列车脱轨旋转防撞桶、脱轨碰撞吸能防护装置及碰撞吸能方法

摘要

本发明公开了一种列车脱轨旋转防撞桶、脱轨碰撞吸能防护装置及碰撞吸能方法，其中列车脱轨旋转防撞桶包括防撞桶本体和支撑杆，防撞桶本体包括由内向外依次围绕复合的阻尼缓冲层、主吸能层、失稳抑制吸能层和高分子缓冲层，阻尼缓冲层和高分子缓冲层之间安装有阻尼吸能杆，阻尼吸能杆贯穿通过主吸能层和失稳抑制吸能层，支撑杆穿设于阻尼缓冲层内，支撑杆的两端从防撞桶本体的两端伸出。该列车脱轨旋转防撞桶及脱轨碰撞吸能防护装置具有多级吸能结构，能够显著吸收列车脱轨后的碰撞动能，减小传递到乘员上的载荷，实现乘员的二次碰撞保护，并可对脱轨列车进行导向，防止列车冲出线路。

说明书

技术领域

本发明涉及轨道交通安全技术领域，具体而言，涉及一种列车脱轨旋转防撞桶、脱轨碰撞吸能防护装置及碰撞吸能方法。

背景技术

我国在建造铁路尤其是高速铁路时，为了减小占地面积，通常采用高架桥的方式。我国高速铁路线上桥梁结构平均占比约50％。列车在桥梁段发生脱轨事故时，一旦冲出桥面掉入桥底，其巨大的冲击力会带来严重的人员伤亡及财产损失，如7.23甬温线动车组事故，列车从桥梁上掉落，极大地加重了乘员伤亡及乘员的援救难度。

为了防止列车脱轨时从桥上掉落下来，我国现通常在桥上设置混凝土防护墙。但混凝土防护墙由于其刚度大，缓冲吸能效果差，在和脱轨列车发生碰撞时将对列车产生巨大的冲击力，从而加剧了乘员的碰撞伤亡风险。此外，列车在曲线路段等脱轨风险大的区域，一旦发生脱轨将和周边基础设施发生碰撞，加重乘员二次碰撞。

为了解决列车脱轨碰撞冲击力大的问题，已有学者做了一些探索。例如，专利公开号为CN108625283A的名为“一种用于高速铁路桥梁的半刚性护栏”的中国专利，介绍了一种在列车脱轨碰撞时可发生弹塑性变形的半刚性护栏，但该护栏导向功能较差，虽然能在一定程度上减小乘员伤亡，但作用于列车的冲击加速度依旧较大。

综上，现在的铁路脱轨碰撞防护装置均存在一定的不足，需要进一步改进。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种列车脱轨旋转防撞桶、脱轨碰撞吸能防护装置及碰撞吸能方法，该列车脱轨旋转防撞桶及脱轨碰撞吸能防护装置具有多级吸能结构，能够显著吸收列车脱轨后的碰撞动能，减小传递到乘员上的载荷，实现乘员的二次碰撞保护，并可对脱轨列车进行导向，防止列车冲出线路。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种列车脱轨旋转防撞桶，包括防撞桶本体和支撑杆，防撞桶本体包括由内向外依次围绕复合的阻尼缓冲层、主吸能层、失稳抑制吸能层和高分子缓冲层，阻尼缓冲层和高分子缓冲层之间安装有阻尼吸能杆，阻尼吸能杆贯穿通过主吸能层和失稳抑制吸能层，支撑杆穿设于阻尼缓冲层内，支撑杆的两端从防撞桶本体的两端伸出。

进一步地，主吸能层为蜂窝铝，失稳抑制吸能层为点阵夹层吸能结构，高分子缓冲层为乙烯-醋酸乙烯共聚物和聚乙烯共混物弹性复合材料。

进一步地，防撞桶本体内沿阻尼缓冲层的长度方向间隔设置有多组阻尼吸能杆，每一组阻尼吸能杆均包括沿阻尼缓冲层周向均布设置的多根阻尼吸能杆。

根据本发明的另一方面，提供了一种列车脱轨碰撞吸能防护装置，包括防护栏，防护栏上并排安装有多个上述的列车脱轨旋转防撞桶，列车脱轨旋转防撞桶中的支撑杆的两端通过轴承可转动地安装在防护栏上。

