CN1072300C - 钢轨的弹性扣紧装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钢轨的弹性扣紧装置(4)，它有一个带型面的设在轨底(2)和硬的支承面例如轨枕(6)之间的弹性衬垫(8)，在面朝支承面(6)的压缩面(17，18)上设有基本上封闭的边缘档板(10-13)，而边缘档板本身又围绕着凹面(17，18)，从凹面起凸出一个个小面积的压缩点(18)。弹性衬垫(8)的这种几何结构，可以通过改变压缩面(17，18)调整弹性衬垫(8)规定的刚度。衬垫(8)的材料最好采用未交联橡胶的热塑性弹性体或乙烯-醋酸乙烯-共聚物。这类衬垫特别适用于高负荷的W型铁路线路上部结构的铁路轨道上。还提出了一种带可更换模板以构成不同压缩面尺寸的特殊的压铸模具。

Description

钢轨的弹性扣紧装置

本发明涉及一种带弹性衬垫的钢轨弹性扣紧装置以及一种制造弹性衬垫的模具。

铁路轨道在轨枕上的钢轨扣紧装置，目前通常在轨底与轨枕之间设置衬垫，以保证一种有弹性的列车运行情况。为此，无关紧要的是是否采用混凝土轨枕(例如现在常用的B70型尺寸)或木轨枕或钢轨枕，它们作为槽形轨枕或Y-轨枕和为每根钢轨设有两个支承面。

通常，钢轨用弹簧部件弹性夹紧，此弹簧部件作用在轨底上，并用螺钉或带环螺钉将弹簧部件本身固定在支承面、轨枕上，或也可固定在桥梁下部结构或其他的固定路基上。这种将钢轨通过弹性衬垫在轨枕上弹性扣紧的装置，公开于针对轨道在碎石道床中使用的DE-A3243895中。

对于高度可调的尤其用于无道碴线路的钢轨扣紧，这类弹性衬垫同样是已知的(DE-A2600416)，它们同时可具有电绝缘作用，只要其本身相对于钢轨是绝缘地紧固在支承面上的。此外，也可以将紧固装置与绝缘装置分开。侧向的钢轨导引通常用角形导板来保证，角形导板本身可用塑料或钢制成。

可将弹簧部件固定在一个特殊的支承件(例如带肩垫板)中，该弹簧部件将轨底固持在带肩垫板上，这样可以取代这种角形导板和压在固持轨底的弹簧部件上的螺钉连接装置。此类规定用于无道碴线路按CH396960的钢轨扣紧装置中，选择橡胶板作弹性的钢轨垫板，无论是面对轨底的一侧还是面对支承面的一侧，在钢轨垫板上均制有沿钢轨纵向连续的槽形。因此，必然明显地提高了此橡胶垫板的弹性，尽管在CH专利文献中没有公开这一点。

由DE-AS1014139已知，除两侧有压缩面网格的橡胶制成设有制成整体的压缩点的衬垫外，还有单侧压缩面网格的橡胶衬垫，这些压缩点为圆柱形或角柱形从一个凹面向外突出。此衬垫应制为连续的带状，必要时还带有边缘档板，并就地裁剪。没有公开其特殊的使用目的或其他的材料特征值。

由DD-PS64820和DE-A2347991已知由橡胶或白杨木和由橡胶或未进一步详细列举的塑料制的衬垫，它在面对轨枕的一侧有为改变刚性所设的沟槽。在这种情况下的设计原则是，衬垫沿钢轨纵向的刚性比沿横向的要低，亦即有更好的柔性。应当减小作用在轨枕上的侧压力，使衬垫免遭破坏。因此这两个公开文件突出了有关橡胶或白杨木的特殊问题。

实际上还已知有多种其他的钢轨衬垫，它们用聚乙烯或聚胺酯亦即热塑性塑料制成，其中，压缩面，亦即衬垫面朝支承面或轨底的表面，可以是平滑表面，或也可以在朝轨底一侧制成型面。

