CN1332822A - 复合式铁路轨枕 - Google Patents

Abstract

一种铁路轨枕包括一由混合物制成的外壳,该混合物是50%(按体积计)的高密度回用聚乙烯和50%(按体积计)的来自于回用轮胎的粒状生胶。外壳包括一上部和一下部,它们相互配合形成一可将一根或多根梁安装在其内的空腔。每一梁包括一位于所述轨枕的钢轨支承区下方的孔,一由与外壳相同的复合材料制成的嵌件安装在所述钢轨支承区下方的梁内部。一可流动的混凝土混合物将形成在所述外壳内部的空腔填满,所述空腔包括形成在各梁内部的空腔。

Description

复合式铁路轨枕

本发明涉及一种铁路轨枕及其制造方法。

自铁路问世以来，铁路轨枕几乎全都是由木头制成的。木制轨枕由道碴石保持在位，而钢轨则利用垫板和大方钉而相连接。这是一种使用方便且广为采用的系统。木制轨枕可接受和保持道钉，从而可以将钢轨和垫板系固系统固定于轨枕上。木制轨枕在载荷作用下会发生弯曲。这种弯曲的有利性仅在于它有助于提供一种较柔和的行驶性。但是，弯曲也会增大支承用道碴弹出和离开轨枕的移动量或振动量。这样就会增加维护成本。这种弯曲还会使道钉向上振动或运动从而会使道钉松动，由此也增加了维护成本。木制轨枕损坏，因此必须定期予以更换，这样也进一步增加了维护成本。

后来有人提出采用木头之外的其它材料来制成铁路轨枕。例如，授予Murray的美国专利No.5,238,734揭示了一种由回用轮胎碎段和一种环氧混合物相混合而成的混合物制成的铁路轨枕。其它揭示了利用复合材料来制造铁路轨枕的专利包括美国专利No.4,150,790(Potter)和美国专利No.4,083,491(Hill)。虽然由复合材料制成的轨枕的使用寿命明显长于传统木制轨枕，但是，它不能提供足够耐用以承受干线铁路轨道的重复不断的沉重载荷的复合轨枕。木制轨枕和复合轨枕往往会使道碴石振动离开钢轨，因此需要频繁地进行道碴整补。

在已有技术中还已知用各种材料来增强强度的混凝土轨枕，诸如在美国专利No.1,566,550(McWilliam)中所揭示的轨枕。但是，传统的混凝土轨枕太硬且易碎，从而不能采用传统和标准的系固系统(垫板和大方钉)。混凝土轨枕采用了在轨枕制造过程的混凝土固化阶段中予以附连的预制系固件。而且，每一轨枕必须被单独加载因此阻碍了模制。由于混凝土轨枕较刚硬并且是非柔性的，因此初看上去它们好象是较有利的，并且可以提供一种较刚硬的轨道组件，可提高侧向稳定性和便于轨距的控制，延长钢轨寿命，并且可以大大节省机车燃料。但是，由于不存在道碴石振动现象而好象显著降低的维护成本实际上已变成了另一种维护成本。混凝土轨枕如此坚硬以致于可将其下方的道碴石研碎，这样就产生了一种类似沙地或较柔软的支承系统。

本发明的铁路轨枕结合了木制轨枕和混凝土的最佳特征。本发明具有混凝土轨枕的所有优点，同时还由复合外壳增加了“减震”和“抗冲击”的特性。这有助于消除道碴石的粉碎。事实上，道碴石本身会埋入这种复合材料内，从而有助于将它保持在位。

因此，本发明提供了一种外壳，它最好由50/50的高密度聚乙烯(诸如来自于回用家用容器)的混合物制成，其中，增强梁已被安装在所述外壳内部的腔室内。这种新型系统还采用了传统的系固系统。嵌件放置在梁内，由与所述外壳相同的复合材料制成，所述梁的上表面形成有孔，这样就可以将道钉钉入得穿过所述外壳、所述孔，然后钉入各嵌件中。橡胶和塑料的混合物能够充分地塑性变形，从而能以一种与将道钉钉入传统木制轨枕相同的方式将道钉钉入穿过所述外壳然后钉入各嵌件。橡胶可以赋予复合材料一“握紧特性”，该特性已被证实：与木头相比，橡胶可以更好地保持住道钉。然后用混凝土填满所述腔室，包括位于梁内部的那部分腔室以及各嵌件之间的腔室。最好由钢制成的梁可以使轨枕变得刚硬，从而可以防止混凝土粉碎。如果需要与较大的轴重相适应，则可以采用由具有更重型的钢来制造管形梁，它可以使所述梁变得刚硬，从而可以提供较大的正弯曲力矩。弯曲力矩越大，轨道模量就越佳。

