CN105113340A - 基于废旧钢轨骨架的复合轨枕装置及其强度检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种基于废旧钢轨骨架的复合轨枕装置及其强度检测方法。复合轨枕装置包括：废旧钢轨和2个弹性承轨台,废旧钢轨嵌于弹性承轨台内，弹性承轨台位于废旧钢轨骨架两侧，2个弹性承轨台上分别设置承轨槽。弹性承轨台和废旧钢轨采用整体注塑连接。本发明实施例在既有大量废旧钢轨基础上，提出一种基于废旧钢轨和可再生复合材料组成的轨枕结构，构成绿色环保轨枕结构。本发明涉及的这种新型复合材料轨枕结构，通过使用可再生塑料、废旧轮胎或者聚氨酯材料和废旧钢轨进行生产，该结构具有优良的力学性能。满足有砟轨道结构中对轨枕的作用的要求，克服现有的木枕、混凝土枕、复合材料轨枕等形式的轨枕的缺点。

Description

基于废旧钢轨骨架的复合轨枕装置及其强度检测方法

技术领域

本发明涉及轨道交通技术领域，尤其涉及一种基于废旧钢轨骨架的复合轨枕装置及其强度检测方法。

背景技术

在铁路有砟轨道结构中，轨枕作为重要的组成部分具有如下作用：轨枕承受来自钢轨的各向压力，并弹性地传布于道床，同时必须有效的保持轨道的几何形位，特别是轨距和方向。因此，轨枕必须具有必要的坚固性、弹性和耐久性，且便于固定钢轨，具有抵抗纵向和横向位移的能力。随着轨道结构的发展，轨枕的结构和材料都发生了很大的变化。从材质上，目前现存并投入使用的轨枕包括木枕、混凝土枕和钢枕以及复合材料制成的轨枕，它们各有优点，但缺点也十分明显。下面根据不同材料的轨枕进行分析。

第一类为木枕。木枕是指由木材制成的轨枕，是铁路最早采用而且目前仍在使用的一种轨枕，木枕的主要优点是弹性好，质量轻，便于运输、加工，绝缘性能好。但木枕的主要缺点不容忽视：

1.由于轨枕特殊的力学性能要求，目前只有少量优质种类的树木可以用制作木枕，这无疑要耗费大量优质林业资源，且由于自然资源有限，木枕的价格较贵；

2.由于木枕的制作材料为天然木材，由于木材种类和部位的不同，无法保证线路所铺设的木枕的强度、弹性完全一致，易腐朽和磨损，使用寿命短，在机车车辆作用下会形成轨道不平顺，增大轮轨间的动力作用；

3.受到生产工艺水平的限制，木枕在制作过程中需要使用煤焦油等防腐剂进行防腐处理。这一过程耗时长，且在铺设后自然环境的作用下，防腐剂会逐渐渗透，对环境造成污染；

第二类轨枕为混凝土轨枕。我国从20世纪50～60年代开始混凝土轨枕的研制，目前已经遍及全国各铁路干线，使用量巨大。然而传统混凝土轨枕虽然具有承载力高、稳定性强、线路平顺性好等优点，但是以下明显缺点不可避免，具体表现为：

