃示意图、底架吸能区完全压溃示意图，表示防爬器吸能区e1、底架变形吸能区e2在列车碰撞过程中压溃吸能过程中的不同状态。当防爬器3完全压溃时，其吸能装置33变成塑性铰结构，防爬齿板31相对于防撞墙21基本不在发生相对位移，导向机构32穿过导向装置25的导向孔25a。随后开始对底架变形吸能区e2位于导向装置25前方的波纹板22a进行压溃，同时导向机构32继续向列车后方运动，进而穿过车钩侧翼梁14的导向孔14a，继续对位于导向装置25后方的波纹板22b进行压溃，直至底架变形吸能区e2，在压溃波纹板22时，同时压溃位于防爬器吸能区e1内部的负刚度结构4。通过在底架前端吸收碰撞过程中大量动能，最大程度保护客室区域不损坏，提升列车碰撞安全性能。

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申请所附权利要求所限定的范围。

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