CN109071347A - 用于生产用在轨道上部结构中的枕木的方法 - Google Patents

用于生产用在轨道上部结构中的枕木的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种方法，其以运行可靠并且低成本的方式允许生产用于轨道上部结构的枕木，其具有优化的使用特性。为此，根据本发明的方法设定以下步骤：a)提供混合物，其由10至60质量％的可通过导入热量而变形的塑料的颗粒以及其余由堆积密度为1.4‑2.0g/cm3的砂组成；b)将该混合物加热至150‑200℃的温度；c)将该混合物填充入构造枕木形状的压模中；d)在模具中以在混合物中测得的1‑5MPa的挤压压力在最大60min的挤压时长中挤压该混合物；e)将枕木从模具中脱出。

Description

用于生产用在轨道上部结构中的枕木的方法
技术领域
本发明涉及用于生产用在轨道上部结构中的枕木的方法，该枕木由塑料-砂混合物形成。
当在本文中引用标准或者类似规定时，只要没有明确给出其它说明，指的总是在本申请提交时起效的版本。
背景技术
由轨道车辆行驶的轨道是轨道上部结构的一部分并且包括轨道车辆的车轮滚过的轨道、承载轨道并且将其保持在正确位置中的枕木和将轨道固定在枕木上的轨道固定装置。这里，枕木通常支承在道碴路床(“道碴路床上部结构”)或者支承在坚固的地基(“坚固路基”)上，其例如通过水泥板或者类似物构成。
在使用中枕木会经受高负载。其必须不仅承受轨道和轨道车辆的重量，还要在轨道车辆驶过时承受高的动态负载。同时其必须承担严酷和强烈变化的环境条件，这些环境条件的特点例如在于温度或者湿度的强烈变化。
传统的枕木由木材、钢材或者水泥制成。木质枕木相对昂贵，但在使用中有一定的弹性。这样的优势在于，利用其可以不需较高花费地形成轨道固定装置，该轨道固定装置在重力方向上显示出一定的有利于轨道寿命的柔韧性。与此相对，为了保护木质枕木不会腐朽，需要高花费并且在环境视角下部分值得质疑的措施。由于腐朽危险，必须此外以相对短的时间间隔检查并且维护木质枕木。
与此相反，水泥枕木更加耐磨并且可以低成本地生产。但是其重量大并且没有弹性。所缺失的弹性使得需要额外的措施以提供在各个相应的轨道固定点中所需要的柔韧性。水泥枕木在极端的气候变化中也显示出容易遭受迅速进展的老化。
作为传统的木质枕木或者水泥枕木的替代给出由塑料-砂混合物构成的枕木(DE202011050077U1)。砂和塑料聚合物在此应这样彼此连接，使得一方面达到足够的形状刚度，另一方面也达到可类比于木质枕木行为的弹性。可以实现生产这种枕木的方法由EP1299321B1中已知。在该方法中将砂加热至300-800℃的温度然后与相应塑料的颗粒混合。将该混合物置于构造枕木形状的模具中然后在1-40kPa的压力下冷却至60-100℃。砂的颗粒大小为0.5-0.9mm。
发明内容
在现有技术的此背景下给出了这样的目的，即，给出一种方法，利用该方法可以运行可靠并且低成本的方式生产枕木，其具有优化的使用特性。
本发明通过在权利要求1中给出的方法解决该目的。
本发明有利的设计方案在从属权利要求中给出并且接下来与总体发明思想一起详细说明。
根据本发明的用于生产用在轨道上部结构中的枕木的方法包括以下工作步骤：
a)提供混合物，其由10至60质量％的可通过导入热量而变形的塑料的颗粒以及其余由堆积密度为1.4-2.0g/cm3的砂组成；
b)将该混合物加热至150-200℃的温度；
c)将该混合物填充入构造枕木形状的压模中；
d)在模具中以在混合物中测得的1-5MPa的挤压压力在最大60min的挤压时长中挤压该混合物；
e)将枕木从模具中脱出。
本发明由这样的认知出发，即，选择精确限制的温度范围和同样精确确定的挤压压力范围对于可靠的、运行安全的生产来说是必要的，在这样的范围内保持填充至相应模具中的砂-塑料混合物，直至调整得到砂和塑料间对于枕木的形状刚度来说所必需的结合。
