專利名稱：復合式鐵路軌枕的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種鐵路軌枕及其制造方法。
自鐵路問世以來，鐵路軌枕幾乎全都是由木頭制成的。木制軌枕由道碴石保持在位，而鋼軌則利用墊板和大方釘而相連接。這是一種使用方便且廣為采用的系統(tǒng)。木制軌枕可接受和保持道釘，從而可以將鋼軌和墊板系固系統(tǒng)固定于軌枕上。木制軌枕在載荷作用下會發(fā)生彎曲。這種彎曲的有利性僅在于它有助于提供一種較柔和的行駛性。但是，彎曲也會增大支承用道碴彈出和離開軌枕的移動量或振動量。這樣就會增加維護成本。這種彎曲還會使道釘向上振動或運動從而會使道釘松動，由此也增加了維護成本。木制軌枕損壞，因此必須定期予以更換，這樣也進一步增加了維護成本。
后來有人提出采用木頭之外的其它材料來制成鐵路軌枕。例如，授予Murray的美國專利No.5,238,734揭示了一種由回用輪胎碎段和一種環(huán)氧混合物相混合而成的混合物制成的鐵路軌枕。其它揭示了利用復合材料來制造鐵路軌枕的專利包括美國專利No.4,150,790(Potter)和美國專利No.4,083,491(Hill)。雖然由復合材料制成的軌枕的使用壽命明顯長于傳統(tǒng)木制軌枕，但是，它不能提供足夠耐用以承受干線鐵路軌道的重復不斷的沉重載荷的復合軌枕。木制軌枕和復合軌枕往往會使道碴石振動離開鋼軌，因此需要頻繁地進行道碴整補。
在已有技術中還已知用各種材料來增強強度的混凝土軌枕，諸如在美國專利No.1,566,550(McWilliam)中所揭示的軌枕。但是，傳統(tǒng)的混凝土軌枕太硬且易碎，從而不能采用傳統(tǒng)和標準的系固系統(tǒng)(墊板和大方釘)?；炷淋壵聿捎昧嗽谲壵碇圃爝^程的混凝土固化階段中予以附連的預制系固件。而且，每一軌枕必須被單獨加載因此阻礙了模制。由于混凝土軌枕較剛硬并且是非柔性的，因此初看上去它們好象是較有利的，并且可以提供一種較剛硬的軌道組件，可提高側向穩(wěn)定性和便于軌距的控制，延長鋼軌壽命，并且可以大大節(jié)省機車燃料。但是，由于不存在道碴石振動現象而好象顯著降低的維護成本實際上已變成了另一種維護成本?；炷淋壵砣绱藞杂惨灾掠诳蓪⑵湎路降牡啦晔兴?，這樣就產生了一種類似沙地或較柔軟的支承系統(tǒng)。
本發(fā)明的鐵路軌枕結合了木制軌枕和混凝土的最佳特征。本發(fā)明具有混凝土軌枕的所有優(yōu)點，同時還由復合外殼增加了“減震”和“抗沖擊”的特性。這有助于消除道碴石的粉碎。事實上，道碴石本身會埋入這種復合材料內，從而有助于將它保持在位。
因此，本發(fā)明提供了一種外殼，它最好由50/50的高密度聚乙烯(諸如來自于回用家用容器)的混合物制成，其中，增強梁已被安裝在所述外殼內部的腔室內。這種新型系統(tǒng)還采用了傳統(tǒng)的系固系統(tǒng)。嵌件放置在梁內，由與所述外殼相同的復合材料制成，所述梁的上表面形成有孔，這樣就可以將道釘釘入得穿過所述外殼、所述孔，然后釘入各嵌件中。橡膠和塑料的混合物能夠充分地塑性變形，從而能以一種與將道釘釘入傳統(tǒng)木制軌枕相同的方式將道釘釘入穿過所述外殼然后釘入各嵌件。橡膠可以賦予復合材料一“握緊特性”，該特性已被證實與木頭相比，橡膠可以更好地保持住道釘。然后用混凝土填滿所述腔室，包括位于梁內部的那部分腔室以及各嵌件之間的腔室。最好由鋼制成的梁可以使軌枕變得剛硬，從而可以防止混凝土粉碎。如果需要與較大的軸重相適應，則可以采用由具有更重型的鋼來制造管形梁，它可以使所述梁變得剛硬，從而可以提供較大的正彎曲力矩。彎曲力矩越大，軌道模量就越佳。
