CN110130156A - 一种竹胶组合轨枕及其组合方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种竹胶组合轨枕及其组合方法，用于支撑钢轨，并通过扣件与钢轨卡接；包括：重竹板、金属垫板和螺栓；重竹板为两块以上，两块以上重竹板叠合布置；金属垫板分别位于重竹板与钢轨的连接处，且与重竹板贴合；螺栓依次穿过多层重竹板和金属垫板，并通过螺母紧固连接，螺栓的轴线穿过扣件的紧固点。本发明提出了一种基于重竹板、金属垫板和螺栓组成的绿色环保轨枕结构，将重竹板和金属垫板的栓接位置同扣件和钢轨的栓接位置合为一体，仅通过一套螺栓，既能够实现重竹板和金属垫板之间的栓接，又能够实现重竹板、金属垫板和钢轨之间的栓接，多层叠合重竹板形成牢固、稳定的竹胶组合轨枕，满足列车运营安全性和可靠性要求。

Description

一种竹胶组合轨枕及其组合方法

技术领域

本发明涉及轨道交通技术领域，更具体的说是涉及一种用于城市轨道交通及铁路交通的竹胶组合轨枕及其组合方法。

背景技术

目前，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主要轨枕类型包括木枕和混凝土枕，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，如优质硬木，可以用制作木枕，这无疑要耗费大量优质林业资源，且由于我国森林自然资源有限，环境保护问题严重；

②我国木枕的价格较贵，是混凝土轨枕价格的2倍以上；

③由于木枕的制作材料为天然木材，而且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，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；

④木枕易腐朽和磨损，使用寿命短，另外刚度和强度较低，不能满足日益增长的列车轴重和速度发展需求；

⑤为了防止木枕腐朽，如采用防腐工艺，一般需要使用煤焦油等防腐剂进行防腐处理，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。

第二类为普通预应力钢筋混凝土轨枕：其具有承载力高、稳定性强、线路平顺性好等优点，但是有以下缺点：

①普通钢筋混凝土轨枕钢筋骨架加工、铺设、张拉工艺、耗费大量人工和设备、成本高、工序复杂。

②钢筋骨架制作、铺设、张拉工艺都费时间、成本高，质量不好控制。

③普通钢筋混凝土轨枕刚性高、延展性差。

另一方面，我国城市轨道交通中，轨枕参考并采用普通铁路混凝土轨枕设计和结构，由于城市轨道列车速度低、轴重轻，因此城市轨道轨枕受力是普通铁路轨枕受力是五分之一到三分之一，如在实测中发现，地铁中轨枕受力只有重载铁路十分之一。因此普通铁路轨枕过于粗壮、笨重、成本高；同时在城市轨道交通中，大型机械维修困难，因为空间有限，不能采用大型机械，因此人工劳动强度高。

有鉴于木枕和混凝土枕的诸多缺陷，近年来复合轨枕成为一种新型轨枕结构，其原材料主要通过使用可再生塑料、废旧轮胎或者聚氨酯材料进行生产，具有弹性好，环保绿色等优点，但是同普通混凝土轨枕比有以下缺点：

首先，复合轨枕材料密度低，如一般为1.2-1.4g/ml³导致复合轨枕质量低，造成道床纵横向阻力偏低。

其次，采用玻璃纤维聚氨酯复合轨枕(FFU)生产、安装成本高。

最后，抵抗温度、环境受力能力差，容易开裂、尤其是扣件安装螺栓抗拔力不足，在列车循环荷载作用下容易导致扣件松动，影响列车运营安全。

因此，为了克服现有的三种材质轨枕的诸多缺点，如何提供一种节约能源、成本低廉、结构稳定的轨枕及其加工方法，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种竹胶组合轨枕及其组合方法，在既有重竹板的基础上，提出了一种基于重竹板、金属垫板和螺栓组成的绿色环保轨枕结构，且结构稳定、安全性和可靠性强。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种竹胶组合轨枕，用于支撑钢轨，并通过扣件与所述钢轨卡接；包括：重竹板、金属垫板和螺栓；