1.混凝土轨枕刚度大，由于铁路线路并不能完全消除轨道不平顺，当列车通过不平顺地段时，由于混凝土的刚度大使得冲击作用力大，轨道附加动力大，钢轨下部容易破坏；

2.混凝土轨枕采用钢筋和水泥制成，耗费大量钢筋及水泥材料，同时当混凝土轨枕破碎或者劣化后，其材料难于回收再次利用，对环境造成污染，碳排放高。

第三类为复合材料轨枕。复合材料轨枕具有弹性好、绿色环保的优点。但复合材料制成的轨枕的缺点也十分明显：

1.复合轨枕由于材料的密度低，质量轻，可提供的纵、横向阻力偏低；

2.在曲线、冰雪线路等复杂的线路条件下，复合轨枕的协调性和阻力值不足。

通过以上论述可知，采用既有材料及结构的轨枕都具有不可避免及忽视的缺点，在实际的运营中，都存在与线路条件不能很好的适应的缺陷。

发明内容

本发明的实施例提供了一种基于废旧钢轨骨架的复合轨枕装置及其强度检测方法，以提供一种高效率的轨枕装置。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于废旧钢轨骨架的复合轨枕装置，包括：废旧钢轨和2个弹性承轨台,所述废旧钢轨嵌于所述弹性承轨台内部，所述2个弹性承轨台位于所述废旧钢轨骨架两侧，所述2个弹性承轨台上分别设置承轨槽。

优选地，所述弹性承轨台和所述废旧钢轨采用整体注塑连接。

优选地，所述弹性承轨台为梯形结构，所述废旧钢轨为工字型结构，所述弹性承轨台套装在所述废旧钢轨的外部。

优选地，在所述废旧钢轨的骨架上焊接槽钢或者角钢或者钢筋肋条。

优选地，所述槽钢或者角钢或者钢筋肋条焊接在所述废旧钢轨的骨架上平直的位置上,所述槽钢或者角钢或者钢筋肋条位于所述弹性承轨台的中心位置，垂直于所述废旧钢轨的骨架侧面。

优选地，所述弹性承轨台采用复合材料。

根据本发明的另一个方面，提供了一种基于废旧钢轨骨架的复合轨枕装置的强度检测方法，包括：

所述基于废旧钢轨骨架的复合轨枕装置的轨枕压应力σ_s定义为轨枕动压力R_d与轨枕受压面积F的比值：

${\mathrm{\σ}}_s=\frac{R_d}{F}$

式中，F为轨枕受压面积，其值等于轨枕上铺设的钢轨的底部宽度乘以弹性承轨台的宽度。

优选地，所述方法还包括：

在最不利的支承情况下的所述复合轨枕装置的轨下截面正弯矩M_g的计算方法如下：

$M_g=K_s(\frac{a_1^2}{2e}-\frac{b^{\′}}{8})R_d$

式中，K_s为轨枕设计系数，a₁为荷载作用点至枕端距离，e为一股钢轨下轨枕的全支承长度，b′为轨底宽。

优选地，所述方法还包括：

在最不利的支承情况下的所述复合轨枕装置的轨枕跨中截面负弯矩M_c的计算方法如下：

$M_c=-K_s\frac{3l^2+4e^2-8a_{1}e-12a_{1}l}{4(3l+2e)}{R}_d$

式中，考虑到轨枕全长范围内均受力，l取为轨枕全长。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例在既有大量废旧钢轨基础上，提出一种基于废旧钢轨和可再生复合材料组成的轨枕结构，构成绿色环保轨枕结构。本发明涉及的这种新型复合材料轨枕结构，通过使用可再生塑料、废旧轮胎或者聚氨酯材料和废旧钢轨进行生产，该结构具有优良的力学性能。满足有砟轨道结构中对轨枕的作用的要求，克服现有的木枕、混凝土枕、复合材料轨枕等形式的轨枕的缺点。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1-1为本发明实施例提供的一种基于废旧钢轨骨架的复合轨枕装置的主视图，其中，1：弹性承轨台，2：废旧钢轨，3：槽钢；