因此，根據本發(fā)明制造的軌枕具有一可以被控制以最佳地滿足產品使用者需要的彎曲力矩同時還具有一為7″×9″的標準橫截面尺寸；任何一種滿足鐵路要求的混凝土軌枕其橫截面都必須是8″×10″。除7″×9″軌枕之外的任何一種軌枕都不能用作一替換軌枕，因為每年需更換14,000,000根軌枕。調節(jié)所述彎曲力矩且保持在7″×9″橫截面范圍內的能力是本發(fā)明的一個極為有利且獨特的優(yōu)點。
因此，本發(fā)明提供了一種將傳統(tǒng)的木制軌枕和混凝土軌枕的優(yōu)點相結合的鐵路軌枕。這種軌枕具有混凝土軌枕所具有的耐用性和承載能力，而復合材料具有減震性和減振性，因此，在由這種軌枕支承的軌道上行駛的列車就可以平穩(wěn)地行駛。道碴石可如木制軌枕那樣夾在殼體材之間，這樣，道碴就不能被粉碎或發(fā)生移動。由于所述軌枕的剛度可以加以控制，因此，可以優(yōu)化所述軌枕以提供平穩(wěn)行駛性能，但它可以對軌枕的塑性變形和移動加以限制，這樣，軌枕就不會象木制軌枕那樣使道碴石振動而離開所述鋼軌。


圖1是根據本發(fā)明原理制造的鐵路軌枕以及由軌枕支承的鋼軌的立體圖2是大體上沿圖1中線2-2截取的橫向剖視圖；圖3是大體上沿圖2中線3-3截取的某一局部的縱向剖視圖；圖4是圖1所示軌枕的立體分解圖，它示出了在將混凝土增強材料安裝在所述軌枕內部之前的所述軌枕的各內部構件；圖5是與圖4相類似的視圖，但它示出了本發(fā)明另一實施例；圖6是與圖4和圖5相類似的視圖，但它示出了本發(fā)明的又一實施例；圖7是一種用來制造由復合材料制成的本發(fā)明各組份的緊湊型摻合機的示意圖。
現請參閱附圖，根據本發(fā)明原理制造的軌枕由編號10總的示出并且以一種對于本技術領域中的熟練人員來說眾所周知的方式支承住大體上相互平行的鐵路鋼軌12。軌枕10包括一由編號14總的示出的外殼，它形成有一上表面16、一下表面18和彼此相互對置的側面20、22。如圖4所示，鋼軌支承區(qū)24形成在軌枕10的上表面16上，墊板26由系固件28安裝在鋼軌支承區(qū)24上。傳統(tǒng)的道釘30穿過墊板26內的孔32并釘入鐵路軌枕10內，這將在下文中予以描述，以將鋼軌12固定于軌枕10。端蓋32將軌枕12的兩端封住。
所述外殼14包括一上部34和一下部36，它們由一種適當的粘合劑，最好是一種可以從Mactac Corporation買到的航空用聚氨酯粘合劑沿著它們的內表面38固定在一起。所述外殼的上、下部34、36由一種將在下文中描述的復合材料制成。在裝配時，所述外殼14形成一由編號40總的示出的腔室。一對狹長的、管形增強梁42、44位于所述空腔40內、分別位于側壁20和22附近。每一管形梁42、44均包括一在裝配軌枕時與所述外殼上部34相貼合的上表面46；一置于所述外殼下部36上的下表面48；一與所述外殼的相應壁20、22的內表面相貼合的側面50；以及彼此相互面對并且相互協作從而在其間形成一由編號55總的示出的縱向容積的內表面52、54。所述管形梁42和44的表面46、48、50、52彼此相互協作從而在每一管形梁42、44內部形成一腔室56。突起58自所述外殼14的上、下部34、36突伸出來并且突伸入空腔40內，以與側壁52的上、下部相嚙合，由此將管形梁42、44定位在空腔40內部的適當位置。