根据本发明，在各个相应的模具中挤压时，砂-塑料混合物的温度所处于的温度范围为150-200℃。通过首先将砂和相应的塑料颗粒混合然后将所得到的混合物加热至挤压温度，砂-塑料混合物可以获得该温度。在实际试验中已经表明，利用至少160℃的挤压温度可以可靠地生产满足形状稳定性、表面特性和机械特性方面的高要求的枕木。在优化能耗的观点中，将挤压温度限制在最高180℃是有利的。
代替塑料和砂的共同加热，仅预热砂然后再将其与未经加热的塑料颗粒混合可以是有利的。由于与热砂的接触，将在此之前较冷的塑料迅速加热至根据本发明所必须的挤压温度。这不仅对于热能的高效利用来说是有利的，而且也对砂和塑料的结合过程有着正面影响。为了利用这种优势，在考虑到待生产的枕木中所规定的砂和塑料的质量比以及塑料的加热行为的情况下，将砂加热超过挤压温度，使得由热砂和冷塑料形成的混合物的温度在混合后处于根据本发明所设定的温度范围内。对此，在实际试验中证明有效的是，将砂加热至180-250℃的温度，尤其至少190℃或者最高230℃，然后与塑料混合。
根据本发明加工的砂-塑料混合物在压模中必须具有根据本发明所设定的挤压温度。为了保证这一点，在填充至模具之前加热砂-塑料混合物并且在热状态下填充至赋形工具中的方法变体方案中可能需要在考虑可通过混合物与模具的接触而产生的温度损失的情况下调整砂-塑料混合物的温度，使得混合物的温度在填充至模具中之后依旧处于为挤压温度所设定的温度范围内。为了避免过量的温度损失，将用于填充的压模加热至平均至少100℃，尤其至少110℃是有利的，其中，最大180℃，尤其最大140℃的温度在此在实际中证明为足够的并且在最优的能量利用的角度中证明是有利的，以保证相应填充至压模中的砂-塑料混合物足够的温度。“平均”这里在压模温度方面的意思是，在压模所有区域中所测得的温度的平均值符合根据本发明的规定。由此可能局部存在与该规定的偏差，也就是更高或者更低的温度。重要的是达到了平均值，其中局部出现的与平均值的偏差最优不超过10％，优选不超过5％。
在挤压之后可以将枕木脱模。这里不言而喻的是，在需要时将枕木在模具中冷却至特定的脱模温度，以简化脱模。由此证明有利的是，枕木的脱模温度为40-100℃，尤其50-70℃。
对于本发明的成功具有本质意义的还在于，与塑料颗粒混合的砂具有1.4-2.0g/cm3的堆积密度，其中已经证明具有至少1.6g/cm3的堆积密度的砂为特别有利的。在具有根据本发明的规定内选择的堆积密度的砂中保证了与塑料颗粒的良好完全混合以及由此保证了砂颗粒与在制成的枕木中对其进行包裹的塑料基质的良好结合，该塑料基质由在加热和挤压过程中熔化并且致密化的塑料颗粒形成。这里，最大1.9g/cm3，尤其至少1.7g/cm3的堆积密度证明为特别有利的。
实际试验已经表明，由平均粒度为0.6-6mm，尤其最大5mm的颗粒组成的砂特别良好地适用于根据本发明的目的。由此，在这种颗粒的情况下，实现了砂粒在制成的枕木的塑料基质中特别良好的嵌入。由此，不仅优化了枕木的稳定性，并且还为用作轨道车辆轨道中的枕木最优地调整了其缓冲行为和弹性。这里，颗粒平均直径为至少0.8mm，尤其1.0mm或者大于1.0mm的砂证明为特别有利的，其中平均颗粒直径最大为1.6mm的砂在试验中证明是特别有效的。
可以考虑作为最低要求的堆积密度满足根据本发明的规定的所有砂。
这里，碎砂证明是特别有利的。这里，通常是指人工制造的砂，例如在回收以砂为基生产出的产品，如根据本发明的枕木时所产生的。碎砂的特征在于，其颗粒在外周具有锐边凸起，其通过这些凸起与相邻的颗粒卡合并且由此促进了根据本发明所生产的枕木特别高的强度和防断裂性。
根据本发明所使用的砂的颗粒的硬度有利地具有5-8的莫氏硬度(例如参见Detlef Gysau,“Füllstoffe”(填料),第三版,Hannover:Vincentz Network,2014,ISBN:9783866308398)，其中颗粒的莫氏硬度至少为6，尤其至少为7的砂证明是特别适合的。
