专利视角下的轨道列车被动安全技术发展趋势

总第158期 张蕾 中车青岛四方机车车辆股份有限公司高级工程师;杨则云 中车青岛四方机车车辆股份有限公司正高级工程师;刘磊 北京康信华源知识产权咨询有限公司高级咨询师发表,[专利]文章

  轨道交通高速化是当今世界轨道运输业共同的追求,随着轨道客运列车运行速度的提高,列车运行安全的标准和要求也相应提高。不同于汽车,列车沿既定轨道行驶,发生碰撞事故的概率和随机性低于汽车,但当行驶速度高、编组多、体积和质量庞大的列车发生碰撞时,其碰撞过程极其复杂,碰撞过程中往往具有撕裂、压溃、挤压等多种破坏形式,导致生存空间的减损不易预测,这些复杂的特性往往会加大乘员的伤亡风险,造成巨大经济损失。

  因此,在进一步加强列车主动安全防护措施、减少碰撞事故发生的同时,提高列车的被动安全性能,尽可能地减少乘员伤亡,是当今轨道交通领域的研发重点之一。众所周知,专利信息是技术发展的风向标,笔者试图以专利信息作为切入点,通过对轨道列车被动安全技术相关专利进行分析,从中探究被动安全技术的最新发展趋势,以及关键技术节点的最新研究动态。

  国内外被动安全技术热度差异显著

  自2013年起,我国轨道交通运营里程有较为明显的增长,目前高铁运营里程突破3.5万公里,占世界总里程的2/3以上。受益于我国轨道交通行业的蓬勃发展,被动安全作为轨道交通的关键技术也随之有了显著的进步,这从该领域国内专利申请总量的快速增长上得到了印证。与国内被动安全技术快速稳步发展形成鲜明对比的是,2015年之后,国外相关领域的专利申请量有所下降,这是由于在欧美地区等重要国际市场上,受制于航空、巴士等替代通行方式的激烈竞争等原因,轨道交通市场整体增速放缓。


图1 被动安全领域专利申请整体趋势

  在国内,中国中车股份有限公司是被动安全技术研发的领头羊,近年来其专利申请量占有绝对优势。同时,进驻中国轨道交通市场较早的外国公司,如德国福伊特和日本川崎重工等,也进行了长期的专利布局。


图2 被动安全技术国内专利的主要申请人

  福伊特(VOITH)作为全球知名的轨道交通零部件供应商,在车辆连接和缓冲技术方面有深厚的技术积累,其在本领域国外专利申请量上处于领先地位。西门子(SIEMENS)、川崎重工(KAWASAKI)、庞巴迪(BOMBARDIER)等轨道交通整车厂商,技术储备比较全面,其中覆盖到被动安全技术领域的专利申请也占有一定比例。艾克斯通(AXTONE)和德尔纳(DELLNER)是轨道交通方面的配件厂商,其产品种类较为单一,专利申请量相对少一些。


图3 被动安全技术国外专利的主要申请人

  被动安全热点技术分支分析

  轨道客运列车的被动安全技术经过了多年的发展,目前整体架构已日趋成熟,当前的主流技术是由车钩缓冲装置、防爬吸能装置和车端吸能部件等组成的多级系统,以实现撞击能量逐级稳定吸收。而其中,车端吸能部件又可分为端部底架、端部附件和车端结构,此外,被动安全技术的研发热点还包括单纯的吸能装置,如以蜂窝材料或泡沫材料为核心的吸能装置,其可应用于车钩缓冲装置、防爬吸能装置和车端吸能部件等多个位置上。下面对车钩缓冲装置、防爬吸能装置、单纯的吸能装置、端部底架、端部附件和车端结构六个热点技术分支的近年来专利申请状况进行分析,从中探析各技术分支的研发趋势。

  (一)被动安全热点技术分支的整体趋势


图4 被动安全热点技术分支专利申请量逐年趋势对比

  车钩缓冲装置作为首当其冲的重要吸能部件,其研发热度近年来在各个被动安全热点技术分支中占据首要位置,且基本保持增长趋势,而其他热点技术分支的研发热度则相对均衡。在车端吸能部件方面,由于车端整体结构研发比较成熟,端部底架和车端结构的改进难度较大,因此对车端吸能部件的研发,有逐渐向通过增强端部附件研发以提高被动安全性能的方向转变的趋势。