每一管形梁42、44均具有一對在軌枕10的鋼軌支承區(qū)24下方延伸的孔(圖中僅示出了每一梁的其中一個孔，以編號60標示)。一對復合嵌件(在圖4中僅示出了每一梁的其中一個嵌件，以編號62標示)藉助將它們自所述梁的相應端開始向內推一直到所述嵌件62與孔60相對準為止而安裝在每一梁42、44內。所述嵌件62由與外殼14相同的復合材料制成，這將在下文中予以具體描述。在梁42、44的每一側壁52、54內、在側壁52、54的那一在孔60之間延伸的部分內均設置有一些開口64(圖3)。正如可以從圖4中看到的那樣，梁42、44的端部終止在與所述外殼14的端部相隔一小段距離的地方。
在將所述外殼的上、下部彼此相互固定之后，將一種由編號66總的示出的增強材料從其兩端泵壓入梁42、44的腔室56內，這樣，所述增強材料就可以同時被泵壓入所述梁之間的容積55內。泵壓入容積55內的所述增強材料通過所述開口64進入所述梁的那一位于嵌件62之間的那部分內腔室56中。這樣，所述空腔40的整個容積就可以被所述增強材料填滿。所述增強材料66最好是一種能以液體形式泵壓入所述軌枕10內的快干型混凝土材料。通常將這樣一種材料稱之為“可流動填料”混凝土?；蛘?，可以用一種快干型聚亞安酯材料予以替代。
所述管形增強梁42、44可以提高軌枕10的剛度，同時還可以在所述軌枕內提供減震性和抗振性，從而可以使那種采用由所述軌枕加以支承的軌道的列車平穩(wěn)地行駛。如果需要提供比正常情況更大的軸重，則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剛度，以提供較大的軸重。由于梁42、44最好是由鋼制成，因此，梁42、44還可以防止注入梁內部腔室56中的混凝土發(fā)生崩解并且可以防止彎曲。
所述外殼的上、下部34、36中所用的以及嵌件62所用的復合材料將在下文中予以描述，它是回用塑料和粒狀生膠的混合物。這種材料可以抗風化，但可以充分變形，從而可以通過墊板26內的開口32將那些可將鋼軌12保持在軌枕上的道釘30釘入而穿過外殼14的上部34上的鋼軌支承區(qū)24、穿過管形梁42、44其中一相應梁內的孔60，然后釘入嵌件62的復合材料內。因此，道釘可以被釘入所述軌枕10內，從而可以以一種與利用道釘將鋼軌保持在傳統(tǒng)的木制軌枕上完全相同的方式將鋼軌12保持在位。
現請參閱圖5和圖6所示的另一實施例，那些與圖1一圖4所示實施例相同或大體相同的構件均沿用了相同的數字編號。在圖5中，兩根管形梁42、44被一由編號68總的示出的單根管形梁所代替，所述單根管形梁具有一呈“H”形的橫截面，它包括縱向延伸的臂部70和72以及一連接部74。嵌件62安裝在管形梁42、44內的方式與將它們安裝在臂部70、71內的方式相同；也就是，它們通過所述梁68的端部來進行安裝。混凝土或一種等效的增強材料被泵壓入梁70內以提供所需的增強作用?，F請參閱圖6所示的實施例，管形梁42、44被一由編號76總的示出的“W”形梁所代替。W形梁76在所述外殼的側面附近形成有一對向上的、彼此面對的溝槽78、80，它們被所述梁76的橫向部82所隔開。嵌件62安裝在溝槽78、80內，但它們僅僅是在將上部34安裝在下部36上之前才被放置在所述溝槽內的。在藉助安裝上部34和下部36隨后安裝端蓋32對所述外殼14組裝完畢之前，混凝土可通過容積84的端部而泵壓入所述容積內并直接安裝入溝槽78、80內。
