CN110593020A - 一种复合材料合成轨枕 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种复合材料合成轨枕，包括壳体和混凝土芯体，壳体由复合材料制成，其特征在于，所述壳体包括有上壳体和下壳体，所述下壳体设置为槽状结构，所述下壳体内设置凹槽，所述芯体的外表面设置凸肋，在所述下壳体的内部安装混凝土芯体。本发明所述的将壳体设置为具有弹性的复合材料，芯体设置为混凝土材质，有效吸收钢轨的振动能量，降低波浪磨损，起到很好的减振降噪效果。且当轨枕的外壳损坏时，只需要更换上壳体或者下壳体即可，利于更换，节约成本。并且本实施例在轨枕下壳体的下表面设置保护层，提高壳体以及轨枕整体的使用寿命。提高轨道结构的稳定性。

Description

一种复合材料合成轨枕

技术领域

本发明涉及轨道交通技术领域，特别涉及一种复合材料合成轨枕。

背景技术

目前铁路线路使用的轨枕主要是木枕和预应力钢筋混凝土轨枕。公知的木枕由于它具有弹性好、易于加工、使用方便等优点，在桥梁、道岔等特殊地段得到广泛使用。但由于取材的原因，木枕的强度和耐久不够均匀，会加大轮轨动力作用，使得木枕的使用寿命短。另外，优质木材资源比较匮乏，也越来越不符合环保和生态保护要求。公知的预应力钢筋混凝土轨枕由于它原料丰富，易于保证制作尺寸，质量大、寿命长，并能提高轨道的稳定性，因此在铁路轨道中得到广泛大量的使用。但是，预应力钢筋混凝土轨枕还存在着弹性差、刚度大等弊端，在特定区域或位置使用受到局限。

针对目前常用木枕和预应力钢筋混凝土轨枕所具有的明显缺陷，长纤维增强发泡树脂材料的合成轨枕是一种很好的取代材料。长玻璃纤维增强发泡树脂具有与天然木材相似的结构，可以作为建筑装饰材料、交通设施代替木材。但长纤维只提供了材料的轴向强度，其横向强度仍然较低，因此，采用长纤维增强发泡树脂材料的合成轨枕铺设在铁道用的铁轨时，铁轨垫板容易磨损轨枕表面并形成下陷，影响轨道的安全性。专利申请号为200610082833.2的专利申请公布说明书中，揭示了一种合成枕木及合成枕木的制造方法，这种枕木是将由长纤维增强发泡树脂材料发泡成型的发泡母材作为主体，并用无发泡树脂材料在主体表层一体形成保护层。使用无发泡树脂形成保护层的方法虽然可以增加材料的耐磨耗性，但同时降低了发泡母材减震降噪的效果，增加了钢轨、车轮的震动和磨损。另一方面轨枕的强度、耐疲劳性能、螺栓抗拔强度、抗螺栓松弛、抗剪切性能等不满足重载铁路及铁路桥梁的要求。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种复合材料合成轨枕，以解决现有技术中存在的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种复合材料合成轨枕，包括壳体和混凝土芯体，壳体由复合材料制成，其特征在于，所述壳体包括有上壳体和下壳体，所述下壳体设置为槽状结构，所述下壳体内设置凹槽，所述芯体的外表面设置凸肋，在所述下壳体的内部安装混凝土芯体。

进一步的，所述下壳体包括底面、侧壁和端壁，在所述侧壁内设置凹槽，所述凹槽与混凝土芯体的外表面配合。

进一步的，所述凸肋设置为向远离混凝土芯体中心的方向凸起延伸，在所述混凝土芯体内部设置有第一加强筋和第二加强筋。

进一步的，所述第一加强筋设置为沿芯体长度方向延伸；所述第二加强筋设置为环状结构，以预定间隔沿第一加强筋的长度方向套设在多根第一加强筋上。

进一步的，在所述下壳体下部的外表面设置有保护层，保护层由耐磨材料制成并位于下壳体的外表面，所述保护层设置在下壳体和道床之间。

进一步的，在所述保护层的下表面设置防滑结构，防滑结构设置为多个第一凸起，多个所述第一凸起可以设置为圆形、矩形、三角形和菱形中的任一种或多种。

进一步的，在所述下壳体的底面的内表面设置有多个第二凸起，所述第二凸起可以设置为钉柱或者立柱等形式。

进一步的，所述上壳体上表面设置为中间低两边高的结构，在所述上壳体上表面的中间部位设置导水槽，所述上壳体靠近两端的位置设置有承轨槽，所述承轨槽设置为向下凹陷的结构。

