铁路路轨之梯架式轨枕的钢管连接件 本发明涉及钢管结构的连接件，该连接件用在混合式刚性连接结构中具梯架形状的轨枕(下文称之为铁路路轨梯架式轨枕)中，该轨枕与混凝土制成的纵向粱及钢管结构的连接件结为一体，以此作为铺设在铁路路床上的铁路路轨。
铁路是一种由路轨及支承路轨的路基构成的专用道路。铁路路轨包括路床，轨枕及导轨，而路基则包括支承导轨及路轨结构的道路基础：通常将道渣用作路床，其弹性变性可以吸收列车运行所致的冲击力或振动。对于超高速列车的铁路来说，为减轻路轨养护工作量而采用了以混凝土和砂浆代替轨枕和道碴的厚板路轨。轨枕有以下三个作用：轨枕作用，亦即通过将列车重量以较大宽度分散在路床上而减轻路床所受负载并防止导轨的时效沉降；约束作用，亦即使左右导轨之间的间距(轨距)保持恒定；横向及纵向止动作用，亦即使导轨承受住横向压力及导轨轴向力的作用而不至于发生左右向及前后向的移动。
据报道，世界上所有用于铁路的轨枕数量为三十亿件，其中由混凝土制成的轨枕有四亿件。木制轨枕现今占据压倒性的比例，以至于轨枕在中国被称为“枕木”。然而，从环境保护的需要来看，使用木制轨枕会导致对森林资源的消耗，因此，作为保护森林资源的一项措施，木制轨枕的使用势必会逐年地受到限制。这样，从世界范围来看，有利于环境保护地混凝土轨枕在未来将会有极大的需求量，对此已有更详细的预测。目前，为替换木制轨枕及新线路建设而生产的混凝土轨枕每年约为两千万件。而在欧洲、日本及其它发达国家中，铁路对混凝土轨枕的年需求量甚至占到了约一半。
传统铁路的轨枕式路轨如图3所示，其中，轨枕32以预定的间距(如750毫米左右)排列并正交于两条导轨31a及31b的轴向。轨枕32可采用木制轨枕或混凝土轨枕。对于轨枕式路轨来说，各个轨枕是在彼此分离的位置上离散地充当对导轨起支承作用的基础的，因此它们只是局部地支承地导轨。这样，每当列车通过时，导轨上未与轨枕接触的部分将产生振动，从而产生被称为“滚轨声”的噪声。此外，对于路床上铺设有道碴的路轨来说，列车重力的重复作用易于导致导轨的变形，从而使行驶的列车发生摆动。行驶列车的持续摆动又会加速路况的恶化。
另外，混凝土轨枕在成形时配装有较长的焊接导轨，以此作为加快并方便运输过程的工具。长焊接导轨在成形时会受到依赖于温度的较大轴向压紧力(为使轨枕对导轨的固紧作用能克服导轨因温度变化所致的伸缩而储存在导轨内部的力)，因此，固紧力的减弱将导致导轨在上下方向及左右方向上的弯曲。在现代高速铁路的建造中，为防止导轨变形而使混凝土轨枕具有较大的重量和较大的导轨固紧力，这一因素在路轨中的重要性甚至超过了其对木制轨枕的替代作用。
如上所述，在现代高速铁路的建造中，混凝土轨枕在路轨中的重要性超过了其对木制轨枕的替代作用，尽管如此，二者的结构却非常相似，因此，采用混凝土轨枕并不会使养护铺碴路轨的工作量节省多少。在此需要指出，铺碴路轨的养护是一项高成本且繁重的工作，而在日本，这项工作被看作是典型的“3K职业”(危险、繁重而且脏)，同时也是一项年轻人不愿从事的职业，其原因在于养路作业为避开列车运行时间而往往被限制在深夜进行。
