CN113291333A - 一种高速度地铁头车车体结构 - Google Patents

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孙泽
杨怀生
梁士国
李博
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Abstract

本发明提供一种高速度地铁头车车体结构，包括底架、车顶、侧墙、端墙、司机室骨架和排障器，底架端部设有底架端梁，底架端梁外侧以车辆纵向中心对称设两个防爬器，其特征在于，所述底架的端部设有两级吸能结构；司机室骨架加强设计；司机室骨架后方设置一位端端墙骨架；排障器上设置抽屉式吸能单元。本发明的高速度地铁头车车体结构，通过设置两级吸能结构以及对司机室骨架的加强设计，其耐撞性能得到显著提高和改善，被动安全性能满足高速度等级城市地铁车辆要求，并满足同相同线路货车、公路车辆及平交路口障碍物等碰撞要求，为后续城市地体运营提供了全新的高效安全的地铁车体结构。

Description

一种高速度地铁头车车体结构
技术领域
本发明属于轨道车辆制造技术领域，尤其是涉及一种高速度地铁头车车体结构。
背景技术
现有城市轨道交通车辆多为6辆编组或8辆编组形式，设计速度等级通常在100km/h以下。同时碰撞性能满足EN15227标准要求中C-II级别，即满足碰撞速度为时速25公里的相同编组对撞。碰撞能量也多由吸能原件如车钩或防爬器进行吸收，车体结构较少参与到列车碰撞吸能。另外车体结构的碰撞性能也没有考虑同其他货运车辆或公路上车辆等发生碰撞的工况。
高速度等级的城市地铁车辆因载客多且运营速度快，运力高等特点成为很多大城市青睐的地铁车辆，因此开发一种高被动安全性能的高载客量高速度等级的车体结构，以适应城市轨道交通行业的发展和需求。
发明内容
本发明旨在解决现有地铁车辆的被动安全性能不能满足高速度等级城市地铁车辆要求的问题，从而提供一种高速度地铁头车车体结构，可以满足高速度等级城市地铁车辆被动安全性能，并且可实现与其他货运车辆或公路上车辆混合运营，提高城市交通运力。
为实现上述发明目的，本发明提供一种高速度地铁头车车体结构，包括底架、车顶、侧墙、端墙、司机室骨架和排障器，底架端部设有底架端梁，底架端梁外侧以车辆纵向中心对称设两个防爬器，其特征在于，所述底架的端部设有两级吸能结构，第一级吸能结构设置在两侧防爬器和底架端梁之间，每侧一个吸能单元；第二级吸能结构设置在底架端梁后方，与第一级吸能结构位置对应，每侧两个吸能单元，以车辆纵向中心对称布置；司机室骨架前面设有两个端角柱，两个端角柱之间连接腰部横梁，腰部横梁中部设置防撞柱；司机室骨架侧面设有立柱，端角柱与立柱间设置斜支撑梁；司机室骨架上面为框架结构，框架结构两侧为侧纵梁，所述端角柱上部向后倾斜，端角柱上端部与侧纵梁前端固定连接；司机室骨架后方设置一位端端墙骨架；排障器上设置抽屉式吸能单元。
进一步地，所述吸能单元包括主箱体，主箱体的中间部位设置方形钢管，方形钢管和主箱体之间垂直间隔放置隔板。
进一步地，所述主箱体和方形钢管都在端部设置压溃导向槽，在碰撞时可确保吸能单元按照设计进行有序可控变形，以吸收能量。。
进一步地，所述侧纵梁外侧设有加强梁。
进一步地，所述侧纵梁与端角柱固定连接的转角位置增设连接板，防止碰撞发生时，连接位置受剪切力直接剪断。
进一步地，所述防撞柱断面中间设置纵向筋板，增加强度。
进一步地，所述端角柱断面中间设置纵向筋板，增加强度。
本发明的高速度地铁头车车体结构，通过设置两级吸能结构以及对司机室骨架的加强设计，其耐撞性能得到显著提高和改善，被动安全性能满足高速度等级城市地铁车辆要求，并满足同相同线路货车、公路车辆及平交路口障碍物等碰撞要求，并且其运营速度可以大幅提升，可实现十辆编组形式，有效解决大城市高峰时期的交通运输问题，为后续城市地体运营提供了全新的高效安全的地铁车体结构。
附图说明
图1为地铁车体结构整体示意图；
图2为底架端部结构示意图；
图3为两级吸能结构示意图；
图4为第一级吸能结构内部结构示意图；
图5为第二级吸能结构等断面矩形箱体内部结构示意图；
图6为第二级吸能结构非等断面矩形箱体内部结构示意图；
图7为司机室骨架结构示意图；
图8为司机室骨架侧面视图；
图9为排障器结构示意图；
其中：1、底架；2、车顶；3、侧墙；4、端墙；5、司机室骨架；6、排障器；
11、吸能结构；12、防爬器；13、第一级吸能结构；14、底架端梁；15、第二级吸能结构；16、底架边梁；41、一位端端墙骨架；50、立柱；51、端角柱；52、防撞柱；53、腰部横梁；54、端部横梁；55、上部弯梁；56、侧纵梁；57、加强梁；58、连接板；59、斜支撑梁；61、排障器主体；62、抽屉式吸能单元；63、安装座。
111、主箱体；112、方形钢管；113、隔板；114、导向槽。
具体实施方式