因此，根据本发明制造的轨枕具有一可以被控制以最佳地满足产品使用者需要的弯曲力矩同时还具有一为7″×9″的标准横截面尺寸；任何一种满足铁路要求的混凝土轨枕其横截面都必须是8″×10″。除7″×9″轨枕之外的任何一种轨枕都不能用作一替换轨枕，因为每年需更换14,000,000根轨枕。调节所述弯曲力矩且保持在7″×9″横截面范围内的能力是本发明的一个极为有利且独特的优点。

因此，本发明提供了一种将传统的木制轨枕和混凝土轨枕的优点相结合的铁路轨枕。这种轨枕具有混凝土轨枕所具有的耐用性和承载能力，而复合材料具有减震性和减振性，因此，在由这种轨枕支承的轨道上行驶的列车就可以平稳地行驶。道碴石可如木制轨枕那样夹在壳体材之间，这样，道碴就不能被粉碎或发生移动。由于所述轨枕的刚度可以加以控制，因此，可以优化所述轨枕以提供平稳行驶性能，但它可以对轨枕的塑性变形和移动加以限制，这样，轨枕就不会象木制轨枕那样使道碴石振动而离开所述钢轨。

图1是根据本发明原理制造的铁路轨枕以及由轨枕支承的钢轨的立体图；

图2是大体上沿图1中线2-2截取的横向剖视图；

图3是大体上沿图2中线3-3截取的某一局部的纵向剖视图；

图4是图1所示轨枕的立体分解图，它示出了在将混凝土增强材料安装在所述轨枕内部之前的所述轨枕的各内部构件；

图5是与图4相类似的视图，但它示出了本发明另一实施例；

图6是与图4和图5相类似的视图，但它示出了本发明的又一实施例；

图7是一种用来制造由复合材料制成的本发明各组份的紧凑型掺合机的示意图。

现请参阅附图，根据本发明原理制造的轨枕由编号10总的示出并且以一种对于本技术领域中的熟练人员来说众所周知的方式支承住大体上相互平行的铁路钢轨12。轨枕10包括一由编号14总的示出的外壳，它形成有一上表面16、一下表面18和彼此相互对置的侧面20、22。如图4所示，钢轨支承区24形成在轨枕10的上表面16上，垫板26由系固件28安装在钢轨支承区24上。传统的道钉30穿过垫板26内的孔32并钉入铁路轨枕10内，这将在下文中予以描述，以将钢轨12固定于轨枕10。端盖32将轨枕12的两端封住。

所述外壳14包括一上部34和一下部36，它们由一种适当的粘合剂，最好是一种可以从Mactac Corporation买到的航空用聚氨酯粘合剂沿着它们的内表面38固定在一起。所述外壳的上、下部34、36由一种将在下文中描述的复合材料制成。在装配时，所述外壳14形成一由编号40总的示出的腔室。一对狭长的、管形增强梁42、44位于所述空腔40内、分别位于侧壁20和22附近。每一管形梁42、44均包括：一在装配轨枕时与所述外壳上部34相贴合的上表面46；一置于所述外壳下部36上的下表面48；一与所述外壳的相应壁20、22的内表面相贴合的侧面50；以及彼此相互面对并且相互协作从而在其间形成一由编号55总的示出的纵向容积的内表面52、54。所述管形梁42和44的表面46、48、50、52彼此相互协作从而在每一管形梁42、44内部形成一腔室56。突起58自所述外壳14的上、下部34、36突伸出来并且突伸入空腔40内，以与侧壁52的上、下部相啮合，由此将管形梁42、44定位在空腔40内部的适当位置。

每一管形梁42、44均具有一对在轨枕10的钢轨支承区24下方延伸的孔(图中仅示出了每一梁的其中一个孔，以编号60标示)。一对复合嵌件(在图4中仅示出了每一梁的其中一个嵌件，以编号62标示)藉助将它们自所述梁的相应端开始向内推一直到所述嵌件62与孔60相对准为止而安装在每一梁42、44内。所述嵌件62由与外壳14相同的复合材料制成，这将在下文中予以具体描述。在梁42、44的每一侧壁52、54内、在侧壁52、54的那一在孔60之间延伸的部分内均设置有一些开口64(图3)。正如可以从图4中看到的那样，梁42、44的端部终止在与所述外壳14的端部相隔一小段距离的地方。