最近，一份以铁道技术研究所基金名义发表的文献“RRR”，1995.12，p8-28提出了一种为降低铺碴路轨养护工作量而设计的梯架式轨枕。以下结合图4及图5介绍这种铁路路轨梯架式轨枕的结构特点。鉴于纵向梁41起着轨枕作用，该梯架式轨枕中采用了先张式的预应力加固混凝土结构(以下称之为先张式PRC结构)，其中的上下预应力绞索42被预先张紧，其张紧力在所注入的混凝土43硬化之后将卸载，此外，用专门方法设计的先张式PRC结构纵向梁41即使在没入铺碴路床的截面积为最小时—此时的承载状况显然不利—也能确保必要且充裕的承载力。就连接件的约束作用来说，小径厚壁钢管44的刚度足以保持以3米间距排列的轨距，其插接部分45被插在上、下预应力绞索42之间，作为纵向梁41主要的轴向加固构件，上述预应力绞索42处于张紧状态，连接件与纵向梁41之间通过浇注混凝土而固结在一起，以此保证足够的约束作用，这样便形成了具有梯架形状的混合刚性连接结构。顺便指出，图中的标识符46表示星型搭接头，标识符47表示金属插接件，标识符48表示导轨，且标识符49表示导轨紧固件。
对于在铁路路轨梯架式轨枕中起约束作用的小径厚壁钢管来说，JIS(日本工业标准)G3444中列出的普通结构用碳素钢管STK 540可满足其刚性、加工性能及成本等各方面的要求，其中的翼肋51如图6所示被焊死在小径厚壁钢管44的两端。此外，考虑到使用环境的影响，小径厚壁钢管44上暴露于环境的部分必须具备防水、防杂散电流(亦即绝缘)、抗冲击以及防风雨侵蚀等性能，因此这些部分涂覆有经固化处理的防腐蚀橡胶衬52。
对于翼肋来说，其在小径厚壁钢管—该钢管在铁路路轨梯架式轨枕中起约束作用—上的配置需要引入翼肋加工、翼肋焊接等工序，从进一步降低成本及保证批量化生产的需要来讲，上述工序是铁路路轨梯架式轨枕中的一个突出问题。此外，制作经固化处理的防腐蚀橡胶衬需要将小径厚壁钢管运送到具备烘干处理能力的橡胶衬制作企业中，因此，固化处理成了一个迫不得以去面对的问题。
本发明的目的是提出一种铁路路轨梯架式轨枕的钢管连接件，该连接件能够克服铁路路轨梯架式轨枕中起约束作用的小径厚壁钢管所存在的问题，同时小径厚壁钢管上无需配置翼肋，而且防腐蚀性能的实现也采用比制作橡胶衬更为经济的方法，由此满足降低成本及批量化生产的要求。
发明人为实现上述目的进行了充分的试验及分析。本发明的实现即得自如下研究结论：对于在铁路路轨梯架式轨枕中起约束作用的钢管连接件来说，其防回转及防拉拔性能可以通过将钢管连接件两端在水平方向矫平来实现，因而无需为钢管连接件两端的侧面配置翼肋，此外，防腐蚀性能的实现也采用了比烘干橡胶衬更为经济的方法，亦即在钢管连接件上暴露于环境的部分涂覆防腐蚀涂层并将橡胶环套接在其外缘上，这样便降低了成本并实现了批量化生产。
对于铁路路轨梯架式轨枕的钢管连接件来说，其第一个特点是两端在水平方向被矫平。这样，防回转及防拉拔性能即可因钢管连接件两端在水平方向被矫平而实现，因而无需在钢管连接件两端的侧面设置焊死的翼肋。对于这种做法中将钢管两端矫平的工艺来说，其工作量可以根据所用材料的不同在如下范围内选定：从矫平量占钢管连接件外径的1/8到钢管内表面相接触。顺便指出，可以在钢管连接件内部填入混凝土以提高其弯曲强度。