进一步的，在所述承轨槽内安装承轨架，且在所述承轨架的上表面与所述上壳体的上表面两端平齐，所述承轨架选用材料的硬度、密度均大于所述上壳体所采用材料的相应属性。

本发明还提供了一种复合材料合成轨枕的制备方法，包括如下步骤：

(1)根据产品要求形状，通过拉挤工艺制备上壳体和下壳体，用弹性粘结剂将保护层粘结在下壳体的外部下表面；

(2)制备颗粒阻尼件，将制备好的颗粒阻尼件放置在芯体模具中，同时在颗粒阻尼件的外表面涂覆金属胶作为第一粘结层；同时通过模具内的定位装置将第一加强筋和第二加强筋预埋在芯体模具中，将配料好的混凝土混合物浇注到芯体模具中，制得混凝土芯体；

(3)在混凝土芯体上表面涂覆一层第二粘结层，通过连接螺钉将上壳体与混凝土芯体固定；

(4)安装卡夹。

相对于现有技术，本发明所述的复合材料合成轨枕具有以下优势：

(1)本发明所述的将壳体设置为具有弹性的复合材料，芯体设置为混凝土材质，有效吸收钢轨的振动能量，降低波浪磨损，起到很好的减振降噪效果。且当轨枕的外壳损坏时，只需要更换上壳体或者下壳体即可，利于更换，节约成本。并且本实施例在轨枕下壳体的下表面设置保护层，提高壳体以及轨枕整体的使用寿命。提高轨道结构的稳定性。

(2)本发明所述的复合材料合成轨枕在轨枕的外部安装卡夹对上壳体、混凝土芯体以及下壳体起到了固定卡紧的作用；在混凝土芯体的内部设置颗粒阻尼件，不仅保证轨枕的使用寿命，而且颗粒阻尼件可以进一步吸收并消耗轨枕的振动能量，起到了充分减振隔振的作用，且耐久性好，减小设备养护维修的工作量。在轨枕上安装传感器，可以将轨枕的应力数据实时的传递给铁路管理部门，有助于对轨枕、道床以及钢轨的工作状态、线路安全性进行监控评价，方便检修。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的复合材料合成轨枕的左侧安装承轨架后的分解立体图；

图2为本发明实施例所述的复合材料合成轨枕前视图；

图3为本发明实施例所述的复合材料合成轨枕芯体横向剖面图；

图4为本发明实施例所述复合材料合成轨枕芯体纵向剖面图；

图5为本发明实施例所述复合材料合成轨枕下壳体示意图；

图6为本发明实施例所述复合材料合成轨枕安装卡接后的侧视图。

附图标记说明：

1-芯体，11-凸肋，12-第一加强筋，13-第二加强筋，14-阻尼件，15-空腔， 16-开口，17-离散颗粒，18-第一粘结层，2-上壳体，21-导水槽，22-承轨槽，23- 承轨架，24-安装孔，25-电器箱；3-下壳体，31-底面，32-侧壁，33-端壁，35- 凹槽，36-保护层，37-第一凸起，38-第二凸起，4-卡夹，41-弹片

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。在本发明的实施例中所提到的“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种复合材料合成轨枕，包括壳体和混凝土芯体1，壳体由复合材料制成，壳体包括有上壳体2和下壳体3，所述下壳体3 设置为槽状结构，在下壳体3的内部容纳混凝土芯体1。混凝土芯体1增加了轨枕的自重，避免因自重小而且阻力不够，最终提高铁路系统的稳定性。当有列车经过轨枕上部的铁轨时，将产生较大的振动力，轨枕的上壳体能够缓解钢轨传递来的振动力，增大轨枕的使用寿命。并且与常规的混凝土轨枕相比，壳体的设置能够有效降低列车通过钢轨时产生的噪音。

混凝土芯体1的长、宽、高分别设置为2200～2800mm、300～350mm、 200～300mm，优选的，可以将长、宽、高分别设置为2600mm、330mm、250mm，芯体1采用混凝土浇筑制成，增加轨枕的承载强度和线路稳定性。