所述重竹板为两块以上，两块以上所述重竹板叠合布置；

所述金属垫板分别位于所述重竹板与所述钢轨的连接处，且与所述重竹板贴合；

所述螺栓依次穿过多层所述重竹板和所述金属垫板，并通过螺母紧固连接，所述螺栓的轴线穿过所述扣件的紧固点。

通过上述技术方案，本发明在既有重竹板的基础上，提出了一种基于重竹板、金属垫板和螺栓组成的绿色环保轨枕结构，将重竹板和金属垫板的栓接位置同扣件和钢轨的栓接位置合为一体，仅通过一套螺栓，既能够实现重竹板和金属垫板之间的栓接，又能够实现重竹板、金属垫板和钢轨之间的栓接，多层叠合重竹板形成牢固、稳定的竹胶组合轨枕，满足列车运营安全性和可靠性要求。

需要说明的是，本发明采用重竹板的原因在于：我国竹材资源丰富，如湖南省有八百万亩竹林，传统竹材应用途径单一，竹地板和竹工艺品、生活用品，消耗量有限。该竹胶组合轨枕充分利用毛竹、楠竹，生长周期快、强度高、价格便宜、碳排放低特点。重竹板材强度高，韧性好，弹性好，材料指标高于普通木板，刚度和强度适中，非常适用于制作轨枕。同时重竹板耐水性好，遇水受潮不变形，防腐、防虫蛀、阻燃，适宜复杂条件应用。

同时需要解释的是，本发明所提到的钢轨和扣件均为铁路交通轨道系统中的常用结构，与现有技术中的结构一致，并且，现有的扣件是卡接在工字型钢轨底部的翼缘处，扣件的紧固点位于扣件的顶部，用于将扣件和轨枕固定连接，使扣件能够将钢轨卡接固定。以上均有现有技术中的常规技术特征，并非本发明的重点，在此不再赘述。

优选的，在上述一种竹胶组合轨枕中，所述重竹板的长度范围在2400-3000mm之间；宽度范围在280-350mm之间；厚度范围在80-100mm之间。重竹板的长度选择可根据不同轨距线路、满足线路在不同曲线地段的需求，需根据城市轨道交通运营轴重、速度、运量及单复线等情况综合分析，确定宽度、厚度和长度。

优选的，在上述一种竹胶组合轨枕中，所述重竹板的数量为三块。本发明采用三块重竹板的结构性能能够等效于木枕的结构性能，满足支撑强度需求。

优选的，在上述一种竹胶组合轨枕中，所述螺栓穿出所述金属垫板的长度为50-60mm。能够为扣件的安装卡接预留出足够的长度，便于扣件的紧固。

优选的，在上述一种竹胶组合轨枕中，底层的所述重竹板开设有用于容纳所述螺栓端头的沉孔。有利于提高竹胶组合轨枕结构的整体性，防止底面不平影响结构的稳定性。

优选的，在上述一种竹胶组合轨枕中，所述金属垫板上具有两条凸起的棱条，所述棱条位于同一块所述金属垫板上的两根所述螺栓之间，且与所述重竹板的长度方向垂直。两根棱条位于钢轨的两侧，能够对钢轨的安装起到限位作用，有利于提高钢轨安装的结构稳定性。

优选的，在上述一种竹胶组合轨枕中，所述金属垫板的宽度与所述重竹板的宽度相同。使竹胶组合轨枕的结构完整度更高。

优选的，在上述一种竹胶组合轨枕中，所述金属垫板为铁垫板。能够有效满足金属垫板的支撑和连接强度的需求。

本发明还提供了一种竹胶组合轨枕的组合方法，具体包括以下步骤：

S1、将多块重竹板叠合，将金属垫板贴合在重竹板上，使金属垫板分别位于重竹板与钢轨的连接处；

S2、使螺栓从下至上依次穿过多块重竹板和金属垫板，并通过螺母与螺栓拧紧固定多块重竹板和金属垫板，并使螺栓的轴线穿过扣件的紧固点；

S3、将螺母拆卸，将钢轨放置在金属垫板上，且位于同一块金属垫板上的两根螺栓之间，将扣件套装在螺栓上卡紧钢轨，并通过螺母与螺栓拧紧固定扣件。

通过上述技术方案，本发明将重竹板和金属垫板的栓接位置同扣件和钢轨的栓接位置合为一体，仅通过一套螺栓，既能够实现重竹板和金属垫板之间的栓接，又能够实现重竹板、金属垫板和钢轨之间的栓接，多层叠合重竹板形成牢固、稳定的竹胶组合轨枕，满足列车运营安全性和可靠性要求。

