CN210315076U - 一种竹增强铁路复合轨枕 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种竹增强铁路复合轨枕，通过道钉与钢轨紧固连接；包括复合轨枕本体和竹竿；复合轨枕本体由生活废弃塑料制成的有机粘合剂为基体，并以有机材料和/或矿物填料作为离散增强相组成；竹竿的数量至少为两根，竹竿沿复合轨枕的轴线方向固定在复合轨枕本体内部。本实用新型以生活废弃塑料作为复合轨枕本体原材料，以有机材料和/或矿物填料作为基体填料，对其进行离散增强，竹竿作为增强构件具有由竹壁和竹节组成的独特天然结构，其中空腔体可以减小复合轨枕的材料用量，通过填充竹竿特定空腔，调节竹竿及轨枕的力学性能，实现根据线路行车荷载差异调整轨枕的承载性能，在实现轨枕优越的工作性能的同时节省材料用量，降低产品成本。

Description

一种竹增强铁路复合轨枕

技术领域

本实用新型涉及轨道交通技术领域，更具体的说是涉及一种竹增强铁路复合轨枕。

背景技术

目前，木轨枕在世界上广泛使用，具有诸多优点，如较低的弹性模量有助于减少轨道结构和机车车辆元件磨损，易于制造，便于运输、安装及更换，电绝缘性能良好等。然而，生产木轨枕需使用大量优质木材，而这类木材资源的储量正持续减少。另外，木材中纤维横向抗压性能差，导致木轨枕在压力作用下易于开裂并发生轨下垫板破裂。采用木轨枕的铁路线路需使用短轨条，由于木轨枕质量小而增加了轨道失稳风险，同时其采用木馏油等危险化学品进行防腐处理会导致系列生态问题。此外，废旧木轨枕回收困难且回收价值低，不当的处理方式会对环境造成严重危害。

另一类广泛使用的轨枕型式是钢筋混凝土轨枕，二战后，由于木材资源匮乏，同时随着无缝线路技术的出现和混凝土预应力技术的成熟，这类轨枕迅速发展并被广泛应用于各种类型的铁路线路。钢筋混凝土轨枕具有以下优点，诸如：质量大(200-300千克)，从而保障了铁路线路良好的稳定性；耐生物侵蚀和化学腐蚀；设计服役寿命长；相比敷设木轨枕的铁路线路，能够承受更大的列车荷载；设计精度高，确保了线路的平顺性；易于制造和加工为符合轨道结构受力特点的形状。然而，这种轨枕具有很大刚度，从而导致道床和路基中的高应力(比木轨枕线路高25％)；加速道砟劣化和道床状态恶化；由于必须安装轨下垫板等使得扣件系统更为复杂；铁路轨道和机车车辆，包括钢轨及扣件的过早磨损，使得混凝土轨枕的实际使用寿命相比于50年以上的设计寿命缩减了5-10倍。混凝土轨枕存在诸多缺点：混凝土腐蚀可导致轨枕破坏，如延迟钙矾石生成导致轨枕失效；脆性大而抗冲击性差，使得轨枕在列车脱轨、轨枕装载和卸载、道床捣鼓时易发生破坏；质量大导致高昂的运输和更换成本；废旧混凝土轨枕回收难度大且成本高。另外，混凝土拌和物振捣时的振动及噪音会对工作人员健康造成负面影响，采用混凝土轨枕的铁路线路也会导致轨下基础的更强振动，并向周边环境传播。

