CN111535081A - 一种无砟道岔扣件系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无砟道岔扣件系统，包括：铁垫板；为平板式结构，且其上表面设置有铁座；板下弹性垫层，为平板式结构，且位于铁垫板的下方；轨下弹性垫层，位于铁垫板的上表面与钢轨之间；调高垫板，为平板式结构，且位于板下弹性垫层的下方；岔枕螺栓，依次穿过铁垫板、板下弹性垫层、调高垫板两端的通孔后与岔枕固定；且轨下弹性垫层的刚度大于板下弹性垫层的刚度；轨距块，设置在铁座与钢轨的轨肢之间；弹条，固定在铁座上并扣压在轨距块上。该扣件系统满足岔区低刚度要求，同时能够确保线路运营安全可靠，同时降低了扣件系统的制造成本以及后期维护成本。

Description

一种无砟道岔扣件系统

技术领域

本发明属于铁路道岔技术领域，具体涉及一种无砟道岔扣件系统。

背景技术

目前国内外无砟道岔扣件系统的结构形式很多，虽然都采用“上硬下软”双层弹性结构，但均存在铁垫板以及板下弹性垫层结构复杂、制造成本较高等问题。如我国自主研发的客运专线高速道岔采用Ⅱ型弹条和硫化垫板扣件系统，通过硫化层中不同的结构实现道岔不同部位刚度需求，存在制造工艺复杂，生产周期长，初期投入成本高，而且板下弹性垫层一旦失效，需将硫化垫板整体更换，维护成本较高，故在无砟道岔中不采用整体硫化技术。

关于板下弹性垫层低刚度的问题，研究表明，普通橡胶垫板单纯采用调节沟槽的方式来获得低刚度是难以实现的，国内也曾探索过对橡胶垫板采用阶梯式开槽、部分开槽的方式来解决低刚度问题，实践表明这两种方式都存在刚度分布不均匀及对结构整体性不利的问题。

在我国时速200公里无砟道岔中板下弹性垫层采用材质为橡胶空心钉结构扣件系统，对刚度不同的板下弹性垫板需对应设计钉孔排列结构，导致模具种类繁多，而且为了限制空心钉橡胶弹性垫板的变形，铁垫板下必须设置凸台，导致橡胶空心钉无砟扣件系统的弹性垫层、铁垫板制造成本较高，不利于在无砟道岔中大面积应用。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种无砟道岔扣件系统。

本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种无砟道岔扣件系统，包括：

铁垫板；所述铁垫板为平板式结构，且其上表面设置有铁座；

板下弹性垫层，所述板下弹性垫层为平板式结构，且位于所述铁垫板的下方；

轨下弹性垫层，所述轨下弹性垫层位于所述铁垫板的上表面与钢轨之间；

调高垫板，所述调高垫板为平板式结构，且位于所述板下弹性垫层的下方；

岔枕螺栓，所述岔枕螺栓依次穿过所述铁垫板、所述板下弹性垫层、所述调高垫板两端的通孔后与岔枕固定，将所述铁垫板、所述板下弹性垫层、所述调高垫板的两端连接固定在一起；且所述轨下弹性垫层的刚度大于板下弹性垫层的刚度；

轨距块，所述轨距块设置在所述铁座与所述钢轨的轨肢之间；

弹条，所述弹条通过螺栓副固定在所述铁座上并扣压在所述轨距块上。

优选的，所述轨下弹性垫层采用普通橡胶或聚氨酯材质，刚度为150kN/mm～500kN/mm，厚度为5mm～10mm；所述板下弹性垫层采用三元乙丙发泡橡胶材质，刚度为9.4kN/mm～37.0kN/mm，厚度为8～15mm。

进一步的，所述系统还包括复合定位套，所述复合定位套包括：T型钢套、橡胶垫圈以及缓冲套；

所述T型钢套的内孔为台阶式结构，且上部内径大于下部内径；所述T型钢套上端下表面设置有环形凹槽，所述橡胶垫圈位于所述环形凹槽内；所述T型钢套下端包覆有缓冲套；

所述T型钢套依次穿过所述铁垫板、所述板下弹性垫层两端的通孔后，通过橡胶垫圈与所述铁垫板的上表面抵接，使所述缓冲套的下端面与所述调高垫板上表面保留一定间距，保证所述T型钢套沿轴向可上下弹性浮动；

