CN101044286A - 进入复合材料的部件的固定 - Google Patents

Abstract

一种用于固定一个部件到混凝土结构中的固定装置。该固定装置包括塑料套圈，混凝土围绕并且浇铸在其上。螺纹紧固件接合套圈并且从混凝土的表面延伸。该套圈包括具有两端的细长的管状塑料体，在管状塑料体中的孔和至少一个整体凸缘构件，其在一个位置处从并且围绕管状塑料体径向向外延伸，该位置对于管状塑料体的圆周的较大部分在管状塑料体的端部的中间。固定装置显示弹性力，从而其能够有效从轴向载荷中恢复，该轴向载荷从混凝土向外移动该紧固件一个大于管状体长度的2％的距离。

Description

进入复合材料的部件的固定

技术领域

本发明涉及紧固件，其利用嵌入在复合材料内的套圈。其特别而不是专门涉及在混凝土构件，尤其在混凝土铁路的轨枕(连结件)和结构混凝土铺板中的套圈的利用，以提供用于螺钉的固定点，从而可固定部件到混凝土上。本发明具有特定的应用，以紧固相对薄的混凝土构件，以及用于高振动情况，诸如固定铁路部件到混凝土轨枕上，和应用到紧固一起的部件之间需要显著移动余量的情况，诸如用于在多震区中的结构部件。

背景技术

诸如钢筋混凝土的复合材料广泛用于工程结构。一些例子是用于建筑物和铁路轨枕的倾斜向上的板。用于路轨的混凝土轨枕在世界的许多部分是相当普遍的，已知诸如在一定环境中的混凝土复合材料比传统的产品，也就是木制的轨枕，具有优势。

虽然复合材料具有许多优点，但它们具有缺点，就是它们通常不能接受采用螺钉或者钉子，以坚固和可靠的方式固定诸如铁路部件(例如铁轨)的对象到其上的方法。

许多的紧固系统已经发展了用于到混凝土轨枕上的铁轨的固定。这些通常包括刚性地固定一定形状的钢固定装置到轨枕上，然后弹性地修剪到固定装置上的铁轨。在一些场合，刚性紧固件使用在固定装置和铁轨之间。然而，这种系统制造和安装都是昂贵的。

已知在混凝土在浇铸时，通过添加套圈到混凝土中来固定承载对象到混凝土上，然后螺钉固定螺纹紧固件到套圈内，以固定承载对象。然而，已知这种紧固件存在问题，特别在混凝土相对薄和在紧固件中需要有效程度的弹性变形的情况时。

希望在不提升轨道的情况下，能够在轨道中用混凝土轨枕每次一个更换损坏木料铁路轨枕。这需要通过利用非常薄断面(low profile)的混凝土轨枕和紧固系统，该紧固系统不具有部件突出在轨枕的顶部，当其从轨道的侧面滑动到铁轨下面的位置时。现有的紧固系统已经不能提供所需强度，弹性，低成本和易于安装的性能。本发明试图克服这些困难。

本发明试图提供一种固定对象到诸如混凝土的浇铸复合材料的方式，该复合材料能够用于与诸如螺钉的单独的固定部件相结合。本发明还试图提供适合于执行这种功能的套圈。

发明内容

本发明在一个方面提供了一种设置用于复合材料块的固定位置的方法，该方法包括，

设置套圈在模子中，该套圈具有细长的带有两端的管状体，该两端的至少一端是开口的，

浇铸复合材料在模子中以覆盖套圈的主要部分，和

允许复合材料围绕套圈设置以使得套圈在合成的复合材料块之中不动，

其中套圈装配有至少一个凸缘构件，其在一个位置处从并且围绕所述管状体径向地延伸，该位置对于所述管状体的圆周的较大部分在管状体的端部的中间，套圈装配有内螺纹，套圈的外表面被成形，以便在螺钉螺旋入套圈中时防止套圈在复合材料块之内旋转，并且套圈的至少一个开口端留下开口并且不含复合材料。