图1-2为本发明实施例提供的一种基于废旧钢轨骨架的复合轨枕装置的俯视图，其中，1：弹性承轨台，2：废旧钢轨，3：槽钢；

图1-3为本发明实施例提供的一种基于废旧钢轨骨架的复合轨枕装置的左视图；

图2为本发明实施例提供的一种我国60kg/m钢轨横断面尺寸图；

图3为本发明实施例提供的一种轨道结构竖向静力计算支承梁模型示意图；

图4为本发明实施例提供的一种钢轨支座刚度计算模型示意图；

图5为本发明实施例提供的一种钢轨在单个车轮荷载作用下的受力与变形(连续支承梁模型)示意图；

图6(a)、(b)为本发明实施例提供的一种单个车轮荷载作用下的钢轨位移及弯矩图示意图；

图7为本发明实施例提供的一种轨下截面正弯矩最不利支承情况示意图；

图8为本发明实施例提供的一种检算轨枕跨中截面负弯矩时，最不利支承情况示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本发明实施例提供了一种基于废旧钢轨骨架的复合轨枕装置，该装置包括：废旧钢轨1、弹性承轨台2。轨枕的结构设计主要取决于受力情况和材料特点，下面结合轨枕受力特点和材料性质介绍本发明中的轨枕。

一、尺寸及材料

本发明将这种新型轨枕支撑在弹性基础上的短梁，在钢轨传来的荷载作用下，轨枕底面对轨枕产生反力，轨枕各截面承受弯应力，并按照设计规定：轨枕界面上部受拉为“—”，下部受拉为“+”。

1.新型轨枕形状

本发明实施例的基于废旧钢轨骨架的复合轨枕装置的主视图、俯视图和左视图分别如图1-1、1-2和图1-3所示，主要包括两个部件，废旧钢轨1和弹性承轨台2。

废旧钢轨1为废旧60kg/m钢轨，长度为2600mm，高176mm。在本实施例中，在废旧钢轨1距离中心750mm处焊接6.3型槽钢。焊接的槽钢应位于废旧钢轨的骨架上平直的位置上。焊接槽钢的主要目的在于增加钢轨骨架与弹性承轨台之间的连接性能，保证结构的整体性。本实施例中采用的槽钢宽为翼缘长度为40mm，高为75mm，槽宽度为63mm。

本实施例中，弹性承轨台2为采用HDPE(HighDensityPolyethylene，高密度聚乙烯)为主要材料的复合材料弹性承轨台，共2个。该承轨台为梯形台，底部长度为650mm，上部长度为350mm，高度为250mm，宽度为250mm。梯形台上部具有承轨槽，长度为310mm，深度25mm，具有1:40的斜坡以适应轨底坡的要求。根据标准轨距的要求，确定承轨槽中心距轨枕整体中心距离为749mm。

废旧钢轨1与弹性承轨台2之间可采用整体注塑工艺施工或其它可以保证二者紧密连接的施工方式。在本实施例中，采用整体注塑工艺连接两个部件，并在废旧钢轨的骨架上焊接槽钢，保证废旧钢轨1与弹性承轨台2之间的紧密连接，保证部件的整体性。

在此，需特别说明的是，废旧钢轨1与弹性承轨台2之间的连接方式并不仅限于在废旧钢轨1上焊接槽钢来保证整体注塑施工时两个部件连接的紧密性。也可在采用采用除焊接方式外的其他连接方式，在废旧钢轨1上增加角钢以及不同直径的钢筋肋条等来增加两个部件连接后的整体性，即可以用角钢或者钢筋肋条来代替上述槽钢。