参照图1，本实施例地铁头车车体结构包括底架1，车顶2，侧墙3，端墙4，司机室骨架5和排障器6。底架1，车顶2，侧墙3，端墙4构成车体的基本框架，头车前端设有司机室骨架，司机室骨架与车体的端墙连为一体，结构更加牢固，排障器6安装在底架前端下部。在车辆发生碰撞过程中，设置在底架钢结构端部的两级吸能结构将在车钩和防爬器吸能工作完成后，参与车辆碰撞吸能，并将车体结构的压溃破坏限制在设计的区域内，为司机和乘客提供有效的安全逃生空间。司机室骨架结构中的防撞柱承载同货车或罐车相撞时产生的力，并将力通过设置的后方斜支撑梁，有效传递到承载能力更高的底架边梁上。设置在底架下部前方位置的排障器用于清扫轨道上较低较小的障碍物。
参照图2，底架端部设有底架端梁14，底架端梁外侧以车辆纵向中心对称设两个防爬器12，底架1端部车钩座前方设有底架吸能结构11，底架吸能结构包括第一级吸能结构13和第二级吸能结构15，第一级吸能结构13设置在防爬器12后方，底架端梁14两侧，共有两个吸能单元组成，以纵向中心对称布置。第二级吸能结构15设置在底架端梁14后方，共有4个吸能单元组成，以车辆纵向中心进行对称布置，其中靠近底架边梁16的吸能单元为等断面矩形箱体结构，靠近中心位置的吸能单元为非等断面矩形箱体结构。
第一级吸能结构13和第二级吸能结构15中的吸能单元，包括主箱体111，方形钢管112，隔板113和导向槽114，方形钢管112设置在主箱体111的中间部位，在方形钢管112的外部按一定间隔放置隔113板，穿插至主箱体111外部。内部方形钢管112主要用于增加吸能结构的承载力，在碰撞时保证垂向方向具有一定的稳定性，隔板113在碰撞中保证吸能单元结构逐级逐层进行压溃，主箱体111和内部的方形钢管112，均在端部设置压溃导向槽114，在碰撞时可确保吸能单元按照设计进行有序可控变形，以吸收能量。
司机室骨架结构包括端角柱51、防撞柱52、腰部横梁53、斜支撑梁59、侧纵梁56、加强梁57、连接板58、一位端端墙骨架41、上部弯梁55和端部横梁54，整个骨架结构采用高强度碳钢材料，焊接组成。
司机室骨架前面两个端角柱51采用大矩形断面110mm×190mm，厚度10mm，并且断面中间设置相同厚度纵向筋板；端角柱51之间连接腰部横梁53，腰部横梁宽度150mm，将高度设置在距轨面2000mm左右的高度位置上，以承载同公路车辆相撞时产生的力，为司机提供安全的逃生空间，保护司机的安全。腰部横梁中部设置两个防撞柱52，断面为100mm×170mm，厚度8mm，断面中间设置相同厚度纵向筋板；司机室骨架侧面设有立柱50，端角柱51与立柱50间设置斜支撑梁59，连接至底架边梁位置，将力有效传递到承载能力较高的底架结构上；司机室骨架上侧为横梁和上部弯梁55组成的框架结构，框架结构两侧为侧纵梁56，侧纵梁56在侧面进行加强设计，采用宽截面的矩形断面加强梁57，侧纵梁56前端为端部横梁54，端角柱51上部向后倾斜，端角柱51上端部与侧纵梁56前端固定连接；端角柱51和侧纵梁56之间的连接转角位置，增加一层连接板58，防止碰撞发生时，连接位置受剪切力直接剪断。司机室骨架后方设置一位端端墙骨架41，提高司机室骨架的刚度和强度。司机室骨架结构5在同80t货车和15t可变形障碍物碰撞工况中，起重要承载作用。
排障器包括排障器主体61、抽屉式吸能单元62、安装座63。排障器呈”V”型结构，张开的角度应大于160度。排障器用于清扫轨道上障碍物。基于EN15227标准的排障器仿真分析：排障器满足标准规定的静载要求，结构不发生屈服；排障器中设置的铝蜂窝吸能结构：铝蜂窝吸能单元的最大吸能行程为137mm，阻抗力为254±10％kN，能量吸收能力约为35kJ；
本发明的地铁头车车体结构，按照EN15227中C-I级要求的碰撞工况：
1)以36km/h速度行驶的10辆编组列车，与相同编组列车相撞；
2)以36km/h速度行驶的10辆编组列车垂向向上偏移40mm后，与相同编组列车相撞；
3)以36km/h速度行驶的10辆编组列车，与80t货车相撞；
4)以80km/h速度行驶的10辆编组列车，与15t的可变形障碍物相撞；
5)以运营速度同轨道上较小，较低的障碍物相撞。
按照上述碰撞工况分别进行仿真分析验证，校核司机和乘客的安全逃生空间，车辆碰撞时平均减速度，以及车辆是否发生爬车或脱轨。通过仿真分析验证，各碰撞工况下，司机逃生空间最小为311mm，高度方向变形厚高度为变形前的99.8％，满足标准要求的司机台距离座椅的空间不小于300mm，司机室座椅乘坐空间高度不小于750mm或车顶变形后高度至少为变形前高度的80％。客室区域最大塑性变形为21mm，乘客逃生空间满足标准要求的每5m长度发生的变形不超过50mm或塑性应变小于该变形区域的10％。
通过仿真分析验证，工况1，工况2和工况4下的平均减速度分别为2.24g，4.68g和2.23g，小于标准规定的5g。工况3平均减速度为5.67g，小于标准规定的7.5g。并且，车辆在各碰撞工况下，未发生脱轨，车辆防爬也满足要求。
本实施例的高速度地铁头车车体结构耐撞性能得到显著提高和改善，被动安全性能满足高速度等级城市地铁车辆要求，并满足同相同线路货车、公路车辆及平交路口障碍物等碰撞要求，并且其运营速度可实现130km/h，最大设计速度可达到143km/h，可实现十辆编组形式，有效解决大城市高峰时期的交通运输问题。