作为本发明另一个特点，对于所述铁路路轨梯架式轨枕的钢管连接件来说，其两端在水平方向被矫平，而且其上暴露于环境的部分涂覆有防腐蚀涂层。这样，防回转及防拉拔性能即可因钢管连接件两端在水平方向被矫平而实现，因而钢管连接件两端的侧面无需设置焊死的翼肋。此外，在钢管连接件上暴露于环境的部分涂覆防腐蚀涂层的做法不仅达到了防腐蚀及防杂散电流的目的，而且其成本也低于经固化处理获得橡胶衬的做法。防腐蚀涂层的制作方法可以是聚烯烃涂覆、环氧树脂涂覆、聚胺脂涂覆、锌电镀(锌镀覆)、铝电镀(铝镀覆)、锌-铝镀覆或者橡胶涂覆。此外，套接橡胶环可以有效地防止风雨侵蚀并使防腐蚀涂层具备抗冲击能力，这样便实现了防水、防杂散电流、抗冲击以及防风雨侵蚀等性能，而且所需成本低于经固化处理获得橡胶衬的做法。
图1是铁路路轨梯架式轨枕的结构剖视图，该轨枕采用了如本发明所述的钢管连接件；
图2(a)及2(b)表示如本发明所述的钢管连接件，其中，图2(a)是略去其中间部分某一段的平面图，图2(b)是如本发明所述钢管连接件的正视图；
图3是普通轨枕以正交于导轨方向排列的透视图；
图4是铁路路轨梯架式轨枕的透视图；
图5是铁路路轨中普通梯架式轨枕的结构剖视图；且
图6(a)及6(b)表示普通的钢管连接件，其中，图6(a)是略去其中间部分某一段的侧视图，图6(b)是普通钢管连接件的正视图。
对于如本发明所述将钢管连接件两端矫平的工艺来说，涂有防腐蚀涂层的钢管按照连接件的预定尺寸被分割开，钢管连接件上暴露于环境的部分套接有橡胶环，而且钢管的两端在水平方向被矫平。矫平方法并没有特殊的限制，不过所用的方法一般为压制。此外，对于钢管连接件两端的矫平量来说，实施矫平时可以将被矫平部分的厚度减小到外径的7/8乃至使其内表面彼此发生接触。被矫平部分的厚度若大于外径的7/8就不能充分地实现防回转及防拉拔性能。钢管即使被矫平到内表面彼此发生接触的程度也不至于出现裂纹，不过，考虑到钢管连接件内部需要填充混凝土，实施矫平时最好根据材料性能使被矫平部分的厚度达到外径的2/3至1/2。此外，对于连接件两端被矫平部分的长度尺寸来说，该尺寸在等于或大于50毫米时将足以保证防回转及防拉拔性能的实现，因此，连接件上被插入纵向梁内部的压扁部分具有等于或大于50毫米的长度。
钢管连接件内部填充混凝土的方式是在钢管连接件两端被矫平之后将混凝土从钢管一端充入并做硬化处理。钢管连接件被插在作为纵向梁主要轴向加固钢构件的上、下预应力绞索之间，钢管连接件与纵向梁之间通过注入混凝土而固结在一起，由此形成保证足够约束作用的梯架形混合刚性连接结构。顺便指出，钢管连接件两端的矫平工艺是使之在水平方向上矫平，如果使之在垂直方向矫平，那么钢管的插接部分将在作为纵向梁主要加固钢材料的上、下预应力绞索之间受到妨碍。
如本发明所述，钢管连接件上暴露于环境的部分涂覆有作为防腐蚀涂层的聚烯烃涂覆材料，这方面的材料有聚乙烯(从低密度到高密度)、聚丙烯、聚丁烯、聚苯乙烯，其中，聚乙烯在成本及防腐蚀性能方面具有很好的表现。以聚乙烯涂层为例，可以在其中加入重量含量为0.5％到3％的碳黑之类低成本无机合成涂剂，这一涂剂含量限度可以从本质上确保聚乙烯的物理性能不发生老化。在聚乙烯涂层中，作为胶粘剂而夹在钢管与聚乙烯之间的材料可以是以沥青为基合成的压敏胶粘剂和聚乙烯基胶粘剂，也可以是改良聚乙烯及乙烯-乙酸乙烯共聚物等材料。