进一步地，多个列车脱轨旋转防撞桶分为前防撞桶组和后防撞桶组，前防撞桶组的列车脱轨旋转防撞桶中的支撑杆通过第一传动齿轮与一旋转发电机相连接，旋转发电机与一储电模块相连接，后防撞桶组的列车脱轨旋转防撞桶中的支撑杆通过第二传动齿轮与一电动机相连接，电动机与储电模块相连接。

进一步地，列车脱轨碰撞吸能防护装置还包括一控制模块，前防撞桶组的列车脱轨旋转防撞桶中的高分子缓冲层内安装有压力传感器，压力传感器和储电模块均与控制模块相连接。

进一步地，防护栏包括上波纹吸能板和下波纹吸能板，支撑杆的上下两端通过轴承和轴承座分别安装在上波纹吸能板和下波纹吸能板的背面，防撞桶本体位于上波纹吸能板和下波纹吸能板之间。

进一步地，支撑杆下方的路基中埋设有轴承，支撑杆的下端伸入路基中，并且可转动地安装在路基的轴承内。

进一步地，支撑杆的顶部安装有太阳能板，太阳能板与储电模块相连接。

根据本发明的另一方面，提供了一种上述的列车脱轨碰撞吸能防护装置的碰撞吸能方法，该碰撞吸能方法包括：

列车脱轨后与前防撞桶组发生碰撞，前防撞桶组中的列车脱轨旋转防撞桶在碰撞力的作用下正向转动，通过列车脱轨旋转防撞桶吸收碰撞动能并对脱轨列车的行驶方向进行导向；在列车脱轨旋转防撞桶转动过程中通过第一传动齿轮带动旋转发电机工作产生电能，旋转发电机和太阳能板产生的电能存储在储电模块中；

安装于前防撞桶组中的压力传感器检测到列车对列车脱轨旋转防撞桶的冲击力，并将冲击力强度信号发送给控制模块，控制模块给储电模块发送指令，控制储电模块向与后防撞桶组相连的电动机供电，电动机通过第二传动齿轮驱动后防撞桶组中的列车脱轨旋转防撞桶在列车撞击后防撞桶组之前反向转动；

在列车撞向后防撞桶组时，通过提前反向转动的后防撞桶组进行碰撞吸能，增加防护装置的吸能效率，并对脱轨列车的行驶方向进行导向。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明的列车脱轨旋转防撞桶具有多级吸能结构，通过防撞桶的旋转以及多层吸能结构，能够显著吸收列车脱轨后的碰撞动能，减小传递到乘员上的载荷，实现乘员的二次碰撞保护，并可对脱轨后的列车进行导向，防止列车直接冲出线路。

(2)本发明的列车脱轨碰撞吸能防护装置，通过列车脱轨旋转防撞桶与波纹吸能板的组合，实现双重防护，可保证列车高速脱轨后仍然不会冲出线路。

(3)本发明的列车脱轨碰撞吸能防护装置，通过将列车脱轨旋转防撞桶分为前、后两组，列车碰撞前防撞桶组后动能转化为旋转防撞桶的旋转能，进一步转化为电能为电动机供电，驱动后防撞桶组中的旋转防撞桶提前反转，在实现变废为宝的同时，更好地吸收列车脱轨后的碰撞能量。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例的列车脱轨碰撞吸能防护装置正面的结构示意图。