如上文所描述的，所述外殼14和嵌件62是一種由高密度聚乙烯和粒狀生膠混合而成的50-50混合物。這種高密度聚乙烯最好是來自于回用塑料，諸如可以在洗發(fā)或洗滌劑塑料瓶等中找到的、如工業(yè)中已知的那樣已被切碎的回用塑料。橡膠顆粒最好是從那些如本技術領域中已知的那樣被磨光和加工成一定尺寸的回用汽車輪胎上獲得的“屑粒狀”橡膠顆粒。所述橡膠顆粒的尺寸最好是根據標準工業(yè)定徑方法為“十目”。橡膠顆粒14可以包括近似1％或小于1％(按體積計)的長絲狀體(strand)尼龍纖維，它們通?？梢栽谀ス廨喬ブ姓业?。如上文中所論述的那樣，所述橡膠顆?？梢詾樗芰咸峁┌霃椥云焚|，這樣，在將道釘30釘入所述外殼和嵌件62時就可以防止塑料爆裂。所述混合物可以變化，以含有多達60％的、被磨碎的高密度聚乙烯和40％的粒狀生膠至40％的、被磨碎的高密度聚乙烯和60％的粒狀生膠。
下面將藉助以下示例對所述復合材料進行具體描述示例1在一研磨機內，對來自于各種來源的大量舊聚乙烯瓶進行磨削，所述研磨機可以生產出約為1/2平方英寸的、不均勻并且具有不同形狀和厚度的塑料顆粒。利用任何一種常用磨削方法，將大量的舊汽車輪胎磨削成粒狀生膠顆粒。采用一種為10目的篩網，所述篩網是一種每平方英寸具有100個孔的篩網(每平方英寸具有10行×10列的孔)，使所述粒狀生膠具有一定尺寸以生產出10目的橡膠顆粒。通常，10目的粒狀生膠將包括約為1％(按體積計)的長絲狀體尼龍纖維，所述尼龍纖維來自于可在大多數輪胎中找到的增強帶。將所述粒狀生膠顆粒和磨碎顆粒相混合而成為一種50-50(按體積計)的混合物。
所述復合材料是利用一種緊湊型摻合機來進行擠壓的，所述緊湊型摻合機具有長連續(xù)式混合器和一單螺桿擠壓器，諸如由俄亥俄州Brecksville市的Pomini，Inc.公司制造的那種緊湊型摻合機。將經磨碎的聚乙烯放置在所述共擠壓器的第一給料漏斗內，并且將所述粒狀生膠放置在一第二給料漏斗內。將磨碎塑料和粒狀生膠導引入所述桶內，并藉助反向旋轉轉子的摩擦力、在壓力下加工成一種熔融狀態(tài)。熔融的化合物隨后被送入一單螺桿式擠壓器中，藉助一給料螺桿被迫向前穿過所述桶。所述塑料/橡膠化合物然后擠壓通過一模頭而形成所述上外殼部分34。在對所述外殼部分或嵌件進行擠壓時，使其冷卻然后切至標準的各小段。所述外殼部分可以根據需要被切割得較長或較短，視具體應用場合的長度要求而定。
此外，可以稍稍偏離50-50的比例而不會顯著降低成品的有利特性。當需要嚴格控制成品的重量或密度時，這種變化是尤為重要的。對于大多數的應用情況來說，天然灰色/黑色的塑料/橡膠基質(matric)是較適當的。但是，為了生產出一種不同顏色的構件，可以添加少量的著色劑。例如，為了生產出一種仿木構件并且賦予雪松或紅木的外觀，可以根據所添加的染料量而添加紅色染料。