进一步的，下壳体3设置为塑性复合材料，具有一定的弹性，便于加工和回收利用，另一方面，塑性复合材料能够有效吸收钢轨的振动能量，降低波浪磨损，起到很好的减振降噪效果。具体的，槽状的下壳体3包括底面31、侧壁 32和端壁33，在侧壁32内设置凹槽35，凹槽35与混凝土芯体1的外表面配合，增加混凝土芯体1与下壳体3的连接稳定性。在下壳体3下部的外表面设置有保护层36，保护层36由耐磨材料制成并位于下壳体3的外表面，保护层36设置在下壳体3和道床之间，不仅能够防止下壳体3受损，增加轨枕的耐腐蚀性，而且具有提高轨道结构的稳定性的效果。

优选的，在保护层36的下表面设置防滑结构，用于增大保护层36表面与道床接触的摩擦力，提高轨道结构稳定性。具体的，防滑结构设置为多个第一凸起37，多个第一凸起37可以设置为圆形、矩形、三角形和菱形中的任一种或多种，也可以是不规则的形状。在保护层2中掺杂高分子纤维，提高保护层的耐穿性、抗裂和抗渗性能，从而有效降低保护层受到的损坏，进而提高下壳体3的使用寿命。

优选的，在下壳体3底面31的内表面也设置有多个第二凸起38，第二凸起38可以设置为钉柱或者立柱等形式，使得混凝土芯体1安装到下壳体3内部后，下壳体3与混凝土芯体1之间留有间隙，以实现较低的减振刚度，提升减振效果。

本实施中的上壳体2也设置为塑性复合材料，且上壳体2与钢轨接触，有效吸收钢轨的高频振动能量。上壳体2的下表面设置为平整的平面，保证与混凝土芯体1贴合。上壳体2上表面整体设置为中间低两边高的结构，在上壳体 2上表面的中间部位设置导水槽21，起到引水作用。上壳体2靠近两端的位置设置有承轨槽22，承轨槽22设置为向下凹陷的结构，在承轨槽22内安装钢轨及钢轨扣件，方便承轨架和钢轨的安装。进一步的，在承轨槽22内开设有安装孔24，安装孔24设置为贯穿上壳体2的通孔，钢轨扣件通过连接件穿过安装孔24与上壳体2和混凝土芯体1固定连接，一方面对钢轨起到很好的固定作用，方便扣件等零部件的安装，另一方面通过连接件对上壳体2和混凝土芯体1起到了进一步的固定作用。

为进一步增加轨枕对钢轨的支撑效果，本实施例在承轨槽22内安装承轨架 23，且在承轨架23安装后承轨架23的上表面与上壳体2的上表面两端平齐。优选的，承轨架23可采用金属、非金属材料生产，并且承轨架23选用材料的硬度、密度均大于上壳体2所采用材料的相应属性。在承轨架23上对应安装孔 24的位置也设置开孔，实现对钢轨扣件的固定。

与下壳体3的结构相配合的，在混凝土芯体1的外表面设置有凸肋11，凸肋11设置为向远离混凝土芯体1中心的方向凸起延伸，保证凸肋11与下壳体 3上的凹槽35相配合，有效防止混凝土芯体1与下壳体3脱离。为进一步增加混凝土芯体1的机械强度，在混凝土芯体1内部设置有多组加强筋，具体的加强筋至少包括第一加强筋12和第二加强筋13，第一加强筋12设置为沿芯体1 长度方向延伸、预埋在芯体1的内部；第二加强筋13设置为环状结构，以预定间隔沿第一加强筋12的长度方向分别套设在多根第一加强筋12上。

本实施例提供的复合材料合成轨枕，将壳体设置为具有弹性的复合材料，芯体设置为混凝土材质，有效吸收钢轨的振动能量，降低波浪磨损，起到很好的减振降噪效果。且当轨枕的外壳损坏时，只需要更换上壳体或者下壳体即可，利于更换，节约成本。并且本实施例在轨枕下壳体的下表面设置保护层，提高壳体以及轨枕整体的使用寿命。提高轨道结构的稳定性。

实施例2

进一步的，为了增加合成轨枕中上壳体2、混凝土枕芯1以及下壳体3的连接稳定性，本实施例在实施例1的基础上在合成轨枕的外部设置卡夹4，用于对上壳体2、混凝土枕芯1以及下壳体3进行固定。

卡夹4包括一对弹片41，一对弹片相对设置，两个弹片41的上端部有锁紧螺栓连接固定，螺栓位于上壳体顶部，通过螺栓将一对弹片连接在一起。弹片的下端通过连接件固定在道床上。所述弹片设置为弯曲结构，弹片与上壳体的顶部、下壳体的侧壁以及道床相扣压，从而将上壳体、下壳体以及壳体内部的芯体固定卡紧。