Claims (7)

1.一种高速度地铁头车车体结构，包括底架(1)、车顶(2)、侧墙(3)、端墙(4)、司机室骨架(5)和排障器(6)，底架端部设有底架端梁(14)，底架端梁外侧以车辆纵向中心对称设两个防爬器(12)，其特征在于，所述底架(1)的端部设有两级吸能结构(11)，第一级吸能结构(13)设置在两侧防爬器(12)和底架端梁(14)之间，每侧一个吸能单元；第二级吸能结构(15)设置在底架端梁(14)后方，与第一级吸能结构(13)位置对应，每侧两个吸能单元，以车辆纵向中心对称布置；司机室骨架(5)前面设有两个端角柱(51)，两个端角柱(51)之间连接腰部横梁(53)，腰部横梁(53)中部设置防撞柱(52)；司机室骨架侧面设有立柱(50)，端角柱(51)与立柱(50)间设置斜支撑梁(59)；司机室骨架上面为框架结构，框架结构两侧为侧纵梁(56)，所述端角柱(51)上部向后倾斜，端角柱(51)上端部与侧纵梁(56)前端固定连接；司机室骨架(5)后方设置一位端端墙骨架(41)；排障器(6)上设置抽屉式吸能单元(62)。
2.根据权利要求1所述的一种高速度地铁头车车体结构，其特征在于：所述吸能单元包括主箱体(111)，主箱体(111)的中间部位设置方形钢管(112)，方形钢管(112)和主箱体(111)之间垂直间隔放置隔板(113)。
3.根据权利要求2所述的一种高速度地铁头车车体结构，其特征在于：所述主箱体(111)和方形钢管(112)都在端部设置压溃导向槽(114)。
4.根据权利要求1所述的一种高速度地铁头车车体结构，其特征在于：所述侧纵梁(56)外侧设有加强梁(57)。
5.根据权利要求1所述的一种高速度地铁头车车体结构，其特征在于：所述侧纵梁(56)与端角柱(51)固定连接的转角位置增设连接板(58)。
6.根据权利要求1所述的一种高速度地铁头车车体结构，其特征在于：所述防撞柱(52)断面中间设置纵向筋板。
7.根据权利要求1所述的一种高速度地铁头车车体结构，其特征在于：所述端角柱(51)断面中间设置纵向筋板。
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