复合轨枕是上述轨枕的理想替代产品，其材料力学性能介于木轨枕和钢筋混凝土轨枕材料力学性能之间，在两者之间实现了一定程度的妥协与折中。

竹材作为一种木质材料，可用于复合轨枕的制造。竹子在生长过程中能够快速、持续地产生大量物理力学性能优异的木质材料，故可作为替代木材的优质材料。

但是，现有的重组竹轨枕通过一系列工序制备而成，包括将竹竿压碎为竹条、初步烘干并用树脂浸渍所得竹条、将浸渍后的竹条再次烘干至额定含水率、在模具中铺放竹条、在高温和高压下使其热硬化得到轨枕。该轨枕的劣势在于生产自动化水平低、人工生产劳动繁重以及生产中的高能耗，这些因素使得产品在经济性上与传统轨枕相比缺乏竞争力。此外，该轨枕也具有诸多结构性缺点，其中包括：难以根据线路列车荷载差异调整轨枕的承载性能；扣件安装将破坏轨枕内的竹条；由于轨枕端面未得到良好保护的竹条的膨胀和腐烂，在运营中极可能发生轨枕端部开裂。此外，该轨枕的抗大气侵蚀性能、尺寸稳定性能及抗霉菌性能较差(包括较高的吸水性)，使得该轨枕难以成为铁路轨下基础结构的理想选择。

因此，如何提供一种能够有效利用复合材料和竹材优势的、结构稳定性和承载能力强的轨枕，是本领域技术人员亟需解决的问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种竹增强铁路复合轨枕，能够增强轨枕抗弯强度及轨枕内高应力区的竹竿抗压能力，从而整体地提高复合轨枕的物理力学性能，且有利于提高环境保护效果。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种竹增强铁路复合轨枕，通过道钉与钢轨紧固连接；包括：复合轨枕本体和竹竿；

所述复合轨枕本体由生活废弃塑料制成的有机粘合剂为基体，并以有机材料和/或矿物填料作为离散增强相组成；

所述竹竿的数量至少为两根，所述竹竿沿所述复合轨枕的轴线方向固定在所述复合轨枕本体内部。

通过上述技术方案，本实用新型以生活废弃塑料作为制造复合轨枕本体的原材料，而以有机材料和/或矿物填料作为基体填料，对其进行离散增强，竹竿作为增强构件，竹竿具有由竹壁和竹节组成的独特天然结构，其中空腔体可以减小复合轨枕的材料用量，通过“以空代实”，在实现轨枕优越的工作性能的同时节省材料用量，降低产品成本。

需要说明的是，本实用新型的复合轨枕本体和竹竿的结合采用模压工艺，制造流程为：首先将竹竿预先安置在模具内特定位置，然后将再生塑料粒料与竹屑、石英砂混合后填入模具内，之后在成型温度下闭模、加压使其成型固化，冷却脱模后制得复合轨枕。

另外，本实用新型的道钉为螺纹道钉或钩头道钉，在钢轨和复合机体的连接处还设置有轨下垫板，道钉穿过轨下垫板与复合轨枕本体连接，顶端的端头与钢轨的底部卡接，此处为现有技术中的常规结构，并非本实用新型的重点，在此不再赘述。

优选的，在上述一种竹增强铁路复合轨枕中，所述竹竿的数量为两根；所述道钉沿所述复合轨枕本体的横向方向布置为两道；两根所述竹竿上下对应位于两道所述道钉之间。通过对称布置，能够进一步提高轨枕抗弯强度及轨枕内高应力区的竹竿抗压能力。

优选的，在上述一种竹增强铁路复合轨枕中，所述竹竿的数量为四根；所述道钉沿所述复合轨枕本体的横向方向布置为一道；每两根所述竹竿上下对应为一组，两组所述竹竿分别对称位于一道所述道钉的两侧。通过对称布置，能够进一步提高轨枕抗弯强度及轨枕内高应力区的竹竿抗压能力。

优选的，在上述一种竹增强铁路复合轨枕中，所述有机材料为竹屑或竹纤维；所述矿物填料为石英砂。能够有效节省资源，且环保无污染。

优选的，在上述一种竹增强铁路复合轨枕中，所述有机粘合剂为生活废弃塑料回收加工制成。以废弃塑料为主要原料的热塑性聚合物基体线膨胀系数较大(约为120×10^-6℃)，而竹材顺纹方向线膨胀系数较低(约为5×10^-6℃)，故复合轨枕中的竹增强构件可以限制基体在温度变化下发生的变形，避免轨枕纵向尺寸与轨道轨距出现过大变化，确保行车安全。