优选的，在上述一种竹胶组合轨枕的组合方法中，所述螺母与所述扣件之间安装有垫片。能够有效防止螺母松动。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种竹胶组合轨枕及其组合方法，具有以下有益效果：

1、本发明在既有重竹板的基础上，提出了一种基于重竹板、金属垫板和螺栓组成的绿色环保轨枕结构，将重竹板和金属垫板的栓接位置同扣件和钢轨的栓接位置合为一体，仅通过一套螺栓，既能够实现重竹板和金属垫板之间的栓接，又能够实现重竹板、金属垫板和钢轨之间的栓接，多层叠合重竹板形成牢固、稳定的竹胶组合轨枕，满足列车运营安全性和可靠性要求。

2、本发明通过将三层重竹板垂向联结固定后，即可等效为木枕，避免了一次性将竹材和胶结剂热压制成为竹胶轨枕需要超大压力机和重型模具特点，木枕结构需要采用特种大型压力机，一次性投入高、成品率低、模具淘汰率高特点，成为关键技术和限制点，同时，胶结方法在列车和外部环境雨水作用下容易开裂，安全性和可靠性低；本发明通过力学计算分析，采用三层叠合梁栓接工艺，采用常规热压机即可，具有成本低、质量优良、成品率高、联结可靠等优点。

3、本发明便于制作，避免钢筋骨架加工、铺设、张拉工艺，节约能源、绿色环保；同时由于不需要张拉工艺，因此可以方便制作成为异型轨枕、摩擦型轨枕结构。

4、采用重竹板材作为轨枕材料，扣件螺栓抗拔力高，减振性能好，绝缘性能好。

5、生产工艺简单、投入少，质量可靠，容易推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的竹胶组合轨枕的结构示意图；

图2附图为本发明提供的竹胶组合轨枕的主视图；

图3附图为本发明提供的竹胶组合轨枕的俯视图；

图4附图为本发明提供的竹胶组合轨枕的侧视图；

图5附图为本发明提供的竹胶组合轨枕的道床支撑反力图；

图6附图为本发明提供的竹胶组合轨枕的轨枕弯矩示意图。

其中：

1-重竹板；

11-沉孔；

2-金属垫板；

21-棱条；

3-螺栓；

4-螺母。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

参见附图1至附图4，本发明实施例公开了一种竹胶组合轨枕，用于支撑钢轨，并通过扣件与钢轨卡接；包括：重竹板1、金属垫板2和螺栓3；

重竹板1为两块以上，两块以上重竹板1叠合布置；

金属垫板2分别位于重竹板1与钢轨的连接处，且与重竹板1贴合；

螺栓3依次穿过多层重竹板1和金属垫板2，并通过螺母4紧固连接，螺栓3的轴线穿过扣件的紧固点。

需要说明的是，本发明的重竹板借鉴的是现有的重组木的制造工艺和原理：

将竹材小径级材、枝丫材等低质材，经辗搓设备加工为横向不断裂、纵向松散而交错相连的竹束，然后干燥、施胶、组坯、热压而成的一种强度高、规格大、具有天然竹材纹理结构的新型竹材人造板。

国内外重竹板的加工工艺为：原竹压溃、碾压、干燥至含水率为8％-10％、浸胶(UF或PF)、组胚(可分层铺装)、热压(UF120℃；PF160℃)、裁边。

其中，关于热压技术，主要为高频热压技术，其原理为板坯内外部同时加热，加热点主要集中在极性分子处，只要板坯水分分布均匀，即可使板坯内外温度迅速升高。因为胶豁剂含有较多的极性分子，胶结面温升会更高一些，有利于胶钻剂固化，加速形成胶钉。因此，胶豁剂在预定时间内得以充分固化，使得热压时间大大缩短，在较短时间内完成板坯的热压。