上述槽钢或者角钢或者钢筋肋条位于梯形结构的弹性承轨台的中心位置，垂直于废旧钢轨骨架侧面，主要用途为固定弹性承轨台相对于废旧钢轨滑动，保持承轨台位置与轨距。

2.材料性质

现就本发明中的部件材料性质进行说明。

废旧钢轨1为废旧UIC60kg/m钢轨。弹性模量为：20Gpa；泊松比为：0.3，断面图如图2所示，钢轨断面尺寸及特性见表1。

表1我国钢轨断面尺寸及特性

弹性承轨台2为复合材料弹性承轨台。该承轨台采用HDPE材料，密度在0.940g/CC以上。其它性质满足国家标准如表2所示。

表2复合材料特性表

二、结构力学分析

现对本发明中涉及的轨枕结构进行力学分析

(一)基本假设

(1)假设列车运行时，车轮荷载在轨道各部件中所引起的应力、应变，与量值相当的静荷载所引起的应力、应变相等，即车轮荷载具有准静态性质；

(2)以速度系数、横向水平力系数、偏载系数分别反映车轮垂直动荷载、横向水平力和垂直力偏心、曲线内外轨偏载的影响；

(3)假设轨道及基础均处于线弹性范围，列车轮系作用下轨道各部件的应力、应变，等于各单独车轮作用下的应力、应变之代数和；

(4)视钢轨为连续弹性基础上的等截面无限长梁，梁的基础反力与各自弹性下沉之间成线性关系；

(5)不计钢轨，扣件及轨枕本身的自重。

(二)结构竖向静力计算模型

1、连续弹性基础梁模型

将轨枕对钢轨的支承视为连续支承，其支承刚度为钢轨基础弹性模量u。用该模型可以求得精确严密的解析解，方法简便直观，目前世界各国和我国铁道部标准《铁路轨道设计规范》(TB10082-2005)均采用连续弹性基础梁模型。图3为本发明实施例提供的一种轨道结构竖向静力计算支承梁模型示意图。

2、计算参数

(1)钢轨抗弯刚度EI

钢轨抗弯刚度由钢轨的弹性模量E与钢轨截面对水平中性轴的惯性矩I相乘所得，其中E＝2.1×10¹¹N·m^-2。抗弯刚度EI的力学意义为使钢轨产生单位曲率所需施加的力矩，量纲为力·长度²。本结构采用60kg/m钢轨，I＝3217×10^-8m⁴，E＝21×10¹⁰N·m^-2，则EI＝6.76×10⁶N·m²。常用钢轨类型的钢轨抗弯刚度见表3。

表3常用钢轨抗弯刚度

(2)道床系数C

道床系数C用来表征道床及路基的弹性特征，定义为使道床顶面产生单位下沉所需要施加于道床顶面单位面积上的压力，量纲为力/长度³，可通过式(1)计算：

$C=\frac{p}{y_0}---\left(1\right)$

式中C——道床系数(MPa/cm)

p——作用于道床顶面单位面积上的压力(MPa)

y₀——轨枕底面的平均下沉量(cm)

道床系数C的取值见表4

表4道床系数值

(3)钢轨支座刚度D

钢轨支座刚度D用来表征钢轨扣件和枕下基础的等效刚度，定义为使钢轨支座产生单位下沉所需要施加于支座上的力，量纲为力/长度，可通过式(2)计算：

$D=\frac{R}{y}---\left(2\right)$

式中D——钢轨支座刚度(kN/cm)

R——作用于支座上的力(kN)

y——钢轨支座下沉(cm)

图4为本发明实施例提供的一种钢轨支座刚度计算模型示意图,由于本发明中涉及的轨枕结构弹性较好，引进轨枕挠曲系数α对钢轨的弹性支座刚度进行修正：

$D_b=\mathrm{\α}\×D=\mathrm{\α}\×C\×b\×\frac{l}{2}---\left(3\right)$

式中D_b——轨下基础等效刚度(kN/cm)

α——轨枕挠曲修正系数

D——钢轨支座刚度(kN/cm)

C——道床系数(MPa/cm)

b——轨枕宽度(cm)

l——轨枕长度(cm)

对于α的取值，由于复合材料性质与木枕相近，参照木枕情况取α＝0.81～0.92

由于采用废旧钢轨和复合材料，在满足支撑强度条件下钢轨支座刚度D参考表5取值，D＝30kN/mm

表5钢轨支座刚度D

(4)钢轨基础弹性模量u

钢轨基础弹性模量u用来表征钢轨基础的弹性特征，定义为单位长度的钢轨基础产生单位下沉所需的施加在钢轨基础上的分布力，量纲为力/长度²，可通过式(4)计算：

$u=\frac{D}{a}---\left(4\right)$

式中D——钢轨支座刚度(kN/cm)

a——轨枕间距(cm)

u——钢轨基础弹性模量(kN/cm²)