本实施例提供的复合材料合成轨枕，在轨枕的外部安装卡夹对上壳体、混凝土芯体以及下壳体起到了固定卡紧的作用。

实施例3

本实施例在实施例1的基础上，进一步改进了混凝土芯体的减振效果。具体的，在混凝土芯体1的内部设置有阻尼件14，阻尼件14设置在承轨槽22下部对应的位置。具体的，在混凝土芯体1的内部对应承轨槽22的位置设置有空腔15，在空腔15的内部添加离散颗粒17，在空腔15的顶部侧面设置开口16，方便添加或者取出离散颗粒17。钢轨振动过程中，将振动传递给轨枕，轨枕带动空腔15及离散颗粒17运动，大量离散颗粒之间发生冲击、摩擦，将钢轨的振动能量耗散，从而降低钢轨的振动。且颗粒阻尼的吸收频带很宽，在0～6000Hz的宽频范围内有吸振效果。

优选的，在两个承轨槽22下部至少各设置一个空腔15。空腔15的壁设置为金属材料，在空腔15的外壁与混凝土芯体1之间设置第一粘结层18，第一粘结层18设置为金属胶，采用金属胶将空腔15与芯体1的混凝土粘结在一起。

优选的，开口16设置在相邻的两条凸肋11之间。通过开口16可以对空腔 15内部的颗粒总质量、颗粒大小进行调节。需要高速离散颗粒时，打开相应开口16进行调整，调整完毕后堵上开口，即可投入使用。优选的，所述空腔15 的开口16可以设置为一个或多个，开口16能够打开或闭合，比如采用螺纹结构、塞子结构、弹性卡紧结构等。

优选的，离散颗粒17的材质、密度以及颗粒粒径都设置为一种或多种，可以设置为钢、铅、铜、钨等金属材料，也可以是二氧化硅、云母、陶瓷等非金属材料。

本实施例提供的复合材料合成轨枕，在混凝土芯体的内部设置颗粒阻尼件，不仅保证轨枕的使用寿命，而且颗粒阻尼件可以进一步吸收并消耗轨枕的振动能量，起到了充分减振隔振的作用，且耐久性好，减小设备养护维修的工作量。

实施例4

本实施例在实施例2的基础上，为进一步对轨枕减振降噪的指标进行计算和统计，在轨枕上安装传感器，实时监测钢轨传递给轨枕的振动。具体的，在承轨槽22内部承轨架23的下部设置电器箱25，电器箱25内部顶部安装传感器，在电器箱25的底端安装有微处理器和传感器。传感器的信号输出端与微处理器的信号输入端连接。用于采集列车运行下的轨枕结构状态信息，特别是位于环境恶劣的区段，记录下具体数据，为预警轨枕的结构健康状态提供支持，检测列车运行中的轮轨振动情况，为列车与钢轨的安全监测停工技术保证。

当列车通过时，轨枕的应力数据实时的传递给铁路管理部门，这些数据可以用于评价道床的工作状态、线路安全性，方便检修。

本实施例提供的复合材料合成轨枕，在轨枕上安装传感器，可以将轨枕的应力数据实时的传递给铁路管理部门，有助于对轨枕、道床以及钢轨的工作状态、线路安全性进行监控评价，方便检修。

实施例5

本实施例提供了一种复合材料合成轨枕的制备方法，包括如下步骤：

(1)根据产品要求形状，通过拉挤工艺制备上壳体和下壳体，用弹性粘结剂将保护层粘结在下壳体的外部下表面；

(2)制备颗粒阻尼件，将制备好的颗粒阻尼件放置在芯体模具中，同时在颗粒阻尼件的外表面涂覆金属胶作为第一粘结层；同时通过模具内的定位装置将第一加强筋和第二加强筋预埋在芯体模具中，将配料好的混凝土混合物浇注到芯体模具中，制得混凝土芯体；

(3)在混凝土芯体上表面涂覆一层第二粘结层，通过连接螺钉将上壳体与混凝土芯体固定；

(4)安装卡夹。

本实施例提供的复合材料合成轨枕的制备方法，制备轨枕的步骤简单，对模具以及工艺环境要求较低，得到的芯体结构牢固，便于现场安装，节约成本。

实验例

为进一步说明上述改进对轨枕各项性能指标的影响，对上述实施例中轨枕的螺栓抗拔强度、抗弯曲载荷、抗剪切强度、抗疲劳性能、耐腐蚀性能以及壳体与混凝土芯体分开所用的最大分离荷载值等进行了多次测定后，取其平均值，并与现有技术中CN104937170B公开的结构作对比，结果如下表所示：