适当地，该复合材料可能包含混凝土。

至少一个开口端可保持不含混凝土，通过可移动塞覆盖它。一般地，混凝土可浇注入模子中，从而使得它假定与至少一个开口端的水平相同或者几乎相同。一般地混凝土水平至多10mm，更优选离套圈的端部的水平5mm。

本发明的方法可尤其应用于浇铸薄的板结构混凝土壁，或者应用到混凝土轨道的轨枕上。其更适用于具有非常薄断面(low profile)，意味着它们从它们的上到下表面是相对薄的(例如降至大约100mm)。其中轨道轨枕是相关的，它们可加固有增强材料。增强材料可包含一个或多个金属条或者杆。当术语″条″使用在本说明书中时意图包括″杆″。其中增强材料包括多个金属条，一个或多个金属条可沿着浇注混凝土轨枕设置在一个位置上或者直接在嵌入混凝土中的套圈的凸缘的上面。因此，这些条可平行于轨枕的长度延伸。轨枕还可包括一个或多个条，它们在凸缘位置处或者直接在凸缘的下面以相同的方向延伸。适当地，存在两个条在每个凸缘的上面和两个条在每个凸缘的下面。

适当地，凸缘完全围绕管状体。凸缘在对于它的圆周的较大部分的轮廓上通常是圆形的。其可包括一个或多个平点在圆周上以防止套圈在混凝土轨道的轨枕之内的旋转。可存在有在轮廓上为圆形的两个区域和两个平点。

在另一个方面，本发明可提供整体成形的塑料套圈，用于提供连接位置在复合材料块中，所述套圈包括，

具有两端的细长管状塑料体，它们至少一端是开口的，

在管状的塑料体中的孔与所述至少一个开口端连通，和

至少一个整体凸缘构件径向向外延伸并且在一个位置处从管状塑料体围绕，所述位置对于管状塑性体的圆周的较大部分在管状塑料体的端部的中间，

其中套圈被成形以便于防止套圈在浇铸复合材料块之内的旋转。

浇铸复合材料块可包含混凝土轨道轨枕。

套圈可由诸如尼龙或者HDPE的工程塑料形成。

套圈的孔可装配有内螺纹。内螺纹可包含一对起动螺纹。孔可包括不含螺纹的区域。不含螺纹的区域可提供在至少一个开口端处或者附近。不含螺纹的区域比形成有螺纹的孔的区域具有更大的直径。

优选地，不含螺纹的孔的区域的直径如此设置，使得其提供有与螺钉的松脱柄部分的干涉配合。这方面可设置一种不透水密封。

适当地，至少一个凸缘构件通常是具有一个或多个平点的圆形的，以防止在浇注混凝土块内的旋转。

在本发明的进一步方面，可提供用于固定一个部件到混凝土结构中的固定组件，所述固定装置包括塑料套圈，混凝土围绕并且浇铸在其上，并且螺纹紧固件接合套圈并且从混凝土的表面延伸，其中：

该套圈包括：

-具有两端的细长的管状塑料体，该两端的至少一个是开口的，

-在管状塑料体中的孔与所述至少一个开口端连通，并且

-至少一个整体凸缘构件在一个位置处从并且围绕管状塑料体径向向外延伸，该位置对于管状塑料体的圆周的较大部分在管状塑料体的端部的中间，

紧固件延伸通过所述开口端并且在紧固件上的螺纹结合该孔，和

固定装置显示弹性力，从而其能够有效从轴向载荷中恢复，该轴向载荷从混凝土向外移动该紧固件一个大于所述的管状体的长度的2％的距离。

优选地，该固定装置显示一个弹性力，从而其能够有效从轴向载荷中恢复，该轴向载荷从混凝土向外移动该紧固件一个大于所述的管状体的长度的3％的距离。

适当地，套圈进行构造，以便能够与具有在申请人的待审的澳大利亚的申请2003200362中描述的通常类型的螺纹形式。通过此互相参照，在所述待审的申请中的所有的公开内容被认为结合入本说明书中。