(5)刚比系数k

刚比系数k是指钢轨基础弹性模量与钢轨抗弯刚度的比值，它又称为轨道系统特征性参数，可用式(5)计算。

$k=\sqrt[4]{\frac{u}{4EI}}=\sqrt[4]{\frac{D}{4EIa}}---\left(5\right)$

3、单个静轮载作用下的方程及解

(1)微分方程

在连续支承梁模型中，图5为本发明实施例提供的一种钢轨在单个车轮荷载作用下的受力与变形(连续支承梁模型)示意图，钢轨作为连续支承上的梁，当受到一车轮集中力P作用时，产生挠曲变形y(x)(设向下为正方向)，轨下基础的分布反力为q(x)。由材料力学理论知：

$M=-{\mathrm{EI}}_x\frac{d^{2}y}{{\mathrm{dx}}^2}---\left(6\right)$

$Q=\frac{dM}{dx}=-{\mathrm{EI}}_x\frac{d^{3}y}{{\mathrm{dx}}^3}---\left(7\right)$

$q\left(x\right)=\frac{dQ}{dx}=-{\mathrm{EI}}_x\frac{d^{4}y}{{\mathrm{dx}}^4}---\left(8\right)$

式中M——钢轨弯矩(kN·cm)

Q——钢轨剪力(kN)

q(x)——轨下基础分布反力(kN/cm)

根据文克尔(Winkler)弹性地基理论假设，轨下的基础反力q与梁的挠曲变形y成正比，即：

q(x)＝u×y(x)

(9)

式中u——钢轨基础弹性模量(kN/cm²)

将式(4-10)代入式(4-8)，可得：

$u\×y\left(x\right)=-{\mathrm{EI}}_x\frac{d^{4}y}{{\mathrm{dx}}^4}---\left(10\right)$

即： $\frac{d^{4}y}{{\mathrm{dx}}^4}+\frac{u}{{\mathrm{EI}}_x}\×y\left(x\right)=0---\left(11\right)$

式(4-12)为4阶常系数线性齐次微分方程，令其特征方程为：

λ⁴+4k⁴＝0(12)

λ对应的四个根如下：

λ_1,2＝(1±i)k

λ_3,4＝(-1±i)k

由以上知，方程(4-12)的通解为：

y(x)＝C₁e^kxcoskx+C₂e^kxsinkx+C₃e^-kxcoskx+C₄e^-kxsinkx(13)

(2)边界条件

式(13)中，C₁、C₂、C₃、C₄为积分常数，可以通过如下边界条件确定：

1)当x→∞时，y＝0，C₁＝C₂＝0

2)荷载作用点处钢轨转角为零，即C₃＝C_4、

3)轨下基础分布反力之和与车轮荷载相等，即 $C_3=C_4=\frac{P}{8{\mathrm{EI}}_x{k}^3}=\frac{P}{2u}$

(3)微分方程的解

将C₁、C₂、C₃、C₄代入方程(4-14)，可解得钢轨在车轮集中荷载P作用下的钢轨挠曲变形方程为：

$y\left(x\right)=\frac{Pk}{2u}{e}^{-kx}(\cos kr+\sin kx)---\left(14\right)$

钢轨弯矩方程为：

$M=-{\mathrm{EI}}_x\frac{d^{2}y}{{\mathrm{dx}}^2}=\frac{p}{4k}{e}^{-kx}(\cos kx-\sin kx)---\left(15\right)$

钢轨作用于轨枕上的力，即枕上压力R(x)可通过轨下基础分布反力q(x)与轨枕间距a的乘积得到，即：

$R\left(x\right)=a\×q\left(x\right)=\frac{Pka}{2}{e}^{-kx}(\cos kx+\sin kx)---\left(16\right)$