业已证实，由上述材料制成的这类弹性衬垫，必须针对具体使用场合加以设计，或对其材料成分作出修改，以保证在外界温度有高有低的情况下，满足对火车安静运行、对周围环境发出较小的噪声以及尽可能有不变的弹簧特性提出的要求。然而在实际上根本不可能完全做到这一点，尤其在铁路的高速行车线践区段已经表明，轨道的弹性不够，并且无论是对铁路轨道还是对铁路机车车辆的使用寿命均有不利的影响。按现有技术的衬垫有一个重要的缺点，当温度在-20℃及更低时变得非常硬，在轨底的下面与衬垫之间(尤其当衬垫没有平滑表面时)聚集脏物后更加剧了这一情况。在滚动以及吸入空气过程中，由于目前所使用的钢轨弹性扣紧装置和杆状轨枕下不可避免的轨枕倾侧，会引起细尘和水聚集在衬垫的表面。尤其在冬季，由于水分结冰和脏物变硬，可以肯定无论是在静态或是动态的负荷状态下，弹性系数均发生剧烈的改变。因此，目前所设计的钢轨扣紧装置的弹性特性以不可预料的程度变坏。

此外，由现有技术已知，在轨枕倾侧时，主要是橡胶衬垫但也包括普通的聚乙烯或聚胺酯塑料衬垫，会受到挤压而导致破坏。对于衬垫在轨枕侧的边区可以肯定也是同样情况，当受到相应的横向力时会引起轨底的倾侧，以及此衬垫在所设计的面压力作用下压出。虽然原则上聚胺酯适合于作为衬垫材料，但是它要么不耐水解，要么在对材料成分相应的修改时比较昂贵。硫化的橡胶衬垫可由于分子交联的断裂而全面地破坏，尤其是压碎。

因此，本发明的目的是提出一种带弹性衬垫的钢轨弹性扣紧装置，它可以在最大程度上衬偿由环境和载荷引起的破坏作用，此时，这种类型的弹性衬垫可以适应特殊的使用情况，并能廉价地制成。

为达到本发明上述目的，本发明提供了一种带弹性衬垫的钢轨弹性扣紧装置，弹性衬垫设在轨底与轨枕的硬的支承面之间，所述的弹性衬垫一个表面是异型面，以及轨底的压紧采用弹簧部件来实现，其特征为：只是在衬垫面朝支承面的表面上设封闭的边缘挡板，所述的边缘挡板围绕着一个凹面，从凹面突出多个小面积的压缩点，边缘挡板和压缩点形成要压缩的表面部分。

这类衬垫可用于带弹簧垫圈的传统的K型扣紧装置上部结构中；但只有在现代的钢轨弹性扣紧装置，例如带W形钢弹簧的所谓W型扣紧装置上部结构中，才能发挥其全部作用，钢弹簧通过螺钉连接装置固定在支承面、轨枕上，并压紧轨底。

这种新型衬垫能避免污染钢轨支承面，亦即避免水份侵入钢轨与轨枕或固定的路基之间的缝隙中，这是通过使衬垫面朝轨底一侧具有平滑的面，以及，通过相应地改变面对支承面，轨枕的压缩面进行用于不同使用面的可变弹簧特征值的调整。此时，在衬垫相应的表面设连续和封闭的边缘档板，它围绕着一个凹面，由此凹面出发抬高成其自身的另一些形式上为小面积压缩点的压缩面部分，并用作支承面。它与轨枕一起构成的封闭腔，由于钢轨弯曲或钢轨倾侧出现相应的垂直力和侧向力时，通过钢轨支承面通常会压缩边缘档板而保持密封，所以凹处不会由于吸入空气或类似的环境条件而充满水或脏物。

作为辅助措施，边缘档板通过排水通道被垂直于钢轨纵向中断，排水通道与凹面连通。在固定点滚动时弹性衬垫受压缩，并因而将空气或意外地侵入的水或其他外来物从支承面所在区挤出。