通过实施例1与现有技术中CN104937170B提供的复合铁路轨枕的对比可知，采用本发明实施例1的复合材料合成轨枕，螺栓抗拔强度、抗弯曲载荷都有明显改变，且耐腐蚀性能明显提高。并且壳体与芯体之间连接凸肋与凹槽连接结构的设置使得壳体与芯体的最大分离荷载显著提高，证明实施例1中芯体与壳体的结合牢固。

通过实施例2与实施例1对比可知，在轨枕的外部增设卡夹使得壳体与芯体的最大分离荷载由36增加到42，证明卡夹的设置使得芯体与壳体的结合更加牢固，增加了复合材料轨枕的使用稳定性和使用寿命。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种复合材料合成轨枕，包括壳体和混凝土芯体(1)，壳体由复合材料制成，其特征在于，所述壳体包括有上壳体(2)和下壳体(3)，所述下壳体(3)设置为槽状结构，所述下壳体(3)内设置凹槽(35)，所述芯体(1)的外表面设置凸肋(11)，在所述下壳体(3)的内部安装混凝土芯体(1)。

2.根据权利要求1所述的复合材料合成轨枕，其特征在于，所述下壳体(3)包括底面(31)、侧壁(32)和端壁(33)，在所述侧壁(32)内设置凹槽(35)，所述凹槽(35)与混凝土芯体(1)的外表面配合。

3.根据权利要求1所述的复合材料合成轨枕，其特征在于，所述凸肋(11)设置为向远离混凝土芯体(1)中心的方向凸起延伸，在所述混凝土芯体(1)内部设置有第一加强筋(12)和第二加强筋(13)。

4.根据权利要求3所述的复合材料合成轨枕，其特征在于，所述第一加强筋(12)设置为沿芯体(1)长度方向延伸；所述第二加强筋(13)设置为环状结构，以预定间隔沿第一加强筋(12)的长度方向套设在多根第一加强筋(12)上。

5.根据权利要求1或2所述的复合材料合成轨枕，其特征在于，在所述下壳体(3)下部的外表面设置有保护层(36)，保护层(36)由耐磨材料制成并位于下壳体(3)的外表面，所述保护层(36)设置在下壳体(3)和道床之间。

6.根据权利要求5所述的复合材料合成轨枕，其特征在于，在所述保护层(36)的下表面设置防滑结构，防滑结构设置为多个第一凸起(37)，多个所述第一凸起(37)可以设置为圆形、矩形、三角形和菱形中的任一种或多种。

7.根据权利要求2或5所述的复合材料合成轨枕，其特征在于，在所述下壳体(3)的底面(31)的内表面设置有多个第二凸起(38)，所述第二凸起(38)可以设置为钉柱或者立柱等形式。

8.根据权利要求1所述的复合材料合成轨枕，其特征在于，所述上壳体(2)上表面设置为中间低两边高的结构，在所述上壳体(2)上表面的中间部位设置导水槽(21)，所述上壳体(2)靠近两端的位置设置有承轨槽(22)，所述承轨槽(22)设置为向下凹陷的结构。

9.根据权利要求8所述的复合材料合成轨枕，其特征在于，在所述承轨槽(22)内安装承轨架(23)，且在所述承轨架(23)的上表面与所述上壳体(2)的上表面两端平齐，所述承轨架(23)选用材料的硬度、密度均大于所述上壳体(2)所采用材料的相应属性。

10.一种制造权利要求1至9中任意一项所述的复合材料合成轨枕的制备方法，包括如下步骤：

(1)根据产品要求形状，通过拉挤工艺制备上壳体和下壳体，用弹性粘结剂将保护层粘结在下壳体的外部下表面；

(2)制备颗粒阻尼件，将制备好的颗粒阻尼件放置在芯体模具中，同时在颗粒阻尼件的外表面涂覆金属胶作为第一粘结层；同时通过模具内的定位装置将第一加强筋和第二加强筋预埋在芯体模具中，将配料好的混凝土混合物浇注到芯体模具中，制得混凝土芯体；

(3)在混凝土芯体上表面涂覆一层第二粘结层，通过连接螺钉将上壳体与混凝土芯体固定；

(4)安装卡夹。