图2为本发明实施例的列车脱轨碰撞吸能防护装置背面的结构示意图。

图3为本发明实施例的列车脱轨旋转防撞桶与第二传动齿轮、电动机连接的结构示意图。

图4为本发明实施例的列车脱轨旋转防撞桶内部阻尼吸能杆的布置示意图。

图5为本发明实施例的列车脱轨旋转防撞桶中点阵夹层吸能结构失稳抑制吸能层的结构示意图。

图6为列车脱轨后撞击本发明的列车脱轨碰撞吸能防护装置的受力示意图。

图7为本发明实施例的列车脱轨碰撞吸能防护装置的多级吸能流程图。

图8为本发明实施例的列车脱轨碰撞吸能防护装置碰撞发电并驱动后防撞桶组反转的工作流程图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

1、防撞桶本体；2、支撑杆；3、防护栏；4、前防撞桶组；5、后防撞桶组；6、第一传动齿轮；7、旋转发电机；8、储电模块；9、第二传动齿轮；10、电动机；11、阻尼缓冲层；12、主吸能层；13、失稳抑制吸能层；14、高分子缓冲层；15、阻尼吸能杆；31、上波纹吸能板；32、下波纹吸能板。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。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。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而仅仅是为了便于对相应零部件进行区别。同样，“一个”或者“一”等类似词语不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。

实施例1：

参见图3、图4和图5，一种本发明实施例的列车脱轨旋转防撞桶，该列车脱轨旋转防撞桶主要包括防撞桶本体1和支撑杆2。其中，防撞桶本体1包括由内向外依次围绕复合的阻尼缓冲层11、主吸能层12、失稳抑制吸能层13和高分子缓冲层14；在阻尼缓冲层11和高分子缓冲层14之间还固接安装有阻尼吸能杆15，该阻尼吸能杆15贯穿通过主吸能层12和失稳抑制吸能层13，支撑杆2穿设在阻尼缓冲层11内，并且该支撑杆2的两端从防撞桶本体1的两端伸出，阻尼缓冲层11与支撑杆2固接。

上述的列车脱轨旋转防撞桶，在使用时将支撑杆2的上下两端可转动地安装在防护栏3上，列车碰撞旋转防撞桶时可使列车脱轨旋转防撞桶发生转动。该列车脱轨旋转防撞桶的防撞桶本体1，通过采用由内向外依次围绕复合的阻尼缓冲层11、主吸能层12、失稳抑制吸能层13和高分子缓冲层14，并设置阻尼吸能杆15贯穿通过主吸能层12和失稳抑制吸能层13，形成多级吸能防护结构；高分子缓冲层14设于防撞桶本体1的最外层，以实现防撞桶最外层的防撞耐磨功能；失稳抑制吸能层13安装在防撞桶本体1的第二层，由于列车质量大、冲击动能高，列车冲击旋转防撞桶后会带动列车脱轨旋转防撞桶旋转，使得防撞桶的受力区域出现变化，而失稳抑制吸能层13在强冲击载荷作用下具有较理想的应变行为，不会出现动态失稳等现象，受到动态冲击时，失稳抑制吸能层13将发生有序的大塑性变形，抑制防撞桶的失稳，并大量吸收冲击动能；主吸能层12安装在防撞桶本体1的第三层，能量吸收效率高且存在压缩极限，在失稳抑制吸能层13有序变形吸能后，主吸能层12进一步承受冲击载荷吸收冲击动能，而主吸能层12的压缩极限可保证旋转防撞桶的完整度不被破坏，从而防止列车冲破旋转防撞桶；阻尼缓冲层11和支撑杆2固接，用来吸收过多的碰撞能量，保护支撑杆2，防止支撑杆2屈曲；阻尼吸能杆15在吸收碰撞能量的同时，还能给失稳抑制吸能层13和主吸能层12提供压溃导向功能，防止失稳抑制吸能层13和主吸能层12偏载失效。该列车脱轨旋转防撞桶具有多级吸能结构，可对脱轨列车的碰撞动能进行多级吸能，显著吸收列车脱轨后碰撞动能，减小传递到乘员上的载荷，并可通过旋转作用对脱轨列车的行驶方向进行导向，防止列车直接冲出线路。