圖7示出了用來擠壓本發(fā)明的緊湊型調和機120，調和機120由俄亥俄州Brecksville市的Pomini，Inc.公司制造。調和機120包括較長的連續(xù)式混合器122和單螺桿式擠壓器124。較長的連續(xù)式混合器122包括漏斗126、入口127和桶或混合腔128?；旌掀?22還包括具有出料閥133的出料口132。一對反向旋轉轉子130設置在混合腔128內部，轉子130由電動機131驅動。單螺桿擠壓器124包括如擠壓作業(yè)中常用的塑煉給料螺桿134。單螺桿擠壓器124具有與混合器122的出料口132流體連通的入口138。塑煉給料螺桿134安裝在桶或腔室135內部，并由電動機137驅動。出料模頭136安裝于出口端139或擠壓器124上。出料模頭136具有一定尺寸以與所述擠壓件的理想橫截面尺寸相匹配。
被磨碎的塑料材料140和粒狀生膠142自漏斗126而喂入長連續(xù)式混合器122內，并在由驅動電動機131驅動的轉子130的作用下、在一定壓力下進行混合。如果需要，可以將少量染料144自漏斗126而喂入所述混合物內。先將出料口132處的出料閥133關閉，以保持腔室128的壓力。由反向旋轉轉子130產生的摩擦力將所述材料加工成一種熔融狀態(tài)，此時，出料閥133打開從而可以使熔融材料通過入口138而流入所述擠壓器24內。擠壓器124的電動機137驅動給料螺桿134，在壓力作用下將所述熔融材料朝著出口端139推壓然后通過模頭136。將所述擠壓件(未示)切至所需的長度然后加以冷卻。
權利要求
1.一種鐵路軌枕，它包括一堅固的內芯和一鋼軌支承區(qū)，所述鋼軌支承區(qū)由一種能充分地塑性變形從而能將用來保持所述鋼軌的系固件插入其內的材料制成。
2.如權利要求1所述的軌枕，其特征在于，所述鋼軌支承區(qū)包括一在其內形成有一縱向延伸腔室的外殼，所述外殼由一種能充分地塑性變形從而可以使用來將所述鋼軌保持在所述支承區(qū)上的系固件穿過所述外殼然后釘入所述腔室內的材料制成。
3.如前述任一權利要求所述的軌枕，其特征在于，所述堅固內芯包含一在所述腔室內部縱向延伸并且在所述鋼軌支承區(qū)下方延伸的梁，所述梁的內部形成有一空腔，一些嵌件安裝在所述鋼軌支承區(qū)下方的所述空腔內并且由一種基質制成，所述基質能充分地塑性變形從而可以將用來將所述鋼軌保持在所述支承區(qū)上的系固件釘入所述嵌件中，一增強材料將所述空腔填滿。
4.如權利要求3所述的鐵路軌枕，其特征在于，所述增強材料是混凝土。
5.如權利要求2所述的鐵路軌枕，其特征在于，所述外殼與所述梁相協作，從而在所述梁外部的所述腔室內部形成一容積，所述增強材料將所述容積填滿。
6.如權利要求3所述的鐵路軌枕，其特征在于，所述梁是一管形構件，它具有一形成所述空腔的內表面，所述管形件包括一上表面，所述上表面有一些將所述嵌件顯露出來的孔，由此所述系固件可被釘入得穿過所述外殼和所述孔并釘入所述嵌件內。
7.如權利要求2所述的鐵路軌枕，其特征在于，所述外殼包括一對側壁、一頂壁和一將所述側壁連接起來的底壁，所述頂壁具有所述鋼軌支承區(qū)，所述管形件包括一對平行于所述外殼的側壁延伸的側表面，所述側表面的其中之一與所述外殼的一側壁相貼合，另一側壁部分形成在所述容積內。
8.如權利要求5所述的鐵路軌枕，其特征在于，一對所述管形件在所述腔室內彼此相互平行地延伸，每一管形件的所述側表面之一與另一管形件的一側表面相配合形成所述容積。