为了进一步优化上述技术方案，重竹板1的长度范围在2400-3000mm之间；宽度范围在280-350mm之间；厚度范围在80-100mm之间。

为了进一步优化上述技术方案，重竹板1的数量为三块。

为了进一步优化上述技术方案，螺栓3穿出金属垫板2的长度为50-60mm。

为了进一步优化上述技术方案，底层的重竹板1开设有用于容纳螺栓3端头的沉孔11。

为了进一步优化上述技术方案，金属垫板2上具有两条凸起的棱条21，棱条21位于同一块金属垫板2上的两根螺栓3之间，且与重竹板1的长度方向垂直。

为了进一步优化上述技术方案，金属垫板2的宽度与重竹板1的宽度相同。

为了进一步优化上述技术方案，金属垫板2为铁垫板。

本实施例的使用原理为：

将三层重竹板1和金属垫板2通过螺栓3和螺母4紧固连接，螺栓3与扣件紧固共用，具有抗拔力高，减振性能好，绝缘性能好等优点。轨枕在组装时，螺栓3和螺母4起到紧固重竹板1和金属垫板2的作用，在安装钢轨时，将螺母4拧下，在螺栓3上套装扣件，扣件与钢轨卡接，再拧紧螺母4，将钢轨与轨枕固定。本实施例将重竹板1和金属垫板2的栓接位置同扣件和钢轨的栓接位置合为一体，仅通过一套螺栓，既能够实现重竹板1和金属垫板2之间的栓接，又能够实现重竹板1、金属垫板2和钢轨之间的栓接。

本实施例的轨枕理论分析为：

根据《铁路轨道设计规范》(TB10082-2005)，轨枕压力计算采用连续弹性基础梁模型计算。

轨枕枕上垂直动压力设计值计算公式为：

R_d＝γ(1+α)P₀ (1-1)

式中：

Rd—轨枕枕上垂直动压力(kN)；

γ—轮重分配系数，与钢轨类型、轨枕间距等因素有关，一般取≤0.5；

α—综合动载系数，与行车速度等因素有关，对于重载铁路取1.5，其他铁路取1.0；

P₀—静轮重，是设计静轴重的一半(kN)。

在进行轨枕压应力计算时，受压面积为金属垫板与轨枕的接触面积，轨枕压应力定义为轨枕动压力与受压面积的比值，即：

式中：

Rd—轨枕枕上垂直动压力(kN)；

σ_s—轨枕所受压应力(MPa)；

F—轨枕受压面积(mm²)；

在进行轨枕抗弯强度检算时，道床支承反力不同图示如附图5。

检算轨下截面最不利支承情况时，假定轨枕中间部分完全掏空(参见附图5中左图)，有下列计算公式：

式中：

K_s—轨枕设计系数，取1；

a₁—荷载作用点至枕端距离，取a₁＝54.5cm；

e—一股钢轨下轨枕的全支承长度，取e＝95cm；

b'—金属垫板宽，取b’＝300mm；

检算轨中截面最不利支承情况时，假定轨枕中间为部分支承，支承反力为全支承的3/4(参见附图5中右图)，有下列计算公式：

式中：

l—轨枕长度，取l＝2600mm；

具体算例如下：

假定所设计竹胶轨枕应用于地铁列车，列车设计最高运行速度为100km/h；列车采用B型车，列车轴重不大于140kN。

R_d＝0.5×(1+1.0)×70＝70kN

金属垫板宽度取为300mm，

故F＝300×300＝90000mm²

已知木枕(松木)的允许承载压力为1.4MPa，而竹胶轨枕的抗压强度(80-120MPa)大于木枕的抗压强度(30-50MPa)，可知竹胶轨枕的允许承载压力大于木枕，即大于1.4MPa。故竹胶轨枕的抗压能力满足要求。