本发明的优选方面现在将参见附图进行描述。

附图说明

图1是示出了使用在本发明的第一实施例中的带有螺纹的紧固螺钉的示意图；

图2是根据本发明的所述第一实施例使用的套圈的侧视图；

图3是沿着图2中示出的平面A-A的横截面图；

图4是图2中套圈的平面图；

图5是示出了使用在本发明的第二实施例中的带有螺纹的紧固螺钉的示意图；

图6是根据本发明的所述第二实施例使用的套圈的侧视图；

图7是沿着图6中示出的平面B-B的横截面图；

图8是图6中套圈的平面图；

图9是详细示出了在图1和5中示出的螺钉上的螺纹形式的简图；

图10示出了结合本发明的实施例的轨道和轨枕组件的透视图；

图11示出了沿着图10的横截面C-C；

图12示出了类似图11的横截面，当图10的混凝土轨枕正在浇铸时；和

图13是测试不同的固定系统产生的图表。

具体实施方式

在附图中，用相同的附图标记表示实施例之间的相同的特征。

参见图1，紧固螺钉2是通常用来固定轨道或者其它的轨道部件到混凝土轨道轨枕上的一个部件，该混凝土轨道轨枕结合根据本发明的浇入套圈。螺钉2具有头部4，凸缘6，普通的柄11，锥形台肩12和尖端13。在台肩12和尖端13之间，螺钉具有一个部分，螺丝15滚动入其中。

为了实施例的表示，螺钉具有以下概略尺寸：

总长＝130-135mm

柄11的直径＝大约19mm

用于螺纹15的预滚直径＝大约17.5mm

凸缘6的直径＝大约46mm

头部＝大约21mm直径6-凸起部头部

凸缘6是锥形，它的顶面8垂直于螺钉的主轴17并且它的底面9相对顶面成大约11.5度角。此锥形与在铁轨的底部上对应锥形一致，在使用时底面9靠在该铁轨的底部上。螺钉可用来固定轨道，使用或者没有使用在轨道和轨枕之间的连接板。

螺纹15具有5mm螺距和10mm导距。因此它是具有成螺旋形旋绕中心19的两个相等高度的螺脊21和31的一对起动螺纹。螺纹在螺钉上相对其长度是连续的。每个螺脊21和31的顶峰26沿着它的长度带有一对顶点27和28，这些现在将进行描述。

参见图9，在附图中螺纹形状被表示为实线。需要注意的是如此示出的通过螺纹15的横截面没有与螺钉的轴线17平行，而取而代之的是对于轴17成螺旋角，以便于对于螺脊21和31的路线成直角。该图示出了由相同的螺脊21和31分别组成的一对起动螺纹15，它们由根部23分离，其中螺纹轧制过程已经最深地压入柄14的金属中。根部23离轴线17的距离限定了螺纹柄14的中心19的半径。

从图9的左侧面看过去，螺纹形状轮廓借助于侧面24从根部23上升至螺脊21，该侧面24上升至顶峰26。该顶峰带有两个顶点27和28，在它们之间具有一个槽29。从顶点28开始，螺脊沿着侧面25下降到根部23，该根部具有与螺脊21的另一个侧面上的根部相同的深度。然后，螺纹形状对于螺脊31重复它的顺序。螺脊21和31是两个螺脊，它们在一起形成一对起动螺纹15。

参见图2到4，表示由工程塑料材料形成的套圈40，其适合应用到要求高强度的情况。一般地，套圈将已经通过注塑成型或者加工过程制造。套圈40的材料可包含任何适当的工程塑料，诸如尼龙或者HDPE。套圈的优选材料性质如下：-

成品抗张强度	60-100MPa
		在成品上的延伸率	大于或等于20％
最大的工作温度	不小于80℃
		IZOD撞击切口阻力	0.6-1J/cm

套圈40作为整体单元整体成形。它包括具有孔44的管状体42，该孔具有开口端45和46。虽然示出的套圈具有两个开口端，应该理解的是下部的开口端，也就是开口端45，可以改为关闭以防止在随后描述的浇铸过程期间灰尘和/或混凝土的进入。