所述岔枕螺栓穿过所述T型钢套的内孔以及所述调高垫板两端的通孔与所述岔枕固定，使所述岔枕螺栓不与所述板下弹性垫层直接接触，保证板下弹性垫层的弹性能正常发挥，并通过所述橡胶垫圈对所述铁垫板进行扣压。

在一种实施例中，所述岔枕螺栓安装中心线与所述铁垫板、所述板下弹性垫层两端的通孔中心线具有偏差，所述缓冲套为偏心结构，通过将所述复合定位套旋转180°，实现所述铁垫板的横向移动，从而达到轨距调整功能。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

1、本发明降低了整个扣件系统的高度，减小了岔枕螺栓受剪的风险，较大程度改善了岔枕螺栓的受力状态；

2、本发明降低了整个扣件系统的制造成本，包括铁垫板、板下弹性垫层的制造成本；

3、本发明降低了整个扣件系统的维护成本，在线路应用中扣件系统弹性如失效，只需更换板下弹性垫层，其综合性价比较高，有利于在城轨道岔中大面积推广应用。

附图说明

图1为本发明第一种实施例的结构示意图；

图2为本发明第二种实施例的结构示意图；

图3为本发明复合定位套的结构示意图；

图4为本发明复合定位套的装配结构示意图；

图5为本发明复合定位套为偏心结构的示意图；

图6为本发明复合定位套为偏心结构时的工作原理示意图；

图7为本发明的板下弹性垫层的减振效果试验测试结果；

图8为本发明的板下弹性垫层的动静刚度比试验测试结果；

图9为本发明的扣件系统组装疲劳试验测试结果。

附图标记说明：

1-铁垫板；2-板下弹性垫层；3-轨下弹性垫层；4-调高垫板；5-岔枕螺栓；6-轨距块；7-弹条；8-钢轨；9-复合定位套；10-螺栓副；9-1-T型钢套；9-2-橡胶垫圈；9-3-缓冲套。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

请参见图1，一种无砟道岔扣件系统，包括：铁垫板1、板下弹性垫层2、轨下弹性垫层3、调高垫板4、岔枕螺栓5、轨距块6、弹条7；其中，

铁垫板1为平板式结构，且其上表面设置有铁座11；铁座11用于安装弹条7，铁垫板1两端设置的Φ30mm～Φ60mm的通孔用于安装岔枕螺栓5；铁垫板1除了采用焊接工艺外，还可采用整体铸造或整体锻造工艺。

板下弹性垫层2为平板式结构，且位于铁垫板1的下方；板下弹性垫层2是扣件系统弹性作用的主要承担者，通过板下弹性垫层2为无砟轨道提供弹性，其关键技术是非金属材质及制造工艺的选择，以满足扣件系统低刚度、耐生物老化、耐油污腐蚀等要求，而且板下弹性垫层2的动静刚度比应小于1.5，以确保列车过岔时刚度稳定可靠；其长度、宽度可以与其上部的铁垫板1保持一致，也可以略长于、略宽于铁垫板1。

轨下弹性垫层3位于铁垫板1的上表面与钢轨8之间，为下表面两端带有限位凸台的平板式结构，利用限位凸台将轨下弹性垫层3卡在铁垫板1上。

调高垫板4为平板式结构，且位于板下弹性垫层2的下方；为方便无砟道岔施工时钢轨高度的调整和解决后期道床不均匀沉降问题，岔区可采用调高垫板4在板下弹性垫层2与岔枕之间调高，调高垫板4采用高密度聚乙烯或橡塑材质，刚度为900kN/mm～1500kN/mm，调高量为-4mm～+26mm。正常铺设时每块铁垫板1下预铺1块6mm厚的调高垫板4，当需要的岔枕实际高度小于6mm时，抽出预铺的调高垫板4，再放上跟岔枕实际需要的高度相同的调高垫板4；当需要的岔枕高度高于6mm时，可以再加上与实际需要增加的高度相同的调高垫板4即可。

岔枕螺栓5依次穿过铁垫板1、板下弹性垫层2、调高垫板4两端的通孔后与岔枕固定，将铁垫板1、板下弹性垫层2、调高垫板4的两端连接固定在一起；轨下弹性垫层3的刚度大于板下弹性垫层2的刚度。