以上计算所得的式(14)(15)(16)分别对应于钢轨在一个车轮集中荷载作用下的位移y(x)、钢轨弯矩M(x)、枕上压力R(x)的解析解，对这三个式子作数学分析可以看出刚比系数k在决定轨道的变形与内力分配方面起着重要的作用。弯矩M和枕上压力R的分布，不是由u或EI单独决定的，而是决定于比值u/EI，当k值较大时，基础相对较硬时，则枕上压力R较大，弯矩M较小，且向两侧衰减较快，荷载影响的范围较小；相反，如果钢轨的弯曲刚度EI较大，而基础相对较软，则荷载的影响将与上述情况相反。

通过计算可知，当kx＝0(即x＝0)时，即在车轮荷载的作用点处，各个解取得最大值；以上当kx≥5时，轮载的影响已经很小，通常可忽略不计。单个车轮荷载作用下的钢轨挠曲变形曲线如图6(a)、(b)所示。

在轮载处，各解取得最大值：

$\left.\begin{array}{c}{y}_{max}=\frac{Pk}{2u}\\ M_{max}=\frac{P}{4k}\\ R_{max}=\frac{Pka}{2}\end{array}\right\}---\left(17\right)$

(4)轨道刚度K_t

轨道刚度K_t定义为使钢轨产生单位下沉所需的竖向荷载。在荷载作用点，令钢轨的位移y＝1cm，则所需荷载即为K_t，由式(4-18)可得：

$K_t=\frac{2u}{k}=2\sqrt[4]{4{\mathrm{EIu}}^3}---\left(18\right)$

(三)准静态法动力计算

采用准静态法对本发明的轨枕结构进行力学性质分析。准静态法是将轨道的静荷载乘以动力增量系数(包括速度系数、偏载系数以及横向水平力系数)以表征轨道在荷载作用下的振动放大效应。准静态法将动力计算问题简化为静力计算，简便实用，在我国应用广泛。

1、计算参数

首先介绍准静态法的几个重要参数。

(1)速度系数α

速度系数α表示动轮在增量与静轮载之间的比，由于速度系数α与轨道的状态、轨道类型、机车类型以及行车速度有关，可通过实验结果进行理论分析后确定。

$\mathrm{\α}=\frac{P_d-P_0}{P_0}---\left(19\right)$

根据《铁路轨道设计规范》(TB10082-2005)，速度系数表6

表6速度系数α取值表

(2)偏载系数

车辆通过曲线时，未被平衡的超高(欠超高或过超高)会引起外轨(或内轨)动载增加，其增量与静轮载的比值称为偏载系数，若计Pd为外轨(或内轨)上的实际轮载，P0为静轮载，则：

$\mathrm{\β}=\frac{\mathrm{\Δ}P}{P_0}=\frac{P_d-P_0}{P_0}---\left(20\right)$

(3)横向水平力系数f

由于车辆通过曲线地段时轮缘的导向作用，以及直线地段转向架的蛇形运动的影响，轮轨之间将产生横向水平力以及垂直力的偏心，使钢轨产生横向弯曲和扭转。横向水平力系数定义为轨底外缘弯曲应力与中心应力的比值，可用来表征轨底边缘的应力增大情况，计算公式如下：

$f=\frac{{\mathrm{\σ}}_1}{\frac{{\mathrm{\σ}}_1+{\mathrm{\σ}}_2}{2}}---\left(21\right)$

式中σ₁——轨底外缘应力

σ₂——轨底内缘应力

根据不同机车类型及不同曲线半径条件下的实测σ₁、σ₂资料，确定的横向水平力系数值如表7所示。

表7横向水平力系数

(4)准静态法计算的y_d、M_d、R_d

考虑速度系数，偏载系数以及横向水平力系数的影响，动荷载作用下的钢轨挠曲变形y_d、钢轨弯矩M_d以及枕上压力R_d可按下式进行计算：

当v≤120km/h时：

$\left.\begin{array}{c}{y}_d=(1+\mathrm{\α}+\mathrm{\β})y_0\\ M_d=(1+\mathrm{\α}+\mathrm{\β}){\mathrm{fM}}_0\\ R_d=(1+\mathrm{\α}+\mathrm{\β})R_0\end{array}\right\}---\left(22\right)$