需要说明的是，本实用新型提供的通过废弃塑料制成的有机粘合剂为现有技术中的常规材料和制备工艺，所用的废弃塑料是工厂生产的再生塑料粒料，如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等，将其与竹屑、石英砂混合、加热到熔融状态即可。并不是本实用新型的重点，在此不再赘述。

优选的，在上述一种竹增强铁路复合轨枕中，所述竹竿的空腔内至少部分填充有填充物。采用有机、无机或有机和无机复合材料选择性地填充竹竿腔体，调节竹竿及轨枕的力学性能，实现根据线路行车荷载差异调整轨枕的承载性能，以增强轨枕抗弯强度及轨枕内高应力区的竹竿抗压能力，从而整体地提高复合轨枕的物理力学性能；通过改变竹竿腔体的填充方案，不仅可以调节和优化轨枕力学性能，也使得轨枕设计具有灵活性，实现根据轨道线路行车荷载有针对性地设计轨枕，从而实现复合轨枕性能与成本的兼顾。

优选的，在上述一种竹增强铁路复合轨枕中，所述填充物为有机材料、或无机材料、或有机和无机复合材料。有机材料可以为竹粉，无机材料可以为无收缩水泥，有机和无机复合材料可以为竹粉与无收缩水泥的复合物。填充物的材料能够随机选择，仅需要对填充物的性能进行限定即可，即不影响填充效果和竹竿的结构稳定性。

优选的，在上述一种竹增强铁路复合轨枕中，当所述竹竿空腔内仅部分填充有所述填充物时，所述填充物的位置与所述钢轨的位置对应、和/或位于两根所述钢轨之间。能够进一步增强轨枕抗弯强度及轨枕内高应力区的竹竿抗压能力，从而整体地提高复合轨枕的物理力学性能。

优选的，在上述一种竹增强铁路复合轨枕中，所述竹竿中拟进行填充的竹腔对应的竹壁上开设有灌注孔，所述灌注孔用于灌注所述填充物。便于填充物的快速填充，操作简单。

优选的，在上述一种竹增强铁路复合轨枕中，所述竹竿的节隔上根据填充需要开设有灌注孔，所述灌注孔用于灌注所述填充物。便于填充物的快速填充，操作简单。

开孔好坏评价标准主要在于两点：第一尽量不对竹竿力学性能产生负面影响；第二能够实现腔体完全填充。而且，开孔仅是为了便于填充物的灌注，能够达到灌注效果即可，并非本实用新型的重点，在此不再赘述。

优选的，在上述一种竹增强铁路复合轨枕中，所述填充物硬化后的体积接近所述竹竿内需要填充的空腔体积。填充物硬化凝固后的尺寸收缩率在0.5％以内，防止对竹竿的填充效果和结构稳定性造成影响。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本实用新型公开提供了一种竹增强铁路复合轨枕，具有以下有益效果：

1、本实用新型以生活废弃塑料作为制造复合轨枕本体的原材料，而竹屑/竹纤维等作为基体填料，对其进行离散增强，竹竿作为增强构件，采用有机、无机或有机和无机复合材料选择性地填充竹竿腔体，调节竹竿及轨枕的力学性能，实现根据线路行车荷载差异调整轨枕的承载性能，以增强轨枕抗弯强度及轨枕内高应力区的竹竿抗压能力，从而整体地提高复合轨枕的物理力学性能；通过改变竹竿腔体的填充方案，不仅可以调节和优化轨枕力学性能，也使得轨枕设计具有灵活性，实现根据轨道线路行车荷载有针对性地设计轨枕，从而实现复合轨枕性能与成本的兼顾。