优选的，轨下弹性垫层3采用普通橡胶或聚氨酯材质制成，刚度为150kN/mm～500kN/mm，厚度为5mm～10mm；它主要用于缓解钢轨7与铁垫板1之间的相互作用力，同时保证钢轨7受载时压缩沉降较小，确保扣件系统能够稳定扣压。

优选的，板下弹性垫层2采用三元乙丙发泡橡胶材质制成，刚度为9.4kN/mm～37.0kN/mm，厚度为8～15mm。

扣件系统的整体刚度是由轨下弹性垫层3刚度与板下弹性垫层2刚度“串联”而成，即

(其中k为扣件系统节点刚度、k1为轨下弹性垫层刚度、k2板下弹性垫层刚度)；为实现无砟道岔扣件的低刚度和保证扣件约束钢轨的能力，满足岔区钢轨件几何形位及扣件调整能力，本发明的无砟扣件系统采用“上硬下软”的双层弹性结构。

“上硬”是指轨下弹性垫层3采用较大的刚度k1，约150kN/mm～500kN/mm，相比金属件其具有一定弹性，可以采用橡胶、聚氨酯等材质，能够改善钢轨8与铁垫板1之间的刚性接触，但弹性较小，相对较硬，以确保列车过岔钢轨受载时扣件依然能够对其稳定的扣压，避免轨下弹性垫层3因刚度较小产生较大的压缩下沉量而减弱对钢轨的扣压作用。

“下软”是指板下弹性垫层2采用较小的刚度k2，无砟扣件系统节点刚度k常规为10kN/mm～40kN/mm，那么板下弹性垫层2的刚度9.4kN/mm～37.0kN/mm，相比而言，板下弹性垫层2较软，刚度较小，是扣件系统弹性的主要提供者。

采用三元乙丙发泡橡胶作为板下弹性垫层2的优点在于：1)、三元乙丙发泡橡胶自身具有低刚度的优越性；三元乙丙发泡橡胶是乙烯、丙烯以及非共轭二烯烃的三元共聚物，属于聚烯烃家族，在所有橡胶当中三元乙丙发泡橡胶具有最低的比重，可以制作成本低廉的橡胶化合物，能够满足扣件系统低刚度要求，而且有耐氧化、抗臭氧和抗侵蚀的能力；此外，三元乙丙橡胶能吸收大量的填料和油而对其影响特性不大；2)、该三元乙丙发泡橡胶通过裁剪方式，能够直接生产相同刚度、不同规格的板下弹性垫层，制造工艺简单，成本较低，而采用现有的空心钉式橡胶板下弹性垫层、硫化垫层需要一对一的模具，制造工艺复杂，成本较高；3)、三元乙丙发泡橡胶材质的板下弹性垫层的体积可以压缩，变形不需要额外的空间，不需要进行沟槽或顶柱设计，通过橡胶内微孔的压缩与剪切实现压缩，通过试验和线路运营实践证实该材质的板下弹性垫层不会出现普通橡胶垫层的鼓包以及塑性变形的现象；4)、通过调整不同的材质配比实现刚度的调整，相对于沟槽、空心钉式弹性垫层、硫化式弹性垫层，该三元乙丙发泡橡胶材质的板下弹性垫层的刚度易于调整；5)、该三元乙丙发泡橡胶材质的板下弹性垫层具有耐生物老化、耐腐蚀性，并且具有一定的减振降噪功能，请参图7，经试验证实，厚度为12mm的三元乙丙发泡橡胶材质的板下弹性垫层相比同样厚度的普通橡胶垫板，其减振效果为4dB～10dB；6)、此外，该三元乙丙发泡橡胶材质的板下弹性垫层2的刚度稳定，请参见图8，经试验检测动静刚度比为1.32，列车过岔时在动载荷作用下，动刚度与静载荷作用下的静刚度大小接近，能确保岔区刚度设计值与列车过岔时动刚度值一致。