在将所述外壳的上、下部彼此相互固定之后，将一种由编号66总的示出的增强材料从其两端泵压入梁42、44的腔室56内，这样，所述增强材料就可以同时被泵压入所述梁之间的容积55内。泵压入容积55内的所述增强材料通过所述开口64进入所述梁的那一位于嵌件62之间的那部分内腔室56中。这样，所述空腔40的整个容积就可以被所述增强材料填满。所述增强材料66最好是一种能以液体形式泵压入所述轨枕10内的快干型混凝土材料。通常将这样一种材料称之为“可流动填料”混凝土。或者，可以用一种快干型聚亚安酯材料予以替代。

所述管形增强梁42、44可以提高轨枕10的刚度，同时还可以在所述轨枕内提供减震性和抗振性，从而可以使那种采用由所述轨枕加以支承的轨道的列车平稳地行驶。如果需要提供比正常情况更大的轴重，则可以增大所述管形梁42、44的材料的厚度，由此可以增大所述梁的刚度，以提供较大的轴重。由于梁42、44最好是由钢制成，因此，梁42、44还可以防止注入梁内部腔室56中的混凝土发生崩解并且可以防止弯曲。

所述外壳的上、下部34、36中所用的以及嵌件62所用的复合材料将在下文中予以描述，它是回用塑料和粒状生胶的混合物。这种材料可以抗风化，但可以充分变形，从而可以通过垫板26内的开口32将那些可将钢轨12保持在轨枕上的道钉30钉入而穿过外壳14的上部34上的钢轨支承区24、穿过管形梁42、44其中一相应梁内的孔60，然后钉入嵌件62的复合材料内。因此，道钉可以被钉入所述轨枕10内，从而可以以一种与利用道钉将钢轨保持在传统的木制轨枕上完全相同的方式将钢轨12保持在位。

现请参阅图5和图6所示的另一实施例，那些与图1一图4所示实施例相同或大体相同的构件均沿用了相同的数字编号。在图5中，两根管形梁42、44被一由编号68总的示出的单根管形梁所代替，所述单根管形梁具有一呈“H”形的横截面，它包括纵向延伸的臂部70和72以及一连接部74。嵌件62安装在管形梁42、44内的方式与将它们安装在臂部70、71内的方式相同；也就是，它们通过所述梁68的端部来进行安装。混凝土或一种等效的增强材料被泵压入梁70内以提供所需的增强作用。现请参阅图6所示的实施例，管形梁42、44被一由编号76总的示出的“W”形梁所代替。W形梁76在所述外壳的侧面附近形成有一对向上的、彼此面对的沟槽78、80，它们被所述梁76的横向部82所隔开。嵌件62安装在沟槽78、80内，但它们仅仅是在将上部34安装在下部36上之前才被放置在所述沟槽内的。在藉助安装上部34和下部36随后安装端盖32对所述外壳14组装完毕之前，混凝土可通过容积84的端部而泵压入所述容积内并直接安装入沟槽78、80内。

如上文所描述的，所述外壳14和嵌件62是一种由高密度聚乙烯和粒状生胶混合而成的50-50混合物。这种高密度聚乙烯最好是来自于回用塑料，诸如可以在洗发或洗涤剂塑料瓶等中找到的、如工业中已知的那样已被切碎的回用塑料。橡胶颗粒最好是从那些如本技术领域中已知的那样被磨光和加工成一定尺寸的回用汽车轮胎上获得的“屑粒状”橡胶颗粒。所述橡胶颗粒的尺寸最好是根据标准工业定径方法为“十目”。橡胶颗粒14可以包括近似1％或小于1％(按体积计)的长丝状体(strand)尼龙纤维，它们通常可以在磨光轮胎中找到。如上文中所论述的那样，所述橡胶颗粒可以为塑料提供半弹性品质，这样，在将道钉30钉入所述外壳和嵌件62时就可以防止塑料爆裂。所述混合物可以变化，以含有多达60％的、被磨碎的高密度聚乙烯和40％的粒状生胶至40％的、被磨碎的高密度聚乙烯和60％的粒状生胶。