衬垫的刚性，亦即与具体条件相配的衬垫的弹性常数，可通过选择尺寸和小面积压缩点的数量，再加上必要时改变边缘档板的宽度，针对各种具体情况来确定。在这里，具体情况是指所敷设轨枕的类型，例如碎石道床或固定的铁路轨道，以及载荷谱，例如高速行车线路区段或具有高载荷吨数(积累的滚动载荷)的区段，较小或较大的曲率半径等。

在这种情况下的出发点首先是，在凹面内的压缩点总数小于凹面的面积部分的一半，所以留有足够大的空腔，在空腔内可能聚集的脏物可以长久留在那里，不会挤在环绕着它们的压缩面上。

属于压缩点部分的刚度特性以及总刚度，除了它提到的参数(尺寸和数量)外，可通过其他的特性来改变，其中包括大小不同的点沿凹面的分布尺寸、表面的形状，例如角形的或圆形的、有效的下陷深度、以及材料。出自于制造技术方面的原因，将每个压缩点设计为截锥体或角锥体，也就是说，在开始加载时它的有效端面积，小于它的与凹面重合处的底面积。通过下陷深度连续变化的压缩点面积差或相应的边侧陡度，可在刚度计算时包含在内。尤其是衬垫最小和最大负荷之比以及所希望的它对整个钢轨扣紧装置的刚度的影响可加以调整。在刚度和用于衬垫的材料特性中，作为参数要考虑出现的温度为-30℃至+80℃。

在本发明中使用未交联橡胶类热塑性弹性体(TPE)和乙烯-醋酸乙烯酯-共聚物(PE-共聚物)。为了UV-稳定可添加炭黑。通常为了调整刚性考虑静态负荷例如50KN，割线刚度在负荷级18-68KN之间和在室温下，以及，动态特性例如由于列车运行时的滚边频率造成。按理想状态，在条件改变时刚性应保持常数；但是实际上不能实现这一点。出自于这一原因，应适应最经常的交通负荷。

本发明解决了一个现有技术迄今未予以足够重视的特殊问题。长期以来计算作用在轨头上的导向力和垂直的负荷力是已知的，它们的合力作为面压力作用在钢轨支承面上。垂直的负荷力是由滚动中的铁路机车车辆的重量造成的，而水平地作用在轨头上的导向力中，小部分由机车车辆在轨道上的正弦运动引起，由此造成了轮缘在轨头上的冲击，大部分由离心力产生，此离心力与轨道的弯曲半径、最重的铁路机车车辆的重量以及必要时存在的曲线上外轨超高相应。作用在钢轨支承面上的力毫无疑问可达到数值为6MP。由此，根据在小弯道中巨大重量的负荷状态，例如火车减速行车或停车或高速行车，在通过钢轨扣紧装置给定钢轨压紧力的情况下，产生轨底的面压力从0至约1KN/cm²。在火车停车时，在轨底上朝轨道中心线方向(例如钢轨S54)产生的负荷可至400N/cm²，但在轨底的对面只是比负荷的10％，这是由于钢轨朝轨道中心线方向给予普通的斜度例如1∶40造成的。在轨底边缘上的连续的边缘档板可适应此负荷，因为在那里存在着弹性衬垫上的大的支承面部分。对于弹性衬垫的类似的压缩方式，沿钢轨纵向由钢轨弯曲和轨底弹性压紧中的间隙造成。在这里厚度均匀的边缘档板还用于支承轨底。

按本发明的衬垫已在实践中证实，在存在动态负荷时其弹性的特征值只有很小的变化，这一变化在这类衬垫允许的误差范围之内，因而防止了在特殊使用状况时弹性衬垫的破坏。通过封闭的边缘档板还防止了在较大的例向导向力时钢轨的倾斜，因为局部较大的刚性造成了一个相应的反作用力。