  (二)国内外研发热点差异显著


图5 被动安全各技术分支国内外专利申请量比较

  中国国内的被动安全技术研发热点主要集中于车钩缓冲装置上,相比之下,其他技术分支的研发热度相对较低。而在国外,研发主体在车钩缓冲装置上投入的研发资源虽然不如国内多,但在各技术分支中仍然占据主导地位,此外,国外研发主体在单纯的吸能装置和端部附件方面进行了较多的研究。

  被动安全技术的最新研究动态

  近年来,国内外研发主体将技术创新的方向着眼于上述缓冲吸能部件的具体结构。下面结合各个缓冲吸能部件的研发中所关注的具体技术问题,简单介绍国内外被动安全技术中的车钩缓冲装置、防爬吸能装置和车端吸能部件这三个关键技术点的最新研究动态。

  (一)车钩缓冲装置

  车钩缓冲装置位于车辆的最前端,是发生碰撞时首当其冲的被动安全部件,其可靠性和吸能能力是保障列车安全的关键指标,也是一直以来的研发热点之一。

  在此方面,瑞典轨道车辆配件供应商德尔纳阻尼器公司(DELLNER)开展了深入的研究,其一项在稳定性方面的技术创新成果在专利申请中有所体现(如图6)。这种车钩缓冲装置具有稳固元件(附图标记7)和侧面液压缸(附图标记15),具体而言,是将侧面液压缸固定于中心连接杆(附图标记1)上,使得中心连接杆的横向摆动受到限制,在缓冲装置压溃吸能过程中,起到稳定连接杆姿态、提升可靠性和吸能能力的作用。同时,由于增设的稳固元件突出于连接杆,在连接杆向后运动压溃过程中,通过稳固元件与后端轴承架(附图标记10)之间的接触,进一步调整连接杆的方向,提高其可靠性。此外,当受力超过极限时,稳固元件可以脱离连接杆,使得连接杆继续向后运动吸收能量,实现过载保护。【1】


图6 具有稳固元件和侧面液压缸的车钩缓冲装置

  除了提高可靠性和吸能能力以外,尽可能地控制车钩缓冲装置的体积和重量,以适应列车集成化和轻量化的发展趋势,也是近几年的研究热点之一。福伊特公司提出将缓冲材料或缓冲元件尽可能集成在车钩侧面的设计方案,可以减小车钩缓冲装置的体积。如图7所示,其将弹簧等借助可逆变形实现能量消耗的装置(附图标记7)和吸能材料等不可逆的能量消耗装置(附图标记10)均安装在车钩连接杆(附图标记4)的侧面,并使用配套的固定结构进行固定。当撞击力超过阈值时,不可逆的能量消耗装置发生不可逆的变形和或损毁,实现过载保护。这种将能量消耗装置设计在车钩连接杆侧面的方案,不仅节约了整体空间,而且改装起来也较为简便。【2】


图7 高度集成的车钩缓冲装置

  (二)防爬吸能装置

  当车钩缓冲装置吸能结束且过载保护结构动作后,防爬吸能装置开始发挥作用,进一步吸收撞击能量,防止爬车事故发生。目前防爬吸能装置存在的主要问题是吸能总量较小,而且在发生垂向运动时吸能能力急剧下降。

  针对上述问题,西南交通大学将其研发的多向多级防爬吸能装置提交了专利申请。该装置不同于传统的单向压溃吸能结构,具体如图8所示,该装置的前端为具有防爬齿的防爬器(附图标记1),防爬器之后使用伞形支架(附图标记2)将碰撞力分解为多个方向,并使用沿多个方向设置的吸能管(附图标记8)将碰撞力分散吸收,这种多向多级吸能结构从整体上降低了纵向的冲击力,并可以结合单向切削或双向压溃的吸能结构来进一步提升吸能能力和稳定性。【3】