下面将藉助以下示例对所述复合材料进行具体描述：

示例1

在一研磨机内，对来自于各种来源的大量旧聚乙烯瓶进行磨削，所述研磨机可以生产出约为1/2平方英寸的、不均匀并且具有不同形状和厚度的塑料颗粒。利用任何一种常用磨削方法，将大量的旧汽车轮胎磨削成粒状生胶颗粒。采用一种为10目的筛网，所述筛网是一种每平方英寸具有100个孔的筛网(每平方英寸具有10行×10列的孔)，使所述粒状生胶具有一定尺寸以生产出10目的橡胶颗粒。通常，10目的粒状生胶将包括约为1％(按体积计)的长丝状体尼龙纤维，所述尼龙纤维来自于可在大多数轮胎中找到的增强带。将所述粒状生胶颗粒和磨碎颗粒相混合而成为一种50-50(按体积计)的混合物。

所述复合材料是利用一种紧凑型掺合机来进行挤压的，所述紧凑型掺合机具有长连续式混合器和一单螺杆挤压器，诸如由俄亥俄州Brecksville市的Pomini，Inc.公司制造的那种紧凑型掺合机。将经磨碎的聚乙烯放置在所述共挤压器的第一给料漏斗内，并且将所述粒状生胶放置在一第二给料漏斗内。将磨碎塑料和粒状生胶导引入所述桶内，并藉助反向旋转转子的摩擦力、在压力下加工成一种熔融状态。熔融的化合物随后被送入一单螺杆式挤压器中，藉助一给料螺杆被迫向前穿过所述桶。所述塑料/橡胶化合物然后挤压通过一模头而形成所述上外壳部分34。在对所述外壳部分或嵌件进行挤压时，使其冷却然后切至标准的各小段。所述外壳部分可以根据需要被切割得较长或较短，视具体应用场合的长度要求而定。

此外，可以稍稍偏离50-50的比例而不会显著降低成品的有利特性。当需要严格控制成品的重量或密度时，这种变化是尤为重要的。对于大多数的应用情况来说，天然灰色/黑色的塑料/橡胶基质(matric)是较适当的。但是，为了生产出一种不同颜色的构件，可以添加少量的着色剂。例如，为了生产出一种仿木构件并且赋予雪松或红木的外观，可以根据所添加的染料量而添加红色染料。

图7示出了用来挤压本发明的紧凑型调和机120，调和机120由俄亥俄州Brecksville市的Pomini，Inc.公司制造。调和机120包括较长的连续式混合器122和单螺杆式挤压器124。较长的连续式混合器122包括：漏斗126、入口127和桶或混合腔128。混合器122还包括具有出料阀133的出料口132。一对反向旋转转子130设置在混合腔128内部，转子130由电动机131驱动。单螺杆挤压器124包括如挤压作业中常用的塑炼给料螺杆134。单螺杆挤压器124具有与混合器122的出料口132流体连通的入口138。塑炼给料螺杆134安装在桶或腔室135内部，并由电动机137驱动。出料模头136安装于出口端139或挤压器124上。出料模头136具有一定尺寸以与所述挤压件的理想横截面尺寸相匹配。

被磨碎的塑料材料140和粒状生胶142自漏斗126而喂入长连续式混合器122内，并在由驱动电动机131驱动的转子130的作用下、在一定压力下进行混合。如果需要，可以将少量染料144自漏斗126而喂入所述混合物内。先将出料口132处的出料阀133关闭，以保持腔室128的压力。由反向旋转转子130产生的摩擦力将所述材料加工成一种熔融状态，此时，出料阀133打开从而可以使熔融材料通过入口138而流入所述挤压器24内。挤压器124的电动机137驱动给料螺杆134，在压力作用下将所述熔融材料朝着出口端139推压然后通过模头136。将所述挤压件(未示)切至所需的长度然后加以冷却。

Claims (20)

1.一种铁路轨枕，它包括一坚固的内芯和一钢轨支承区，所述钢轨支承区由一种能充分地塑性变形从而能将用来保持所述钢轨的系固件插入其内的材料制成。

2.如权利要求1所述的轨枕，其特征在于，所述钢轨支承区包括一在其内形成有一纵向延伸腔室的外壳，所述外壳由一种能充分地塑性变形从而可以使用来将所述钢轨保持在所述支承区上的系固件穿过所述外壳然后钉入所述腔室内的材料制成。