轨距块6设置在铁座11与钢轨8的轨肢之间，用来固定钢轨8并调整并列的两个钢轨8之间的轨距。

弹条7通过螺栓副10固定在铁座11上并扣压在钢轨8的轨肢上；确保钢轨8之间的可靠连接，同时还可以吸收列车驶过时产生的冲击能量，达到减震的作用。

进一步的，请同时参见图3和图4，该扣件系统还包括复合定位套9，复合定位套9包括：T型钢套9-1、橡胶垫圈9-2以及缓冲套9-3；

T型钢套9-1的内孔为台阶式结构，且上部内径大于下部内径；T型钢套9-1上端下表面设置有环形凹槽，橡胶垫圈9-2位于环形凹槽内；T型钢套9-1下端包覆有缓冲套9-3；

T型钢套9-1依次穿过铁垫板1、板下弹性垫层2两端的通孔后，通过橡胶垫圈9-2与铁垫板1的上表面抵接，使缓冲套9-3的下端面与调高垫板4的上表面保留一定间距，保证T型钢套9-1沿轴向可上下弹性浮动；

岔枕螺栓5穿过T型钢套9-1的内孔以及调高垫板4两端的通孔与岔枕固定，使岔枕螺栓5不与板下弹性垫层2直接接触，保证板下弹性垫层2的弹性性能正常发挥，并通过橡胶垫圈9-2对铁垫板1进行扣压。

进一步地，T型钢套9-1的台阶式内孔结构的上部孔的深度是下部孔深度的1.4～1.6倍；该台阶式的结构可以降低岔枕螺栓5横向力的作用点高度，改善岔枕螺栓5受力状态，增强扣件系统的抗拔力；同时，可使岔枕螺栓5的紧固力直接作用于调高垫板4，使得板下弹性垫层2不与岔枕螺栓5直接接触，从而保证板下弹性垫层2的弹性能正常发挥，不受岔枕螺栓5预紧力的影响，此外，橡胶垫圈9-2按无砟道床的低刚度设计，刚度为3kN/mm～5kN/mm，橡胶垫圈9-2的截面结构为“W”型，这种结构的橡胶垫圈9-2较薄较软，能充分发挥橡胶垫圈9-2的缓冲作用。

进一步地，缓冲套9-3的材质为玻璃纤维增强聚酰胺66，该材质具有机械强度高、尺寸稳定性好、耐热、耐疲劳、抗蠕变以及较好的耐腐蚀性；缓冲套9-3对铁垫板1和板下弹性垫层2都起到一定的缓冲作用，从而改善铁垫板1与板下弹性垫层2的受力情况。

本发明实施例采用这种结构，降低了整个扣件系统的高度；与客专硫化垫板扣件系统、时速200公里空心钉式橡胶扣件系统相比，三者不同之处在于板下弹性垫层的厚度，客专硫化垫板的弹性垫层、时速200公里空心钉式橡胶垫层厚度均为20mm，本发明实施例中的板下弹性垫层2的厚度较薄，为8mm～15mm，相比之下扣件系统整体高度下降5mm～12mm，减小了岔枕螺栓受剪的风险，较大程度改善了岔枕螺栓的受力状态。

同时，本发明实施例采用这种结构，降低了整个扣件系统的制造成本；主要体现在：(1)铁垫板的制造成本降低，铁垫板是扣件系统的关键件，结构相比时速200公里空心钉式扣件系统、客专硫化垫板扣件系统，本发明实施例的铁垫板的结构简单，加工量较小，因此制造成本大幅降低，同时提高了生产效率；时速200公里空心钉式扣件系统的铁垫板为了在岔枕螺栓紧固时控制橡胶空心钉的变形量，底板下部需要焊接凸台，增加了材料成本和制造成本；客专硫化垫板扣件系统的铁垫板为了满足橡胶硫化要求，底板的6个面全部需要加工，上表面还需要加工一圈宽7mm、深3mm的硫化包边，并要将加工后的棱角进行3mm倒钝，而且岔枕螺栓孔直径较大，为Φ78mm，相比前两种铁垫板，岔枕螺栓孔加大了制造成本，不能采用常规的钻孔工艺，需要采用镗床加工，效率低下，相比之下客专铁垫板制造成本最高；(2)板下弹性垫层制造成本降低；本发明实施例的板下弹性垫层通过裁剪方式，能够直接生产相同刚度、不同规格的板下弹性垫层，制造工艺简单，成本较低；空心钉式橡胶板下弹性垫层、硫化垫板需要一对一的模具，制造工艺复杂，成本较高；(3)扣件系统维护成本降低；若线路运营多年后该扣件系统刚度不满足要求，只需更换板下板下弹性垫层就可以了，成本低，线路操作简单可行。