具体来说，在本实施例中，主吸能层12采用蜂窝铝，蜂窝铝沿着防撞桶本体1的内部周向填充在阻尼缓冲层11和失稳抑制吸能层13之间。蜂窝铝材料的能量吸收效率高且存在压缩极限，在失稳抑制吸能层13有序变形吸能后，蜂窝铝可以进一步承受冲击载荷吸收冲击动能，而蜂窝铝材料的压缩极限可保证旋转防撞桶的完整度不被破坏，从而有效地防止列车冲破旋转防撞桶。失稳抑制吸能层13采用点阵夹层吸能结构(如图5所示)，该点阵夹层吸能结构在强冲击载荷作用下具有较理想的应变行为，不会出现动态失稳等现象，受到动态冲击时，点阵夹层吸能结构内部的点阵芯材将发生有序的大塑性变形，抑制防撞桶的失稳，并大量吸收冲击动能。高分子缓冲层14采用乙烯-醋酸乙烯共聚物和聚乙烯共混物弹性复合材料，能够有效地实现防撞桶最外层的防撞耐磨功能。

参见图4，在本实施例中，防撞桶本体1内沿阻尼缓冲层11的长度方向间隔设置有多组阻尼吸能杆15，且每一组阻尼吸能杆15均包括沿阻尼缓冲层11的周向均布设置的多根阻尼吸能杆15。如此设置，通过多组阻尼吸能杆15可以给失稳抑制吸能层13和主吸能层12提供压溃导向功能，有效防止失稳抑制吸能层13和主吸能层12的偏载失效。

实施例2：

参见图1、图2和图6，一种本发明实施例的列车脱轨碰撞吸能防护装置，该列车脱轨碰撞吸能防护装置主要包括防护栏3，在防护栏3上并排安装有多个本发明上述实施例1的列车脱轨旋转防撞桶，该列车脱轨旋转防撞桶中的支撑杆2的两端通过轴承可转动地安装在防护栏3上。列车脱轨旋转防撞桶的具体结构如实施例1记载，在此不再赘述。

上述的列车脱轨碰撞吸能防护装置，通过在防护栏3上可转动地并排安装多个本发明的列车脱轨旋转防撞桶；当列车脱轨撞击列车脱轨旋转防撞桶时，通过防撞桶本体1中的多级吸能结构以及防护栏3，可对脱轨列车的碰撞动能进行多级吸能，显著吸收列车脱轨后碰撞动能，减小传递到乘员上的载荷；并且可通过列车脱轨旋转防撞桶的旋转作用对脱轨列车的行驶方向进行导向，防止列车直接冲出线路。

具体来说，参见图6以及图1和图2，在本实施例中，防护栏3上的多个列车脱轨旋转防撞桶分为两组，分别为前防撞桶组4和后防撞桶组5。其中，前防撞桶组4的每一个旋转防撞桶中的支撑杆2均通过一对第一传动齿轮6与一台旋转发电机7相连接，通过支撑杆2的转动(即旋转防撞桶转动)驱动旋转发电机7进行旋转发电；该旋转发电机7与一个储电模块8相连接，将产生的电能存储在储电模块8内；后防撞桶组5的每一个旋转防撞桶中的支撑杆2均通过一对第二传动齿轮9与一台电动机10相连接，该电动机10与储电模块8相连接，通过储电模块8向电动机10供电，驱动后防撞桶组5中的旋转防撞桶反向转动(与前防撞桶组4的转动方向相反)。

参见图6，通过采用上述前防撞桶组4和后防撞桶组5的旋转防撞桶设置，列车脱轨后以一定的冲击角θ冲击前防撞桶组4使其中的列车脱轨旋转防撞桶正转，列车脱轨旋转防撞桶施加在脱轨列车上的力可分解为纵向滚动摩擦力Fx和横向压力Fy。碰撞过程中，旋转防撞桶的旋转作用可迅速带动失控列车的冲击角θ减小，从而减小列车与旋转防撞桶间的横向压力Fy；同时，列车与旋转防撞桶的纵向摩擦力为滚动摩擦力，远小于传统混凝土防护墙与失控列车间的滑动摩擦力，因此，可以同时减小作用于列车上的横向载荷和纵向载荷。