2、本实用新型采用竹竿的优势在于：

首先，与木纤维细胞壁不同，竹纤维细胞壁具有独特的多层结构。由于特殊的解剖结构及纤维结构，竹材及其纤维的物理力学性能比一般木材及其纤维更佳，如竹材的顺纹抗拉强度约比同密度的木材高50％，顺纹抗压强度高10％左右；

其次，竹材具有高强度和高韧性，且与聚合物基体胶结良好，这使得竹材断裂时裂缝发展缓慢(依次经过弹性阶段、非线性阶段、稳定拓展阶段、不稳定拓展阶段等阶段)，为其在受力破坏前提供了充分的强度余量和安全储备，从而避免竹材及复合轨枕的脆性破坏，保障了铁路线路行车安全；

最后，竹竿具有由竹壁和竹节组成的独特天然结构，其中空腔体可以减小复合轨枕的材料用量，通过“以空代实”，在实现轨枕优越的工作性能的同时节省材料用量，降低产品成本。

3、以废弃塑料为主要原料的热塑性聚合物基体线膨胀系数较大(约为120×10^-6℃)，而竹材顺纹方向线膨胀系数较低(约为5×10^-6℃)，故复合轨枕中的竹增强构件(竹竿)及竹质离散增强相(竹屑或竹纤维，若采用)可以限制基体在温度变化下发生的变形，避免轨枕纵向尺寸与轨道轨距出现过大变化，确保行车安全。

4、本实用新型所提出的复合轨枕在完成服役后，可经过重新加工用以制备新轨枕。同时，其制造、应用及回收过程能耗低且不伴随产生气体、液体及固体废料，使得该复合轨枕成为生态友好型工程产品，其应用有助于促进铁道基础设施的可持续发展。

5、在铁路线路上安装时，所提出的复合轨枕可采用传统轨枕的安装及敷设方法，无需额外专业设备及工作人员，与此同时可显著降低轨道线路的运营维护成本。

6、本实用新型在经济性及环保方面的优势在于：

全世界对木材的需求量正在持续增长，而森林资源储备正在不断减少，这促使工业界越来越关注竹材的开发利用及其替代传统木材的潜力。生产和应用本实用新型所提出的轨枕，对于面临严峻木材资源短缺问题、但拥有丰富的未开发竹材资源的东亚、南亚及东南亚诸多国家具有重要意义；

相比于木材，竹材生长速度快，在合理采伐基础上，经一次种植即可长期利用，不仅可以收获大量廉价竹材资源，也有利于保持水土、改善生态环境；

人造纤维(如碳纤维和玄武岩纤维)不可降解，一旦散布于环境，可通过呼吸系统危及人和动物生命安全，而竹材是环境友好、可生物降解的绿色可再生材料，其应用不会对环境产生负面影响；

随着世界范围内石油不断被开采，塑料废弃垃圾正持续且迅速地积累，从而导致严重的环境破坏，引发一系列生态危机。因而，废弃塑料的回收加工与合理再利用越来越成为工业界面临的严峻课题。在本实用新型所提出的轨枕中，将废弃塑料作为轨枕生产原材料，不仅变废为宝，也有助于减少塑料造成的环境污染。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的实施例，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附图为本实用新型提供的竹增强铁路复合轨枕的实施例1的横截面示意图；