9.如權利要求6所述的鐵路軌枕，其特征在于，每一構件的所述一側表面形成有一些與所述容積連通的孔，每一管形件的部分空腔位于所述各嵌件之間。
10.如權利要求6所述的鐵路軌枕，其特征在于，所述外殼的頂壁和底壁包括一些將所述各管形件定位在所述腔室內部的突起。
11.如權利要求3所述的鐵路軌枕，其特征在于，所述梁是一具有兩個端部且形成有一面朝著所述鋼軌支承區(qū)的溝槽的溝槽構件，所述嵌件安裝在所述溝槽內，所述增強材料將所述嵌件之間以及每一嵌件與所述溝槽的一對應端部之間的所述溝槽填滿。
12.如權利要求4所述的鐵路軌枕，其特征在于，所述增強材料是混凝土，所述外殼由一種包括40％-60％(按體積計)的高密度回用聚乙烯和60％-40％(按體積計)的研磨橡膠顆粒的復合材料制成。
13.如權利要求1所述的鐵路軌枕，其特征在于，所述外殼由一種包括40％-60％(按體積計)的高密度回用聚乙烯和60％-40％(按體積計)的研磨橡膠顆粒的復合材料制成。
14.如權利要求1所述的鐵路軌枕，其特征在于，所述梁是一管形件，所述嵌件安裝在所述管形件內部，所述管形件包括一些將所述嵌件顯露出來的孔，由此穿過所述外殼的鋼軌支承區(qū)而釘入的系固件就可延伸穿過所述孔并釘入所述嵌件內。
15.如權利要求12所述的鐵路軌枕，其特征在于，一對所述管形件安裝在所述腔室內，每一所述管形件攜帶有嵌件并且形成有將所述嵌件顯露出來的孔，所述管形件彼此相互配合從而在其間形成一容積，所述增強材料將所述容積和所述管形件內部的多個空腔填滿，所述多個腔室形成在所述管形件的端部和嵌件之間以及形成在所述嵌件之間。
16.一種鐵路軌枕，它具有一對沿所述軌枕縱向隔開用來支承所述鋼軌的鋼軌支承區(qū)，所述鐵路軌枕包括一在其內形成一縱向延伸的腔室的外殼，所述外殼由一種包括40％-60％(按體積計)的高密度回用聚乙烯和60％-40％(按體積計)的研磨橡膠顆粒的復合材料制成；一在所述所述腔室內部縱向延伸并且在所述鋼軌支承區(qū)下方延伸的梁；以及一圍繞所述梁將所述腔室填滿的增強材料。
17.如權利要求16所述的鐵路軌枕，其特征在于，所述增強材料是混凝土。
18.如權利要求14所述的鐵路軌枕，其特征在于，由一種可塑性變形的材料制成的嵌件安裝在所述鋼軌支承區(qū)下方的所述腔室內。
19.如權利要求16所述的鐵路軌枕，其特征在于，所述嵌件安裝在所述梁內部。
20.如權利要求17所述的鐵路軌枕，其特征在于，所述嵌件由與所述外殼相同的材料制成。
全文摘要
一種鐵路軌枕包括一由混合物制成的外殼,該混合物是50%(按體積計)的高密度回用聚乙烯和50%(按體積計)的來自于回用輪胎的粒狀生膠。外殼包括一上部和一下部,它們相互配合形成一可將一根或多根梁安裝在其內的空腔。每一梁包括一位于所述軌枕的鋼軌支承區(qū)下方的孔,一由與外殼相同的復合材料制成的嵌件安裝在所述鋼軌支承區(qū)下方的梁內部。一可流動的混凝土混合物將形成在所述外殼內部的空腔填滿,所述空腔包括形成在各梁內部的空腔。
文檔編號E01B3/46GK1332822SQ99815337
公開日2002年1月23日 申請日期1999年11月12日 優(yōu)先權日1998年11月12日
發(fā)明者馬克·C·謝伊 申請人:普里米克斯股份有限公司