为根据本发明的方法而在工作步骤a)中提供的混合物中塑料颗粒的含量为10-60质量％，其中20-40质量％的含量证明是特别有利的。
原则上，作为用于根据本发明生产枕木的塑料，可以使用所有能够与根据本发明规定所得到的砂混合并且在输入热量和施加压力时可以致密化，使得其在塑料和嵌入在其中的砂粒之间获得足够结合的塑料。为此，通常被描述为“热塑性”的塑料是特别合适的。
这里，特别适合的是由聚丙烯颗粒(PP颗粒)或者聚乙烯颗粒(PE颗粒)，尤其由高密度聚乙烯颗粒(HDPE颗粒)构成的塑料颗粒。这些颗粒可以以仅由一种塑料颗粒组成或者作为不同塑料颗粒的混合物的形式使用。在使用这种塑料混合物时，塑料颗粒由最大40-60质量％的PP颗粒并且其余由PE颗粒或者HDPE颗粒构成时证明是有利的。
当组成塑料颗粒的一种或多种塑料根据DIN EN ISO 1133在190℃的检测温度和2.16kg的质量负载的情况下确定的熔融指数MFI/190/2.16(参见A.B.Mathur,I.S.Bhardway,“Testing and Evaluation of Plastics”,Allied PublishersPVT.Limited,2003,ISBN 81-7764-436-X)分别小于10，尤其小于9时，这在根据本发明填充至赋形模具中的砂-塑料混合物的挤压过程中的良好的模具填充方面同样证明是有利的。这里，在使用PP颗粒时，其熔融指数MFI/190/2.16可小于10，并且在使用PE颗粒，尤其HDPE颗粒时，其熔融指数小于8，尤其小于5。
根据本发明进行加工的砂-塑料混合物的塑料材料和砂的良好完全混合可额外通过将颗粒的粒度匹配于砂的粒度来促进。为此，当塑料颗粒为粉或粉末形式时证明是有效的。
根据本发明所制造的枕木具有针对断裂的高安全性。
根据DIN EN 13146-10进行的测试显示出根据本发明生产的枕木通常具有针对高的、最严格的要求来说足够的脱出抗性，由此在此方面能够一直满足实际中提出的要求。
此外，根据本发明的枕木在特别的程度上适用于使用自切割的轨道固定螺栓，其旋拧进尤其以钻孔形式引入枕木中的圆柱形开口中并且切入围绕该开口的材料中以固定分别支承在枕木上的轨道。这里显示出，根据本发明的枕木可以承受至少60kN的高拧紧力矩，而不会导致枕木材料的断裂。这允许结合根据本发明的枕木使用结构简单并且价格低廉的系统来固定相应待固定的轨道，在这些系统中仅需要最少数量的螺栓来锚固在枕木上。
具体实施方式
接下来借助于实施例进一步说明本发明。
为了生产以传统方式方形纵向拉伸形成的道碴路床上部结构枕木提供碎石英砂。该砂的堆积密度为约1.9g/cm3，莫氏硬度为7并且平均砂粒粒度为1.0-1.6mm。
同样地也提供塑料颗粒，其由PP塑料颗粒和HDPE塑料颗粒混合物组成。这里，PP塑料颗粒和HDPE塑料颗粒以1:1的比例包含在混合物中。PP塑料颗粒在190℃的温度和2.16kg的质量负载的情况下确定的熔融指数为8，与此相对，HDPE塑料颗粒的该值为3。塑料颗粒同样作为颗粒形式出现。
砂在与塑料颗粒混合之前，借助于浸入在砂中、通过热油加热的加热芯加热至220℃。与此相对，塑料颗粒的温度则为室温。
然后将热砂与塑料颗粒混合。砂和塑料颗粒的添加量这样确定，使得所得到的砂-塑料混合物最大30质量％由塑料颗粒(分别15质量％的PP塑料颗粒和HDPE塑料颗粒)并且其余由砂组成。在混合过程中将塑料颗粒加热并且将热砂以相应的方式冷却，由此所得到的砂-塑料混合物具有170℃的挤压温度。在该温度下，塑料颗粒已经完全熔化。
经如此调温的砂-塑料混合物填充到挤压工具的模具中，模具的温度保持在至少120℃。