同时，由于列车脱轨旋转防撞桶沿铁路线路分为前、后两组，前防撞桶组4在列车冲击力的作用下正转，后防撞桶组5在电动机10的驱动下提前反转，可以进一步提高装置的能量吸收效率。其具体工作过程为：列车与前防撞桶组4发生碰撞后，前防撞桶组4在碰撞力的作用下正转并通过第一传动齿轮6带动与前防撞桶组4相连的旋转发电机7产生电能，旋转发电机7产生的电能存储于储电模块8中，储电模块8给电动机10供电，电动机10提前通过第二传动齿轮9驱动后防撞桶组5中的旋转防撞桶反转，在列车撞向后防撞桶组5时，因其旋转防撞桶已提前反转，其转动方向与列车带动旋转防撞桶的旋转方向相反，因此可大大提高其能量吸收效率。

进一步地，在本实施例中，脱轨碰撞吸能防护装置还包括一个控制模块(图中未示出)；在前防撞桶组4的列车脱轨旋转防撞桶中的高分子缓冲层14内还安装有压力传感器(图中未示出)，该压力传感器以及储电模块8均与控制模块相连接。在列车脱轨碰撞前防撞桶组4时，安装于前旋转防撞桶外层中的压力传感器接受到外力冲击信号并将冲击外力的强度发送给控制模块，控制模块给储电模块8发送信号，打开储电模块8的复位开关，给与后防撞桶组5中旋转防撞桶相连的电动机10发送工作信号，电动机10提前通过第二传动齿轮9驱动后旋转防撞桶反向转动(与前防撞桶组4的转动方向相反)。

第一传动齿轮6为伞型齿轮组，其中一个齿轮与列车脱轨旋转防撞桶的支撑杆固接，另一个齿轮与旋转发电机7的输入轴固接。第二传动齿轮9也为伞型齿轮组，其中一个齿轮与列车脱轨旋转防撞桶的支撑杆固接，另一个齿轮与电动机10的输出轴固接。通过采用不同模数的伞型齿轮组，可以实现高传动比的齿轮组设计，提高旋转发电机7和电动机10的工作效率。

参见图1和图2，在本实施例中，防护栏3包括上波纹吸能板31和下波纹吸能板32。支撑杆2的上下两端通过轴承和轴承座分别安装在上波纹吸能板31和下波纹吸能板32的背面。防撞桶本体1位于上波纹吸能板31和下波纹吸能板32之间。如此设置，通过具有多级吸能功能的列车脱轨旋转防撞桶和防护栏3的双重防护，可保证列车高速脱轨后仍然不会冲出线路。

上波纹吸能板31和下波纹吸能板32可为U形、W形、管形或箱形等，在本实施例中，上波纹吸能板31和下波纹吸能板32采用W形。上波纹吸能板31和下波纹吸能板32的背面均通过轴承座与旋转防撞桶的支撑杆2相连接。轴承座里面安装有轴承，与旋转防撞桶的支撑杆2连接，保证旋转防撞桶在列车的冲击下，防撞桶本体1和支撑杆2能够正常旋转，以实现旋转发电机7的发电功能及后防撞桶组5的提前反向旋转功能。

在本实施例中，支撑杆2下方的路基(图中未示出)中也埋设有轴承，支撑杆2的下端伸入路基中，并且可转动地安装在路基的轴承内。如此，可以更好地保证旋转防撞桶在列车的冲击下，防撞桶本体1和支撑杆2能够正常的旋转，后防撞桶组5能够正常的提前反向旋转。