在制作钢管连接件涂层时，作为防腐蚀涂层的聚乙烯之类涂层材料是以覆盖钢管全长范围的方式被涂覆的，此后，钢管被分割成具有预定尺寸的连接件，为提高钢管两端相对于纵向梁中混凝土材料的粘接强度，钢管两端在被矫平之前应除去其上已涂覆的聚乙烯膜。针对上述需要，涂覆工艺系统可推荐采取如下步骤：在对钢管进行铬化处理(铬附着层的总量为100至1000克/米2)之后，依次地涂覆环氧基底层涂料(厚度为10到100微米)；改良聚乙烯或乙烯-乙酸乙烯共聚物胶粘剂(厚度为50到300微米)；以及聚乙烯(厚度为0.6到3.0毫米)。针对防腐蚀及防风雨侵蚀等性能需要，还应涂覆约几微米的，包括碳黑之类材料在内的橡胶涂层。此外，钢管需要被浸入电镀槽中以实施锌电镀(锌镀覆)、铝电镀(铝镀覆)及锌-铝镀覆(锌-铝镀覆)，这些镀覆是在钢管两端的水平方向矫平工序之前进行的，因此批量化生产的实现无需附加工时及工作量。
实施例1
以下结合图1及图2具体介绍如本发明所述铁路路轨梯架式轨枕的钢管连接件。图1是铁路路轨梯架式轨枕的结构剖视图，该轨枕采用了如本发明所述的钢管连接件，图2(a)及2(b)表示如本发明所述的钢管连接件，其中，图2(a)是略去其中间部分某一段的平面图，图2(b)是如本发明所述钢管连接件的正视图。
参见图2(a)及2(b)，标识符1表示由小径厚壁钢管6制成的钢管连接件，钢管6的两端经过压扁而成为矫平部分2，矫平部分2的厚度为外径在水平方向高度的1/2，钢管中间部分的外表面涂覆有以压敏胶粘剂3为衬底的聚乙烯涂层4，以此作为防腐蚀涂层，聚乙烯涂层4的外表面套接着橡胶环5且钢管内填充有混凝土。
参见图1，标识符11表示采用钢管连接件1的铁路路轨梯架式轨枕，钢管连接件1与混凝土纵向梁12之间通过浇注混凝土而固结在一起，由此形成梯架形状的混合刚性连接结构。该铁路路轨梯架式轨枕11中设有先张式PRC结构，其中，若干预应力绞索13被布置在起轨枕作用的混凝土纵向梁12的上侧及下侧部分，预应力绞索13外缘设有以预定间距分布的镫形件14，导轨紧固件15也以预定间距分布，钢管连接件1两端的矫平部分2起着约束作用，它们被插在上侧与下侧预应力绞索13之间，由此使导轨16在铁路路轨梯架式轨枕11上的跨距保持预定的值，混凝土纵向梁12与钢管连接件1的固结方式是将预应力绞索13预先张紧并浇注混凝土，预应力绞索13的张紧状态将在混凝土硬化之后被解除，如此便使混凝土纵向梁12中形成了预应力。
在上述轨枕结构中，钢管连接件1对铁路路轨梯架式轨枕11起约束作用，由于构成钢管连接件1的小径厚壁钢管6的内部填充有混凝土，所以其刚度足以保持住轨距。此外，钢管两端的水平矫平部分2保证了钢管连接件1的防回转及防拉拔性能，因此无需为钢管连接件两端的侧面配置专门的翼肋。另外，钢管连接件1之小径厚壁钢管6的中间部分并未嵌入混凝土纵向梁12中，这些部分设有以压敏胶粘剂3为衬底、且防水及绝缘性能良好的聚乙烯涂层4，套接在该聚乙烯涂层4外表面的橡胶环5具有良好的防风雨侵蚀及抗冲击能力，这样便使钢管连接件1在使用环境下具备了良好的防水、防杂散电流、抗冲击以及防风雨侵蚀等性能，从而使小径厚壁钢管6的防腐蚀性能获得长久的保持。