图2附图为本实用新型提供的竹增强铁路复合轨枕的实施例2的横截面示意图；

图3附图为本实用新型提供的竹增强铁路复合轨枕的实施例3的对称的半面纵截面示意图；

图4附图为本实用新型提供的竹增强铁路复合轨枕的实施例4的对称的半面纵截面示意图；

图5附图为本实用新型提供的竹增强铁路复合轨枕的实施例5的对称的半面纵截面示意图；

图6附图为本实用新型提供的竹增强铁路复合轨枕的实施例6的对称的半面纵截面示意图；

图7附图为本实用新型提供的竹增强铁路复合轨枕的实施例7的对称的半面纵截面示意图；

图8附图为本实用新型提供的竹增强铁路复合轨枕的实施例8的对称的半面纵截面示意图；

图9附图为本实用新型提供的竹增强铁路复合轨枕的实施例9的对称的半面纵截面示意图；

图10附图为本实用新型提供的竹增强铁路复合轨枕的实施例10的对称的半面纵截面示意图。

其中：

1-道钉；

2-钢轨；

3-复合轨枕本体；

4-竹竿；

5-填充物。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1：

参见附图1，本实用新型实施例公开了一种竹增强铁路复合轨枕，通过道钉1与钢轨2紧固连接；包括：复合轨枕本体3和竹竿4；

复合轨枕本体3由生活废弃塑料制成的有机粘合剂为基体，并以有机材料和/或矿物填料作为离散增强相组成；

竹竿4的数量至少为两根，竹竿4沿复合轨枕的轴线方向固定在复合轨枕本体3内部。

为了进一步优化上述技术方案，竹竿4的数量为两根；道钉1沿复合轨枕本体3的横向方向布置为两道；两根竹竿4上下对应位于两道道钉1之间。

为了进一步优化上述技术方案，有机材料为竹屑或竹纤维；矿物填料为石英砂。

为了进一步优化上述技术方案，有机粘合剂为生活废弃塑料回收加工制成。

为了进一步优化上述技术方案，竹竿4的空腔内至少部分填充有填充物5。

为了进一步优化上述技术方案，填充物5为有机材料、或无机材料、或有机和无机复合材料。

为了进一步优化上述技术方案，竹竿4中拟进行填充的竹腔对应的竹壁上开设有灌注孔，或者竹竿4的节隔上根据填充需要开设有灌注孔，灌注孔用于灌注填充物5。

为了进一步优化上述技术方案，填充物5硬化后的体积接近竹竿4内需要填充的空腔体积。

实施例2：

参见附图2，一种竹增强铁路复合轨枕，通过道钉1与钢轨2紧固连接；其特征在于，包括：复合轨枕本体3和竹竿4；

复合轨枕本体3由生活废弃塑料制成的有机粘合剂为基体，并以有机材料和/或矿物填料作为离散增强相组成；

竹竿4的数量至少为两根，竹竿4沿复合轨枕的轴线方向固定在复合轨枕本体3内部。

为了进一步优化上述技术方案，竹竿4的数量为四根；道钉1沿复合轨枕本体3的横向方向布置为一道；每两根竹竿4上下对应为一组，两组竹竿4分别对称位于一道道钉1的两侧。

为了进一步优化上述技术方案，有机材料为竹屑或竹纤维；矿物填料为石英砂。

为了进一步优化上述技术方案，有机粘合剂为生活废弃塑料回收加工制成。

为了进一步优化上述技术方案，竹竿4的空腔内至少部分填充有填充物5。

为了进一步优化上述技术方案，填充物5为有机材料、或无机材料、或有机和无机复合材料。

为了进一步优化上述技术方案，竹竿4中拟进行填充的竹腔对应的竹壁上开设有灌注孔，或者竹竿4的节隔上根据填充需要开设有灌注孔，灌注孔用于灌注填充物5。

为了进一步优化上述技术方案，填充物5硬化后的体积接近竹竿4内需要填充的空腔体积。

实施例3：

本实施例在实施例1或实施例2的基础上，对填充物5的位置进行进一步限定：

参见附图3，竹竿4空腔内无填充物5。其它结构均与实施例1或实施例2相同。

实施例4：

本实施例在实施例1或实施例2的基础上，对填充物5的位置进行进一步限定：

参见附图4，填充物5的位置与钢轨2的位置对应。其它结构均与实施例1或实施例2相同。

实施例5：

本实施例在实施例1或实施例2的基础上，对填充物5的位置进行进一步限定：

参见附图5，填充物5的位置与钢轨2的位置对应，且分别向靠近填充物5一端的端头延伸，直至延伸至竹竿4端头。其它结构均与实施例1或实施例2相同。

实施例6：