套圈的孔44的较大部分装配有一对起动螺纹48，它们被成形以与参见图1和9先前描述的紧固螺钉的螺纹柄14结合。一对内起动螺纹48形成有外径，内径和与螺钉2的相应部分匹配的顶峰形状。然而在套圈中的螺纹具有一个螺距，其比螺纹柄14的对应螺纹稍微短，从而使得当固定件是在处于负载使用时，在套圈中由材料经受的应力更加均匀分布，以便于增加总负载，在该总负载的情况，产生的结构将被破坏。在套圈中的螺纹48的螺距优选比在螺钉上的螺纹15短0.5％至5％。更优选短1％至4％。

在螺纹48之上的无螺纹区域49具有比套圈的螺纹部分所表示的孔更宽的直径，以容纳紧固螺钉的普通的柄11。

圆周的凸缘52，和管状体42整体形成，提供在套圈的端部的中间，但是相对于顶端46更接近下端45。它设置在套圈螺纹部分的大约中间位置。

凸缘52的圆周表面47具有由圆柱面53限定的两个区域和由直径方面相对平面54限定的两个区域。结合圆周的凸缘的平面部分的目的在于防止套圈的旋转，当其在浇注混凝土中固定和紧固螺钉旋入其中时。

凸缘52分别在它的下端和上端上具有一对平的环形面55和56。这些表面55和56垂直于螺旋轴17，并且分别通过大的圆角的部分57和58结合入管状体42的通常的圆柱形外壁43上。表面55和56的外角59没有显著地切成圆角以作为相对锋利的角部，以当随后固定处于负载下时用于减少在周围混凝土中诱发的拉伸应力。

根据第一实施例的紧固件是特别适当的，当对于在凸缘6的水平下面相对大的距离，螺钉能够接合套圈时。如果不具有这个特征，通过在凸缘正上方的套圈的拉伸断裂，该套圈易于损坏。然而，如果凸缘6在套圈上放置过高，紧固件由混凝土破坏易于损坏。

图5所示的紧固螺钉102具有与图1所示的螺钉类似的形状，但是具有一些显著的区别。一个区别是凸缘106的底面109是中凸弯曲的，以便于提供与一部分的轨道最佳的接触，这些轨道在它们的底部具有不同的锥角。另一个区别是尖端113带有30度的锥度，螺纹115持续到该锥度上。在螺钉102上的螺纹形状与参见图9先前描述的相同。

参见图6到8，示出的套圈140具有与先前描述的套圈40一些显著的不同。底端145被关闭，这样提供了在浇铸操作期间能够防止混凝土材料进入的优点。内部成形的一对起动螺纹148相对于套圈40进行描述。在套圈40和140之间的较大的差别是外部凸缘的尺寸，数目，形状和定位。

套圈140的外壁带有三个整体成形的圆周凸缘150，151和152，其沿着套圈的螺纹部分均匀隔开。

每个凸缘具有由圆柱面153限定的单独周围地区和由平面154限定的单独区域。平面154防止套圈在混凝土中的旋转，当紧固螺钉旋入套圈中时。

凸缘150，151和152不象凸缘52向外延伸那么远。在它们的下端和上端上的壁155和156分别没有包括平坦部分。壁155和156分别借助于大的圆角部分157和158结合入管状体143的通常圆柱形外壁143。壁155和156接触凸缘的圆周的表面147并且与表面147成直角，但是然后直接开始弯曲离开而进入角部分157和158。壁155和156的外部部分159没有显著切成圆角。

适合19mm公称直径螺钉102的套圈140的典型尺寸为：

总长：110mm

无螺纹区域的长度149：25mm

螺纹长度148：82mm

主体的外径142：28mm

无螺纹区域的内径149：19mm

凸缘的外径：36mm

在尖端处的凸缘的宽度：9mm

在尖端处凸缘之间的间距：13mm

对于该套圈，主体外径相对平均螺纹直径的比率为：

                   R1＝28/17.5＝1.6

这显著大于先前使用的紧固系统。对于本发明优选R1至少为1.4并且更优选至少为1.5。

在紧固件螺纹的顶峰和外壁143之间最小壁厚由下面给出：

                T1＝(28-19)/2＝4.5mm

这显著大于该通常类型的先前使用的紧固系统。对于本发明优选T1至少为3.5mm并且更优选至少为4.0mm。

优选地，在尖端的凸缘宽度大于6mm且小于13mm。

优选地，在凸缘在它们的尖端之间的间距大于6mm并且小于13mm。

参见图10到12，示出了轨道组件60，其包括采用钢配筋62加固的混凝土轨枕61，该钢配筋62纵向地通过混凝土矩阵63运转，混凝土轨枕由混凝土矩阵63形成。需要注意的是多个钢条被设置，从而使得它们接近在套圈40的凸缘52的上面和下面的区域。