在常规的小径厚壁钢管6上，其两端的侧面配置有翼肋，其中间部分涂覆有经固化处理的橡胶涂层，与之相比，如本发明所述铁路路轨梯架式轨枕11的钢管连接件1只是在小径厚壁钢管6的中间部分涂覆了聚乙烯涂层4以及套接了橡胶环5，因此，该钢管连接件1以较低的成本充分实现了约束作用、防回转及防拉拔性能，同时也确保了防腐蚀及抗冲击能力—对碴石等物体所致冲击损伤的防护能力—的实现，从而延长了维修周期。
实施例2
钢管连接件在铁路路轨梯架式轨枕中具有连接混凝土纵向梁以及结构约束的作用，本说明书为此提出两个关于钢管连接件的范例，一个采用常规结构，另一个如本发明所述。其中，常规形式钢管连接件的结构特征如下：翼肋为H形，其厚度为6毫米，宽度为30毫米，所用材料为JIS G3101中的普通滚压结构钢SS 400，该翼肋以50毫米至300毫米的长度被焊死在小径厚壁钢管6两端的侧面上，小径厚壁钢管的外径为76.3毫米，壁厚为9毫米，长度为1476毫米，所用材料为JIS G3444中普通碳素结构钢STK 540的管材；钢管连接件中间部分710毫米的长度上涂覆有经固化处理的橡胶涂层；钢管的内部填充有混凝土。作为本发明范例的钢管连接件的结构特征如下：小径厚壁钢管两端各有300毫米的长度经过压制而被矫平，矫平部分的厚度为钢管外径的1/2，其中，小径厚壁钢管的外径为76.3毫米，壁厚为9毫米，长度为1476毫米，所用材料为JIS G3444中普通碳素结构钢STK 540的管材；钢管中间部分710毫米的长度上涂覆有厚度为200微米的乙烯-乙酸乙烯共聚物胶粘剂；其上还涂覆有厚度为1.5毫米的聚乙烯涂层；而且钢管外表面上套接着尿脘橡胶环。各混凝土块料在与相应钢管配接及固接时为其留有710毫米的中间部分长度，其中，混凝土块料的宽度为440毫米，内侧厚度为144毫米，外侧厚度为155毫米，深度为500毫米，这样便可计算出小径厚壁钢管的制造成本以及混凝土块料对钢管的拉拔力，其计算结果见表1。在表1中，就相应小径厚壁钢管的制造成本来说，假定常规形式钢管连接件的总成本为10，该成本包括短管切割、翼肋切割、翼肋定位、翼肋焊接、位置调整以及橡胶涂层固化处理等工艺费用，而对于作为本发明范例的钢管连接件来说，其短管切割、端部压制矫平、聚乙烯涂覆以及尿脘橡胶环套接等工艺的总成本在表中则以相对于10-即常规形式钢管连接件的总成本—的比例给出。
如表1所示，就混凝土块料产生的拉拔力来说，本发明范例与常规范例的情况相当，不过本发明范例中的制造成本则降低到常规范例的约2/3，因此，铁路路轨梯架式轨枕的制造成本也将以这一数量降低。
表1 拉拔 力(吨) 制 造成本 常规 范例 10以 上 10 本发 明范例 10以 上 7
在常规的钢管连接件上，其小径厚壁钢管两端的侧面配置有焊死的翼肋，其中间部分涂覆有经固化处理的橡胶涂层，与之相比，对于如本发明所述铁路路轨梯架式轨枕的钢管连接件来说，其制造工艺仅表现在以下方面：小径厚壁钢管的两端经过压制而被矫平，其中间部分涂覆有聚乙烯涂层而且其外表面套接有橡胶环，因此，该钢管连接件在充分保证约束作用、防回转性能及防拉拔性能的同时也显著地降低了制造成本，这将有助于显著降低铁路路轨梯架式轨枕的成本。