在本实施例中，支撑杆2的顶部还安装有太阳能板(图中未示出)，该太阳能板与储电模块8相连接。通过该太阳能板平时即可进行发电，并将电能储存在储电模块8中，以为后防撞桶组5中的旋转防撞桶反向转动提供电能。

该列车脱轨碰撞吸能防护装置的碰撞吸能方法如下：

列车脱轨与前防撞桶组4发生碰撞，前防撞桶组4中的列车脱轨旋转防撞桶在碰撞力的作用下正向转动(如图6所示)，通过列车脱轨旋转防撞桶吸收碰撞动能并对脱轨列车的行驶方向进行导向；在列车脱轨旋转防撞桶转动过程中通过第一传动齿轮6带动旋转发电机7工作产生电能，旋转发电机7和太阳能板产生的电能存储在储电模块8中(如图8所示)；

具体地，列车脱轨后以一定的冲击角θ冲击前防撞桶组4使其正向转动，列车脱轨旋转防撞桶施加在列车上的力可分解为纵向滚动摩擦力Fx和横向压力Fy；在碰撞过程中，列车脱轨旋转防撞桶的旋转作用可迅速带动失控列车的冲击角θ减小，从而减小列车与旋转防撞桶间的横向压力Fy；同时，列车与旋转防撞桶的纵向摩擦力为滚动摩擦力，远小于传统混凝土防护墙与失控列车间的滑动摩擦力，因此，可以同时减小作用于列车上横向载荷和纵向载荷；

在列车脱轨碰撞前防撞桶组4时，安装于前防撞桶组4的列车脱轨旋转防撞桶中的压力传感器检测到列车对旋转防撞桶的冲击力，并将冲击力强度信号发送给控制模块，控制模块给储电模块8发送指令，控制储电模块8向与后防撞桶组5相连的电动机10供电，电动机10通过第二传动齿轮9驱动后防撞桶组5中的旋转防撞桶在列车撞击后防撞桶组5之前提前反向转动(如图6所示)；

在列车撞向后防撞桶组5时，通过提前反向转动的后防撞桶组5进行碰撞吸能，并对脱轨列车的行驶方向进行导向。

总体而言，本发明的列车脱轨碰撞吸能防护装置，当发生列车脱轨事故撞击防护装置时，列车脱轨旋转防撞桶由于旋转作用，可以改变列车的行驶方向，对列车进行导向，使列车离开防护装置，同时防护装置具备多级吸能功能，可以显著吸收列车碰撞动能。

参见图7，该脱轨碰撞吸能防护装置的吸能过程及原理为：列车脱轨旋转防撞桶通过旋转将碰撞动能转化为旋转能；防撞桶最外层的高分子缓冲层14在碰撞外力作用下通过变形吸能；防撞桶第二层的失稳抑制吸能层13在冲击力的作用下吸收列车动能；防撞桶第三层的主吸能层12在冲击力的作用下通过变形进一步吸收列车动能；安装于防撞桶内部的阻尼吸能杆15在碰撞力的作用下压缩吸能；与防撞桶支撑杆2固接的阻尼缓冲层11在冲击力的作用下变形吸能；安装于旋转防撞桶上下两侧的波纹吸能板进一步通过弯曲等塑形变形吸收碰撞能量。此外，旋转防撞桶沿铁路线路分为前、后两组，前防撞桶组4在列车冲击力的作用下正转，后防撞桶组5在电动机10的驱动下提前反转，以进一步提高吸能装置的能量吸收效率。

本发明的列车脱轨碰撞吸能防护装置，不仅具有多级能量吸收功能，可以最大程度上吸收列车冲击动能；同时可以通过优化匹配设计各吸能层的刚度及强度，控制列车脱轨后的碰撞加速度时域变化，减小列车脱轨后的碰撞载荷，减轻乘员伤亡风险；而且可以通过旋转防撞桶的旋转功能，导向脱轨后列车的行驶方向，防止脱轨后的列车冲出铁路界限或从桥上掉落。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。