轨道装置60包括位于缓冲垫66上的钢轨65。一般地，缓冲垫可包含橡胶或者塑料垫板。轨道65利用紧固螺钉2固定到混凝土轨枕61上，该紧固螺钉2旋入套圈40上，其中螺钉的凸缘6压在轨道的底部67上。

如图11更清楚的示出，已经嵌入轨枕61的混凝土矩阵中的套圈40允许通过开口端46套圈的孔44的螺钉的进入。在图11中，套圈的开口端的水平示出稍微比轨枕的混凝土水平70低。一般说来，套圈的端部的水平将处于或者接近混凝土轨枕的顶面的水平处。一般地，水平之间任何微小的差别在0和10mm之间，更优选在0和5mm之间。甚至可能套圈的端部能够稍微地突出(例如在混凝土的水平上面的0.5mm)。

参见图12，轨枕61正在倒置浇铸，并且能够看出在浇铸混凝土轨枕的过程期间，套圈40能够在混凝土矩阵中固定。在通常的操作中，在浇铸过程期间，插塞82和81可放进套圈的开口端45和46中，以关闭这些端，在这方面，插塞81正作为对于套圈的定位媒介物，根据下面事实，其通过开口83配合在模子40的底部中，在其中混凝土轨枕被浇铸。开口83设置成使得套圈位于在模子中的中央处，并且提供在插塞上的头部84作用以固定插塞81在开口83内。

在图12示出的套圈40具有两个端部开口，其已经在此说明书中的先前的套圈40进行了描述。在图12中，底端45已经由插塞82关闭。当第二实施例的套圈140形成有封闭端时，不需要用插塞82。在图11中的例子示出了套圈40的修改形状的套圈141，其包括封闭端145。混凝土矩阵69的小厚度在封闭端145和混凝土轨枕的底部之间延伸。

图13表示三个载荷位移曲线；对于三个不同设置，每个用于紧固螺钉紧固件进入混凝土板材115mm的厚度。该装置受到由简单撤回负载进行的测试。

曲线90是由现有技术紧固装置实现的，该紧固装置具有进入混凝土的塑料套圈浇铸和装配入其中的19mm的公称直径螺钉。根据本领域技术人员的想法，套圈具有相对薄的壁。相对刚性的紧固产生。在紧固破坏之前，由于塑料螺纹的除去在结构中存在相对小的张力(大约0.4％)。

曲线92由在本说明书中的第一实施例所描述的紧固系统实现。接合点更加柔性并且稍微高的极限强度被实现。4.4mm的位移相当于套圈的长度的大约4％。由于套圈的拉伸断裂发生的故障正好在凸缘的上面。

曲线94由在本说明书中的第二实施例所描述的紧固系统实现。该接合点比第一实施例更加柔性并且在最大负载的位移相当于套圈的伸张度的大约5％。相对于曲线90和92最大负载是稍微小于它们，但是其仍然适合于此目的。由于混凝土的敲碎，故障发生。

提供恰当的极限强度和在故障发生前允许大体上较高的张力的本发明的性能是主要的优点。

本发明的紧固系统已经显示了显著的弹性程度。术语弹性通常意味着在负载下位移的数量，就是当负载去除时充分的回复。因此，其涉及紧固件的弹性位移和在图13中的曲线的大体上的直线端。凸缘151，152和153的圆周表面是管状的。这意味着当紧固件有轴向负载时，塑性表面151，152和153可从混凝土中分离出来并且允许进一步有利的载荷分布。