衬垫下侧在处于钢轨纵向的边缘设有压条或肋，它促使衬垫在轨枕上通过形状连接地可靠支承着。此压条最好不沿衬垫的整个宽度，而是限制在一个长度为衬垫宽度的10-60％。在一种最佳实施形式中，压条的中央留空，仅在衬垫的角凸出一个长度为总宽度的约20％。这样做有许多技术上的原因。其结果是避免在制造时材料集中堆积带来相应的流动问题。此外，在安装衬垫时它的位置可方便地从轨枕侧向加以调整，因为在钢轨位置或轨枕支承面的中央区没有覆盖。

在一种用于混凝土轨枕或其他轨枕(它们设有用于钢轨扣紧的角形导板)的特殊的实施形式中，弹性衬垫沿钢轨横向有突出的肋，此角形导板可支承在此肋上。因此，弹性衬垫同时通过轨底的紧固装置固定在其应有的位置上。

实际试验已经证实，在用于负荷频率＞50Hz至100Hz以上的碎石道床，亦即尤其用于铁路的快速运输，室温下静态弹性常数约为50KN/mm或高至约90KN/mm是有利的。在德国铁路的固定的铁路轨道上，静态的弹性常数最好＜30KN/mm，衬垫的基准参数按面积148×165mm计算，在这种衬垫中有用于弹性的列车运行所必要的衬垫较大的下陷深度。

在用TPE材料时，此下陷深度值可轻易地达到0.5-1mm(碎石道床)和约2mm(固定的铁路轨道)。对于较高的刚性和下陷深度至0.5mm，最好用PE-共聚物，它持续地提供两倍这么高的特征值。相比之下迄今使用的按现有技术的衬垫通常其刚度高许多倍。

面或支承件的不同的设计，尤其是在凹面内压缩点的设计，最好可通过在压铸模内设置可更换的模板来实现。这类模板可以库存保持，用于不同的压缩点数量和/或不同的大小和形状，例如圆的或角形的或角锥形或截锥形的带不同边缘陡度的压缩点，也可用于不同的或相同的总表面积。因此可以用同一个模具制造不同总刚度的衬垫。

借助于所附的示意图可详细说明本发明。其中：

图1W型上部结构钢轨弹性扣紧装置和弹性衬垫局部剖视；

图2按图1中A向弹性衬垫的俯视图；

图3按图2通过弹性衬垫的B-B剖面图；以及

图4按图1中A向看衬垫的第二种实施例。

在类别B70的混凝土轨枕6上有尺寸为UIC60的钢轨1，在它的固定点有朝轨道中心线(向左)的坡度1∶40(图1)。钢轨1的轨底2通过角形导板5沿侧向和从上面用弹性的钢轨扣紧装置4压紧。在混凝土轨枕6的支承面215与轨底底部3之间设有一个弹性衬垫8，它的侧肋7、9用角形导板5固持。

图2表示了弹性衬垫的下视图(箭头A)。图中未表示的弹性衬垫的上面是平的，因而与轨底底部3全面接触。弹性衬垫8在最大程度地封闭的边缘档板内在钢轨纵向有部分12、13，以及在钢轨横向有部分10、11，它们围绕着凹面17。在钢轨底部3与没有表示的轨枕6之间总的压缩面积，由边缘档板10至13的总面积和压缩点18的面积总量得出。衬垫的材料采用不交联的热塑性弹性体。在室温下当衬垫尺寸为名义值165×148mm、总厚度7mm和凹面深5mm时，在这种情况下具有的弹性常数约为60KN/mm。在凹面的一侧横向地通过边缘档板10导通排水通道20、22，在弹性衬垫压缩时，通过它们将可能进入凹面中的空气和/或水从凹面17压出。排水通道20、22垂直于钢轨设置，所以，由于铁路机车车辆的滚动不会在凹面中吸入灰尘和水。在需要时，可以例如在处于相对位置的边缘档板上设其他的排水通道。肋15、40通过它们的曲面16扣压在轨枕6上，用于使弹性衬垫8沿钢轨纵向形状连接地止动。沿钢轨横向，亦即在轨枕6的表面21上，两侧的边缘档板10、11通过肋9、7伸出，如图1所示，肋9、7可在角形导板5下面被压紧。在受保护的区域23内印有制造商的标记和衬垫的生产日期。