3.如前述任一权利要求所述的轨枕，其特征在于，所述坚固内芯包含一在所述腔室内部纵向延伸并且在所述钢轨支承区下方延伸的梁，所述梁的内部形成有一空腔，一些嵌件安装在所述钢轨支承区下方的所述空腔内并且由一种基质制成，所述基质能充分地塑性变形从而可以将用来将所述钢轨保持在所述支承区上的系固件钉入所述嵌件中，一增强材料将所述空腔填满。

4.如权利要求3所述的铁路轨枕，其特征在于，所述增强材料是混凝土。

5.如权利要求2所述的铁路轨枕，其特征在于，所述外壳与所述梁相协作，从而在所述梁外部的所述腔室内部形成一容积，所述增强材料将所述容积填满。

6.如权利要求3所述的铁路轨枕，其特征在于，所述梁是一管形构件，它具有一形成所述空腔的内表面，所述管形件包括一上表面，所述上表面有一些将所述嵌件显露出来的孔，由此所述系固件可被钉入得穿过所述外壳和所述孔并钉入所述嵌件内。

7.如权利要求2所述的铁路轨枕，其特征在于，所述外壳包括一对侧壁、一顶壁和一将所述侧壁连接起来的底壁，所述顶壁具有所述钢轨支承区，所述管形件包括一对平行于所述外壳的侧壁延伸的侧表面，所述侧表面的其中之一与所述外壳的一侧壁相贴合，另一侧壁部分形成在所述容积内。

8.如权利要求5所述的铁路轨枕，其特征在于，一对所述管形件在所述腔室内彼此相互平行地延伸，每一管形件的所述侧表面之一与另一管形件的一侧表面相配合形成所述容积。

9.如权利要求6所述的铁路轨枕，其特征在于，每一构件的所述一侧表面形成有一些与所述容积连通的孔，每一管形件的部分空腔位于所述各嵌件之间。

10.如权利要求6所述的铁路轨枕，其特征在于，所述外壳的顶壁和底壁包括一些将所述各管形件定位在所述腔室内部的突起。

11.如权利要求3所述的铁路轨枕，其特征在于，所述梁是一具有两个端部且形成有一面朝着所述钢轨支承区的沟槽的沟槽构件，所述嵌件安装在所述沟槽内，所述增强材料将所述嵌件之间以及每一嵌件与所述沟槽的一对应端部之间的所述沟槽填满。

12.如权利要求4所述的铁路轨枕，其特征在于，所述增强材料是混凝土，所述外壳由一种包括40％-60％(按体积计)的高密度回用聚乙烯和60％-40％(按体积计)的研磨橡胶颗粒的复合材料制成。

13.如权利要求1所述的铁路轨枕，其特征在于，所述外壳由一种包括40％-60％(按体积计)的高密度回用聚乙烯和60％-40％(按体积计)的研磨橡胶颗粒的复合材料制成。

14.如权利要求1所述的铁路轨枕，其特征在于，所述梁是一管形件，所述嵌件安装在所述管形件内部，所述管形件包括一些将所述嵌件显露出来的孔，由此穿过所述外壳的钢轨支承区而钉入的系固件就可延伸穿过所述孔并钉入所述嵌件内。

15.如权利要求12所述的铁路轨枕，其特征在于，一对所述管形件安装在所述腔室内，每一所述管形件携带有嵌件并且形成有将所述嵌件显露出来的孔，所述管形件彼此相互配合从而在其间形成一容积，所述增强材料将所述容积和所述管形件内部的多个空腔填满，所述多个腔室形成在所述管形件的端部和嵌件之间以及形成在所述嵌件之间。

16.一种铁路轨枕，它具有一对沿所述轨枕纵向隔开用来支承所述钢轨的钢轨支承区，所述铁路轨枕包括：一在其内形成一纵向延伸的腔室的外壳，所述外壳由一种包括40％-60％(按体积计)的高密度回用聚乙烯和60％-40％(按体积计)的研磨橡胶颗粒的复合材料制成；一在所述所述腔室内部纵向延伸并且在所述钢轨支承区下方延伸的梁；以及一围绕所述梁将所述腔室填满的增强材料。

17.如权利要求16所述的铁路轨枕，其特征在于，所述增强材料是混凝土。

18.如权利要求14所述的铁路轨枕，其特征在于，由一种可塑性变形的材料制成的嵌件安装在所述钢轨支承区下方的所述腔室内。

19.如权利要求16所述的铁路轨枕，其特征在于，所述嵌件安装在所述梁内部。

20.如权利要求17所述的铁路轨枕，其特征在于，所述嵌件由与所述外壳相同的材料制成。

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