有助于显示弹性的高程度的因素包括：

-主体外径相对平均螺纹直径的高比率，

-在紧固件螺纹的顶峰和套圈的外壁之间高的最小壁厚，

-多个凸缘，每个具有轴向对齐的圆周表面，和

-在螺纹紧固件上的螺纹的相对长的导距(超过外径的50％)，与特定的螺纹形式结合。

虽然上述说明书包括本发明的最优方案，需要理解的是许多变化，改变，修改和/或添加可被采用到先前描述的部分的结构和装置中，而不会脱离本发明的基本特征或者精神或者范围。

需要理解的是其中单词″包含″，以及其变化形式，例如″comprises″和″comprising″都使用在此说明书中，除非上下文另外要求这种利用意图是暗示陈述特征的内含物，而是不被允许作为排除其它的特征的存在。

在本说明书中的对现有技术的任何参考不是并不应作为承认或者任何建议的形式，这种现有技术形成澳大利亚公知常识的一部分。

Claims (13)

1.一种设置用于复合材料块的固定位置的方法，该方法包括，

设置套圈在模子中，该套圈具有细长的带有两端的管状体，该两端的至少一端是开口的，

浇铸复合材料在模子中，以覆盖套圈的主要部分，和

允许复合材料围绕套圈设置，以使得套圈在形成的复合材料块中不动，

其中，套圈装配有至少一个凸缘构件，其在一个位置处从并且围绕所述管状体径向地延伸，该位置对于所述管状体的圆周的较大部分在管状体的端部的中间，套圈装配有内螺纹，套圈的外表面被成形，以便在螺钉旋入套圈中时防止套圈在复合材料块之内旋转，并且套圈的至少一个开口端留下开口并且不含复合材料。

2.如权利要求1所述的方法，其中复合材料是混凝土。

3.如权利要求2所述的方法，其中至少一个开口端保持不含混凝土，通过可移动塞覆盖它。

4.如权利要求2或者3所述的方法，其中混凝土可浇注入模子中，从而使得它与至少一个开口端的水平相同或者几乎相同。

5.如上述权利要求的任一所述的方法，其中凸缘构件完全地围绕管状体。

6.如权利要求5所述的方法，其中凸缘对于它的圆周的较大部分在轮廓上大致是圆形的，但是在圆周上具有至少一个平点，以防止在混凝土内的套圈的旋转。

7.如权利要求6所述的方法，其中圆周具有多个平点在外周上。

8.一种整体成形的塑料套圈，其用于在复合材料块中提供连接位置，所述套圈包括，

具有两端的细长管状塑料体，其中至少一端是开口的，

一个在管状的塑料体中的孔与所述至少一个开口端连通，和

至少一个整体凸缘构件径向向外延伸，并且在一个位置从管状塑料体围绕，所述位置对于管状塑性体的圆周的较大部分在管状塑料体的端部的中间，

其中套圈被成形，以便于防止套圈在浇铸复合材料块之内旋转。

9.如权利要求8所述的套圈，其中套圈的孔具有内螺纹。

10.如权利要求9所述的套圈，其中内螺纹包括双头螺纹。

11.如权利要求9或10所述的套圈，其中该孔包括在至少一个开口端处或者附近的不含螺纹的区域。

12.一种用于固定一个部件到混凝土结构中的固定组件，所述固定组件包括塑料套圈，混凝土围绕并且浇铸在其上，并且一个螺纹紧固件接合套圈，并且从混凝土的表面延伸，其中：

该套圈包括：

-具有两端的细长的管状塑料体，该两端的至少一个是开口的，

-在管状塑料体中的孔与所述至少一个开口端连通，并且

-至少一个整体凸缘构件在一个位置处从并且围绕管状塑料体径向向外延伸，该位置对于管状塑料体的圆周的较大部分在管状塑料体的端部的中间，

紧固件延伸通过所述开口端，并且在紧固件上的螺纹啮合该孔，和

固定组件具有弹性力，从而其能够有效地从轴向载荷中恢复，该轴向载荷从混凝土向外移动该紧固件一个大于所述的管状体的长度的2％的距离。

13.如权利要求12所述的紧固装置，其中固定组件具有一个弹性力，从而其能够有效地从轴向载荷中恢复，该轴向载荷从混凝土向外移动该紧固件一个大于所述的管状体的长度的3％的距离。

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