随后将砂-塑料混合物在模具中在3.6MPa的压力下保持例如30分钟的时长。通过这种方式将模具均匀填充以砂-塑料混合物，由此由模具所规定的枕木细节顺利得以复制并且砂牢固结合在对其进行包裹的塑料上。
在挤压时间结束后将模具打开并且将所得到的枕木冷却至60℃的脱模温度，在该温度下最后将枕木从模具中取出。
所得到的枕木具有高的断裂安全性，使得其可以可靠地长久承担在实际应用中出现的负载。
这里已经证明，脱出抗性，也就是说为了将轨道固定装置的锚固装置从枕木中拉出所必需的力，明显比为此在实际中所规定的最小值更大。
在利用传统枕木螺栓的试验中也得到了明显高于60kN，例如70kN以及更大的拧紧力矩。

Claims (15)

1.用于生产用在轨道上部结构中的枕木的方法，所述方法包括以下工作步骤：
a)提供混合物，其由10至60质量％的能够通过导入热量而变形的塑料的颗粒以及其余由堆积密度为1.4-2.0g/cm3的砂组成；
b)将所述混合物加热至150-200℃的温度；
c)将所述混合物填充入构造枕木形状的压模中；
d)在模具中以在混合物中测得的1-5MPa的挤压压力在最大60min的挤压时长中挤压所述混合物；
e)将枕木从模具中脱出。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在工作步骤a)中提供的混合物中塑料颗粒的含量为20-40质量％。
3.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，在工作步骤a)中提供的砂的堆积密度为至少1.6g/cm3。
4.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，挤压时长为至少5min。
5.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，在工作步骤b)中将混合物加热到的温度为至少160℃。
6.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，所述塑料颗粒由聚丙烯颗粒(PP颗粒)或者聚乙烯颗粒(PE颗粒)组成。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述塑料颗粒由PP颗粒和PE颗粒混合而成。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述塑料颗粒由最大40-60质量％的PP颗粒并且余下由PE颗粒组成。
9.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，组成塑料颗粒的一种或多种塑料的熔融指数MFI/190/2.16分别小于10。
10.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，将砂在与塑料颗粒混合之前加热至150-230℃的温度。
11.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，压模在填充塑料颗粒-砂混合物时的温度平均为100-140℃。
12.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，砂由平均粒度为0.6-6mm的颗粒组成。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述砂的颗粒具有0.8-1.6mm的粒度。
14.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，所述砂的莫氏硬度为5-8。
15.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，所述砂为碎砂。
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