当120km/h＜v≤160km/h时：

$\left.\begin{array}{c}{y}_d=\[(1+\mathrm{\α})(1+{\mathrm{\α}}_1)+\mathrm{\β}\]y_0\\ M_d=\[(1+\mathrm{\α})(1+{\mathrm{\α}}_1)+\mathrm{\β}\]{\mathrm{fM}}_0\\ R_d=\[(1+\mathrm{\α})(1+{\mathrm{\α}}_1)+\mathrm{\β}\]R_0\end{array}\right\}---\left(23\right)$

当设计速度为250km/h以上时，动荷载作用下的钢轨挠曲变形y_d，钢轨弯矩M_d、以及枕上压力R_d的计算，只需在静荷载计算下的值上乘以动荷载系数2.5,；对于动荷载设计速度为300km/h及以上时，乘以动载系数3.0。

2.新型轨枕结构的强度检验

运用以上介绍的准静态计算方法，对此新型结构进行轨枕强度检算，检算内容包括轨枕压应力检算及轨枕抗弯强度检算两部分。

(1)轨枕压应力检算：

本发明实施例涉及的新型轨枕结构的受压面积为轨底与轨枕的接触面积，轨枕压应力定义为轨枕动压力R_d与受压面积的比值，即：

${\mathrm{\σ}}_s=\frac{R_d}{F}\≤\[\mathrm{\σ}\]---\left(24\right)$

式中σ_s——木枕横纹受压应力(MPa)

F——轨枕受压面积(mm²)，其值等于承轨台上铺设钢轨的底部宽度乘以承轨台宽度；

R_d——轨枕动压力(N)

[σ]——材料允许承压应力(MPa)

(2)轨枕抗弯刚度检算：

检验轨枕各截面的抗弯刚度，必须要对最不利的支承情况下的轨下截面正弯矩以及轨枕跨中截面负弯矩进行检算。对于本发明的结构形式而言，轨下截面正弯矩最不利支承情况如图7所示。

假定中间部分完全掏空，得Mg的检算公式如下：

$M_g=K_s(\frac{a_1^2}{2e}-\frac{b^{\′}}{8})R_d\≤\[M_g\]---\left(25\right)$

式中K_s——轨枕设计系数，取1

a₁——荷载作用点至枕端距离，本实施例中取a₁＝55.1cm

e——一股钢轨下轨枕的全支承长度，本实施例中取e＝110.2cm

b′——轨底宽(cm)

[M_g]——轨下截面允许弯矩

轨枕设计系数取为1，其余各参数在保证轨道整体结构的安全性和规范性的前提下，根据本发明的复合轨枕装置的结构进行实际测量，取测量值。

检算轨枕跨中截面负弯矩时，最不利支承情况如图8所示，

假定轨枕中间为部分支承，支承反力取为全支承的3/4，得M_c检算公式如下：

$M_c=-K_s\frac{3l^2+4e^2-8a_{1}e-12a_{1}l}{4(3l+2e)}{R}_d\≤\[M_c\]---\left(26\right)$

式中，考虑到轨枕全长范围内均受力，l取为轨枕全长(cm)，[M_c]——中间截面允许负弯矩。

(四)实例检算

根据前述设计检算方法，对本发明结构进行检算。

客货共线，设计速度160km/h，设单个车轮静荷载为p₀(N)，钢轨采用我国60kg/m型号。轨枕间距0.29m，线路允许过(欠)超高110mm。机车车辆DF₁₁型，轴重112.8kN，对直线地段进行验算，检算结果见表8。