图8 多向多级防爬吸能装置

  此外,在传统单向压溃吸能结构的基础上,设置多个吸能模块来实现更优的吸能效果,是改进防爬吸能装置的另一个思路。例如,法国的速度创新公司(SpeedInnov)研发的防爬吸能结构包括并联和串联安装的三套吸能模块(图9中附图标记21、25和27),在碰撞过程中,这三个吸能模块均可发生不可逆变形,最大限度地提升吸能总量。


图9 多套防爬吸能装置

  (三)车端吸能部件

  在前级的车钩缓冲装置和防爬吸能装置吸能结束之后,剩余的碰撞能量由车端吸能部件吸收。不同于前级吸能结构的是,车端吸能部件在吸收碰撞能量的同时,还需要保持一定的结构强度,以保证司乘人员的生存空间。

  为了平衡车端强度和吸能能力之间的矛盾,庞巴迪公司将车端划分为刚性部分和可变形部分。具体来讲如图10所示,在发生碰撞时可变形部分(附图标记120)进行变形吸能,刚性部分(附图标记110)提供刚性支撑。这种区块化的被动安全结构在取得较为平衡的综合防护性能的同时,还降低了碰撞后车辆的维修范围,可有效节约维护成本和维护时间。

  稳定碰撞时的车体姿态是提升车端吸能部件可靠性的另一个重要方面。川崎重工提出在车端具有缓冲吸能装置的基础上增加一定的硬连接结构,可以提高车体姿态的稳定性。如图11所示,川崎重工在车端底部设置了可变形的能量吸收器(附图标记8),同时还增设了具有一定强度的冲撞柱(附图标记15),来接收并向上传递一部分撞击力,这样可以平衡车端部受撞击时的力矩载荷,防止车辆翻转、提高可靠性。


图11 保持车体姿态稳定的车端设计

  高速列车细长流线型车头,端部长悬臂小截面结构弯曲刚度,撞击易弯曲,导致抬升爬轨,需要突破复杂结构间强度刚度动静态匹配难题。中车四方股份公司提出的车辆前端吸能装置将承载结构与新型主吸能结构集成设计,如图12所示,采用长行程、大容量、叠塑稳定的铝合金五孔吸能原件(附图标记8),设置分级强迫导向机构(附图标记33),提高了车端吸能装置的动态协调性、弯曲刚度及轻量化指标。


图12 分级强迫导向一体化的车端设计

  重点整车厂商的专利布局和申请途径

  针对被动安全技术的专利布局地域性特点非常显著,西门子、庞巴迪、川崎重工和日立等轨道车辆整车厂商关注的市场有所区别。其中,西门子的专利布局最为强大,且地域分布较为均衡,除欧洲本土市场外,其在美洲、亚洲、澳洲也有相当数量的专利储备。而庞巴迪和川崎重工则采取重点突出的布局策略,庞巴迪的布局重点在欧洲市场,川崎重工的布局重点在美洲和亚洲市场。相较之下,日立在该领域的专利布局略显薄弱,仅在日本本土和欧洲有一定数量的专利申请。


图13 整车厂商的专利布局地域

  从专利申请途径来看,西门子、庞巴迪、川崎重工和日立等厂商都是首先向本国专利局提交专利申请,而后再向其他国家提交申请。在欧洲地区,这些厂商通常选择向欧专局提交申请以便进入欧洲各个国家,在欧洲以外,通常选择以PCT的方式进入国际上的其他国家。

  综上所述,被动安全技术作为轨道交通安全保障的重要技术,经过多年的发展,整体系统构架已日趋成熟,国内外研发主体技术创新的方向主要是被动安全系统的具体部件优化。然而,无论是在整体的研发热度上还是在具体的研发方向上,国内外的研发主体均存在较为明显的差异。受益于我国轨道交通事业的蓬勃发展,被动安全技术在国内的研发热度逐渐升高、技术保护力度不断加强。以此为契机,在技术上进行更为全面的创新研发、在全球范围内进行更加系统的专利保护,以支持中国高铁“走出去”的发展战略,是我国研发主体的下一步发展方向。

  注释:
  1 参见专利EP3116760A1。
  2 参见专利DE102014216719A1。
  3 参见专利CN207631269U。



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