综上所述，该扣件系统能够满足无砟道床对低刚度的需求，而且制造成本低、维护成本低，其综合性价比较高，有利于在无砟道岔中大面积推广应用。

请参见图9，为了验证本发明实施例扣件系统铁垫板、板下弹性垫层、复合定位套、岔枕螺栓等零件的可靠性和扣件系统的低刚度，在铁科院实验室对该扣件系统进行了300万次荷载循环后，各零件未见伤损，组装扣压力变化率、钢轨纵向阻力变化率、轨距扩张量等指标均满足要求，而且扣压力较大，变化率较小，各项性能比较优良，扣件系统稳定可靠，为线路安全运营提供了保障。

实施例2

请同时参见图2、图5和图6，实施例2的基本结构与实施例1相同，不同之处在于铁垫板1上方一侧为弹条扣压结构，另一侧为滑床板(图2)结构或护轨垫板结构，且岔枕螺栓5安装中心线与铁垫板1、板下弹性垫层2两端的通孔中心线具有偏差e，缓冲套9-3为偏心结构，通过将复合定位套9旋转180°或更换规格，实现铁垫板1的横向移动，从而达到轨距调整功能，同时也可以改善岔枕螺栓5的受力情况。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种无砟道岔扣件系统，其特征在于，所述扣件系统包括：

铁垫板；所述铁垫板为平板式结构，且其上表面设置有铁座；

板下弹性垫层，所述板下弹性垫层为平板式结构，且位于所述铁垫板的下方；

轨下弹性垫层，所述轨下弹性垫层位于所述铁垫板的上表面与钢轨之间；

调高垫板，所述调高垫板为平板式结构，且位于所述板下弹性垫层的下方；

岔枕螺栓，所述岔枕螺栓依次穿过所述铁垫板、所述板下弹性垫层、所述调高垫板两端的通孔后与岔枕固定，将所述铁垫板、所述板下弹性垫层、所述调高垫板的两端连接固定在一起；且所述轨下弹性垫层的刚度大于板下弹性垫层的刚度；

轨距块，所述轨距块设置在所述铁座与所述钢轨的轨肢之间；

弹条，所述弹条通过螺栓副固定在所述铁座上并扣压在所述轨距块上。

2.根据权利要求1所述的无砟道岔扣件系统，其特征在于，所述轨下弹性垫层采用普通橡胶或聚氨酯材质，刚度为150kN/mm～500kN/mm，厚度为5mm～10mm；所述板下弹性垫层采用三元乙丙发泡橡胶材质，刚度为9.4kN/mm～37.0kN/mm，厚度为8～15mm。

3.根据权利要求1或2所述的无砟道岔扣件系统，其特征在于，还包括复合定位套，所述复合定位套包括：T型钢套、橡胶垫圈以及缓冲套；

所述T型钢套的内孔为台阶式结构，且上部内径大于下部内径；所述T型钢套上端下表面设置有环形凹槽，所述橡胶垫圈位于所述环形凹槽内；所述T型钢套下端包覆有缓冲套；

所述T型钢套依次穿过所述铁垫板、所述板下弹性垫层两端的通孔后，通过橡胶垫圈与所述铁垫板的上表面抵接，使所述缓冲套的下端面与所述调高垫板上表面保留一定间距，保证所述T型钢套沿轴向可上下弹性浮动；

所述岔枕螺栓穿过所述T型钢套的内孔以及所述调高垫板两端的通孔与所述岔枕固定，使所述岔枕螺栓不与所述板下弹性垫层直接接触，保证板下弹性垫层的弹性能正常发挥，并通过所述橡胶垫圈对所述铁垫板进行扣压。

4.根据权利要求3所述的无砟道岔扣件系统，其特征在于，所述岔枕螺栓安装中心线与所述铁垫板、所述板下弹性垫层两端的通孔中心线具有偏差，所述缓冲套为偏心结构，通过将所述复合定位套旋转180°，实现所述铁垫板的横向移动，从而达到轨距调整功能。

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