本实施例在实施例1或实施例2的基础上，对填充物5的位置进行进一步限定：

参见附图6，填充物5的位置位于两根钢轨2之间。其它结构均与实施例1或实施例2相同。

实施例7：

本实施例在实施例1或实施例2的基础上，对填充物5的位置进行进一步限定：

参见附图7，填充物5的位置部分与钢轨2的位置对应、部分位于两根钢轨2之间。其它结构均与实施例1或实施例2相同。

实施例8：

本实施例在实施例1或实施例2的基础上，对填充物5的位置进行进一步限定：

参见附图8，填充物5的位置与钢轨2的位置对应、且位于两根钢轨2之间，位于钢轨2下方的填充物5分别向靠近填充物5一端的端头延伸，直至延伸至竹竿4端头。其它结构均与实施例1或实施例2相同。

实施例9：

本实施例在实施例1或实施例2的基础上，对填充物5的位置进行进一步限定：

参见附图9，填充物5的位置与钢轨2的位置对应，且两根钢轨2下方之间均填充有填充物5。

实施例10：

本实施例在实施例1或实施例2的基础上，对填充物5的位置进行进一步限定：

参见附图10，竹竿4的空腔内全部填充有填充物5。

在实施例3至实施例10中，竹竿4中的腔体可不进行填充，也可以局部或完全地由有机、无机或有机和无机复合材料填充。填充位置根据应用该轨枕的铁路线路的运营条件，如静轴重、线路类型、通过总重、行车速度等因素决定。

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实用新型。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实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型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)

1.一种竹增强铁路复合轨枕，通过道钉(1)与钢轨(2)紧固连接；其特征在于，包括：复合轨枕本体(3)和竹竿(4)；

所述复合轨枕本体(3)由生活废弃塑料制成的有机粘合剂为基体，并以有机材料和/或矿物填料作为离散增强相组成；

所述竹竿(4)的数量至少为两根，所述竹竿(4)沿所述复合轨枕的轴线方向固定在所述复合轨枕本体(3)内部。

2.根据权利要求1所述的一种竹增强铁路复合轨枕，其特征在于，所述竹竿(4)的数量为两根；所述道钉(1)沿所述复合轨枕本体(3)的横向方向布置为两道；两根所述竹竿(4)上下对应位于两道所述道钉(1)之间。

3.根据权利要求1所述的一种竹增强铁路复合轨枕，其特征在于，所述竹竿(4)的数量为四根；所述道钉(1)沿所述复合轨枕本体(3)的横向方向布置为一道；每两根所述竹竿(4)上下对应为一组，两组所述竹竿(4)分别对称位于一道所述道钉(1)的两侧。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种竹增强铁路复合轨枕，其特征在于，所述有机材料为竹屑或竹纤维；所述矿物填料为石英砂。

5.根据权利要求1所述的一种竹增强铁路复合轨枕，其特征在于，所述竹竿(4)的空腔内至少部分填充有填充物(5)。

6.根据权利要求5所述的一种竹增强铁路复合轨枕，其特征在于，所述填充物(5)为有机材料、或无机材料、或有机和无机复合材料。

7.根据权利要求5或6所述的一种竹增强铁路复合轨枕，其特征在于，当所述竹竿(4)空腔内仅部分填充有所述填充物(5)时，所述填充物(5)的位置与所述钢轨(2)的位置对应、和/或位于两根所述钢轨(2)之间。

8.根据权利要求7所述的一种竹增强铁路复合轨枕，其特征在于，所述竹竿(4)中拟进行填充的竹腔对应的竹壁上开设有灌注孔，所述灌注孔用于灌注所述填充物(5)。

9.根据权利要求7所述的一种竹增强铁路复合轨枕，其特征在于，所述竹竿(4)的节隔上根据填充需要开设有灌注孔，所述灌注孔用于灌注所述填充物(5)。

10.根据权利要求8或9所述的一种竹增强铁路复合轨枕，其特征在于，所述填充物(5)硬化后的体积接近所述竹竿(4)内需要填充的空腔体积。

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