表8一种基于废旧钢轨骨架复合轨枕的结构检算

综上所述，本发明实施例在既有大量废旧钢轨基础上，提出一种基于废旧钢轨和可再生复合材料组成轨枕结构，构成绿色环保轨枕结构。本发明涉及的这种新型复合材料轨枕结构，通过使用可再生塑料、废旧轮胎或者聚氨酯材料和废旧钢轨进行生产，该结构具有优良的力学性能。满足有砟轨道结构中对轨枕的作用的要求，克服现有的木枕、混凝土枕、复合材料轨枕等形式的轨枕的缺点，本发明的优点可归纳为：

1、采用弹性复合材料承轨台，弹性好，减震性能好，绝缘性能好；

2、采用钢轨作为横向支撑梁，钢轨的自重大，强度优，刚度合理，可提供充足的纵横向阻力，抗弯能力强；

3、制作材料来源广泛，且利用可回收材料，易加工，材料耐久性强，绿色环保。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种基于废旧钢轨骨架的复合轨枕装置，其特征在于，包括：废旧钢轨和2个弹性承轨台,所述废旧钢轨嵌于所述弹性承轨台内部，所述2个弹性承轨台位于所述废旧钢轨骨架两侧，所述2个弹性承轨台上分别设置承轨槽。

2.根据权利要求1所述的基于废旧钢轨骨架的复合轨枕装置，其特征在于，所述弹性承轨台和所述废旧钢轨采用整体注塑连接。

3.根据权利要求2所述的基于废旧钢轨骨架的复合轨枕装置，其特征在于，所述弹性承轨台为梯形结构，所述废旧钢轨为工字型结构，所述弹性承轨台套装在所述废旧钢轨的外部。

4.根据权利要求2或3所述的基于废旧钢轨骨架的复合轨枕装置，其特征在于，在所述废旧钢轨的骨架上焊接槽钢或者角钢或者钢筋肋条。

5.根据权利要求4所述的基于废旧钢轨骨架的复合轨枕装置，其特征在于，所述槽钢或者角钢或者钢筋肋条焊接在所述废旧钢轨的骨架上平直的位置上,所述槽钢或者角钢或者钢筋肋条位于所述弹性承轨台的中心位置，垂直于所述废旧钢轨的骨架侧面。

6.根据权利要求5所述的基于废旧钢轨骨架的复合轨枕装置，其特征在于，所述弹性承轨台采用复合材料制作。

7.一种基于废旧钢轨骨架的复合轨枕装置的强度检测方法，其特征在于，包括：

所述基于废旧钢轨骨架的复合轨枕装置的轨枕压应力σ_s定义为轨枕动压力R_d与轨枕受压面积F的比值：

${\mathrm{\σ}}_s=\frac{R_d}{F}$

式中，F为轨枕受压面积，其值等于轨枕上铺设的钢轨的底部宽度乘以弹性承轨台的宽度。

8.根据权利要求7所述的基于废旧钢轨骨架的复合轨枕装置的强度检测方法，其特征在于，所述方法还包括：

在最不利的支承情况下的所述复合轨枕装置的轨下截面正弯矩M_g的计算方法如下：

$M_g=K_s(\frac{a_1^2}{2e}-\frac{b^{\′}}{8})R_d$

式中，K_s为轨枕设计系数，a₁为荷载作用点至枕端距离，e为一股钢轨下轨枕的全支承长度，b′为轨底宽。

9.根据权利要求7所述的基于废旧钢轨骨架的复合轨枕装置的强度检测方法，其特征在于，所述方法还包括：

在最不利的支承情况下的所述复合轨枕装置的轨枕跨中截面负弯矩M_c的计算方法如下：

$M_c=-K_s\frac{3l^2+4e^2-8a_{1}e-12a_{1}l}{4(3l+2e)}{R}_d$

式中，考虑到轨枕全长范围内均受力，l取为轨枕全长。