图3表示图2中的B-B剖面，此剖面图部分通过边缘档板13和带凸块18的凹面17，然后(图的右部)表示弹性衬垫8的侧视图。带曲面16的肋14、15用来贴靠在轨枕上。凹面17从边缘档板13起延伸，角锥台状的压缩点18从此凹面17起带有倾斜侧面19地伸出。边缘档板10前面的肋9用来固定弹性衬垫，排水通道22从边缘档板10的外边缘一直伸展到在弹性衬垫里面的凹面17。

图4表示类似于图2的衬垫25第二种实施形式，同样处于图1中A向视图的位置。在这里代替压缩点18的是沿凹面37分布的大小不同的截锥体压缩点34、30。此外，用PE-共聚物制造的衬垫25同样有连续的边缘档板28、29，用来支承轨底边缘，以及有加宽增强的边缘档板26、27，用来减小衬垫的单位边缘压力。在这里，扣紧条24为了将衬垫固定在轨枕上而减到最小，以便例如最大程度地避免制造时不希望有的材料堆积。压缩点30、34有一个相对于其底面33、35为较小的顶面31、37，所以形成了一个斜的侧面32、36。

在顶面31、37受载时，它们根据侧面的斜角和压缩的行程或未表示的钢轨的下沉深度而变大。因此，在给定的负荷和名义的总压缩面积下，此下沉的量还可以通过侧面的斜角调整，或因而通过刚度来影响。

顶面31、37的尺寸、沿衬垫25顶面的数量及分布，均可作为调整钢轨扣紧装置的刚度的其他参数，其中，在使用圆锥形压缩点时刚度曲线基本上是直线性的，在使用角锥台形压缩点时是渐进变化的。

Claims (9)

1．带弹性衬垫的钢轨弹性扣紧装置，弹性衬垫设在轨底与轨枕的硬的支承面之间，所述的弹性衬垫一个表面是异型面，以及轨底的压紧采用弹簧部件来实现，其特征为：只是在衬垫面朝支承面(6)的表面(21)上设封闭的边缘挡板(10-14；26-29)，所述的边缘挡板围绕着一个凹面(17,37)，从凹面(17,37)突出多个小面积的压缩点(18,30,34)，边缘挡板和压缩点形成要压缩的表面部分。

2．按照权利要求1所述之钢轨扣紧装置，其特征为：衬垫的刚度可通过改变各工作压缩面(21,31,37)的大小，尤其是压缩点(18,30,34)的大小来改变。

3．按照权利要求1或2所述之钢轨扣紧装置，其特征为：衬垫的凹面(17)与至少一个在边缘挡板(10,11)中的排水通道(20,22)连通。

4．按照权利要求1或2所述之钢轨扣紧装置，其特征为：衬垫压缩点(18,30,34)的总面积，小于凹面(17,37)的二分之一。

5．按照权利要求1或2所述之钢轨扣紧装置，其特征为：压缩点(18,30,34)的顶面小于它们的底面(33,35)。

6．按照权利要求1或2所述之钢轨扣紧装置，其特征为：衬垫的边缘挡板(10-14；26-29)设有肋(7,9,14,15,24)，用于通过形状连接或摩擦连接地固定在支承面(6)上。

7．按照权利要求1或2所述之钢轨扣紧装置，其特征为：衬垫(8,25)采用的材料是未交联橡胶类的热塑性弹性体(TPE)，或乙烯-醋酸乙烯-共聚物(PE-共聚物)。

8．按照权利要求7所述之钢轨扣紧装置，其特征为：在室温下负荷频率＞50Hz时，衬垫的静态弹性常数，采用TPE的情况下约为20至70KN/mm，采用PE-共聚物约为130KN/mm。

9．按照权利要求8所述之钢轨扣紧装置，其特征为：在室温下负荷频率＜40Hz时，衬垫的静态弹性常数，采用TPE时＜30KN/mm，采用PE-共聚物约为70KN/mm。

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