已知木枕具有足够的抗弯刚度，一般不进行抗弯强度验算。而竹胶轨枕的抗弯强度(110-180MPa)大于木枕的抗弯强度(60-100MPa)，可知竹胶轨枕的抗弯能力满足要求。故而可得到竹胶轨枕的弯矩示意图如附图6。

实施例2：

本实施例提供了一种竹胶组合轨枕的组合方法，具体包括以下步骤：

S1、将多块重竹板1叠合，将金属垫板2贴合在重竹板1上，使金属垫板2分别位于重竹板1与钢轨的连接处；

S2、使螺栓3从下至上依次穿过多块重竹板1和金属垫板2，并通过螺母4与螺栓3拧紧固定多块重竹板1和金属垫板2，并使螺栓3的轴线穿过扣件的紧固点；

S3、将螺母4拆卸，将钢轨放置在金属垫板2上，且位于同一块金属垫板2上的两根螺栓3之间，将扣件套装在螺栓3上卡紧钢轨，并通过螺母4与螺栓3拧紧固定扣件。

为了进一步优化上述技术方案，在S3中，螺母4与扣件之间安装有垫片。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种竹胶组合轨枕，用于支撑钢轨，并通过扣件与所述钢轨卡接；其特征在于，包括：重竹板(1)、金属垫板(2)和螺栓(3)；

所述重竹板(1)为两块以上，两块以上所述重竹板(1)叠合布置；

所述金属垫板(2)分别位于所述重竹板(1)与所述钢轨的连接处，且与所述重竹板(1)贴合；

所述螺栓(3)依次穿过多层所述重竹板(1)和所述金属垫板(2)，并通过螺母(4)紧固连接，所述螺栓(3)的轴线穿过所述扣件的紧固点。

2.根据权利要求1所述的一种竹胶组合轨枕，其特征在于，所述重竹板(1)的长度范围在2400-3000mm之间；宽度范围在280-350mm之间；厚度范围在80-100mm之间。

3.根据权利要求2所述的一种竹胶组合轨枕，其特征在于，所述重竹板(1)的数量为三块。

4.根据权利要求1所述的一种竹胶组合轨枕，其特征在于，所述螺栓(3)穿出所述金属垫板(2)的长度为50-60mm。

5.根据权利要求1所述的一种竹胶组合轨枕，其特征在于，底层的所述重竹板(1)开设有用于容纳所述螺栓(3)端头的沉孔(11)。

6.根据权利要求1所述的一种竹胶组合轨枕，其特征在于，所述金属垫板(2)上具有两条凸起的棱条(21)，所述棱条(21)位于同一块所述金属垫板(2)上的两根所述螺栓(3)之间，且与所述重竹板(1)的长度方向垂直。

7.根据权利要求1或6所述的一种竹胶组合轨枕，其特征在于，所述金属垫板(2)的宽度与所述重竹板(1)的宽度相同。

8.根据权利要求1所述的一种竹胶组合轨枕，其特征在于，所述金属垫板(2)为铁垫板。

9.一种根据权利要求1-8任一项所述的竹胶组合轨枕的组合方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1、将多块重竹板(1)叠合，将金属垫板(2)贴合在重竹板(1)上，使金属垫板(2)分别位于重竹板(1)与钢轨的连接处；

S2、使螺栓(3)从下至上依次穿过多块重竹板(1)和金属垫板(2)，并通过螺母(4)与螺栓(3)拧紧固定多块重竹板(1)和金属垫板(2)，并使螺栓(3)的轴线穿过扣件的紧固点；

S3、将螺母(4)拆卸，将钢轨放置在金属垫板(2)上，且位于同一块金属垫板(2)上的两根螺栓(3)之间，将扣件套装在螺栓(3)上卡紧钢轨，并通过螺母(4)与螺栓(3)拧紧固定扣件。

10.根据权利要求9所述的一种竹胶组合轨枕的组合方法，其特征在于，在S3中，所述螺母(4)与所述扣件之间安装有垫片。