本发明涉及交通设备技术领域，具体涉及一种用于桥梁、高铁、重载铁路、普通铁路和轻轨地铁的整体式纤维增强聚氨酯发泡合成轨枕及其制备方法。
背景技术：
轨枕，是铁路配件的一种，在铁路建设中起着至关重要的作用。在轨道结构中，轨枕的作用承受由钢轨传来的荷重、横向力和纵向水平力，将其均匀地传布在道床上，同时，轨枕还起着保持钢轨方向、轨距和位置等作用。因此，要求轨枕要有一定的坚固性、弹性及耐久性，并要求轨枕规格尺寸便于固定钢轨，有抵抗线路纵、横向位移的能力。
目前，我国原来的明桥面钢梁桥中几乎全部采用木质轨枕，在重载铁路、普通铁路以及轻轨地铁线路中的道岔段，由于为了保证按照扣件时的安装精度，也几乎全部采用木质轨枕。制作木枕需要使用大量的优质硬质木材，而且，木质轨枕在受到长期的风晒雨淋以及江水、海水的腐蚀后，腐蚀比较严重，而且不耐虫咬等，基本上，使用5年后就必须更换，大大增加了维护及更换成本。
不仅如此，现在世界各国都面临着的最大的难题是用于铁路轨枕的优质木材的供应量持续下降，价格越来越高；其次历来木枕采用木馏油进行浸渍，增加其耐腐蚀性能，使用化学防腐剂轨枕对环境和工人的健康都带来了不良的影响；另外随着运输量的逐渐增大，以及时间和人力成本的增加，木枕更换的成本越来越高；
在重载铁路及普通铁路则全部使用混凝土轨枕，而混凝土轨枕刚性太大，不仅不具备减震效果，而且在列车长期运营后，一般为5—10年，容易出现裂纹，造成安全隐患，则需要大量的更换，大大增加了维护及更换成本。
为了保护森林资源，人们逐步放弃对木材的过度使用，且伴随着人们对出行的快速、安全、舒适的要求，木枕将逐步被废除和更换，转而使用性能优异的高新技术轨枕—合成轨枕。
目前，国内外纷纷开始了对合成轨枕的研究，如美国采用废旧pe塑料通过表面强化制作轨枕，韩国以废旧轮胎为主要材料制作轨枕，俄罗斯以木屑为主开展了轨枕的研究，日本由聚氨酯泡沫和玻璃纤维制成的合成轨枕。
在以上这些合成轨枕中，目前得到大批量使用的是日本的聚氨酯泡沫与玻璃纤维制成的合成轨枕，简称为ffu合成轨枕。但是ffu合成轨枕是首先制作尺寸较小的毛坯件，然后通过打磨毛坯件表面，采用两层或多层粘结的办法粘结而成，之后还要打磨、批腻子、喷漆等。不仅工序复杂，增加了制作时的人力及物力成本，而且合成轨枕粘结面的质量无法得到有效的保证，在列车长期运营中，合成轨枕粘结面容易发生错位，造成列车运行的安全隐患。
技术实现要素：
(一)本发明所要解决的技术问题是：现有的轨枕采用多层粘结的方式制造成型，在粘结成型之后还要打磨、批腻子、喷漆等。不仅工序复杂增加了制作时的人力及物力成本，而且合成轨枕粘结面的质量无法得到有效的保证，容易出现轨枕粘结面错位，造成列车运行的安全隐患。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种整体式纤维增强聚氨酯发泡合成轨枕，包括由发泡聚氨酯树脂制成一体式的轨枕本体，所述轨枕本体内设有多层长纤维层，多层所述长纤维层相互平行，并由上至下并排嵌设在所述轨枕本体内，每层所述长纤维层均包括多束长纤维，位于同一层长纤维层中的相邻两束长纤维水平间隔排布。
本发明的有益效果：本发明提供的整体式纤维增强聚氨酯发泡合成轨枕，由发泡聚氨酯树脂制成一体式的轨枕本体，所述轨枕本体内设有多层长纤维层，由于所述轨枕本体是一体成型结构的，因此其整体强度更好，避免了现有的轨枕通过粘结制作方式所造成的在使用中错位引起的安全隐患，同时大大的降低了轨枕的生产成本，所述轨枕本体与所述长纤维层为一体成型结构，通过长纤维层能够进一步增强轨枕的强度。并且其综合性能远远优于目前的木质轨枕及合成轨枕，可广泛应用于铁路桥梁、重载铁路、普通铁路以及地铁轻轨的建设中。
进一步地，相邻两层长纤维层之间的距离为1-10mm，在所述轨枕本体内还嵌设有至少一束短纤维。
进一步地，所述轨枕本体内包含所述长纤维的重量为所述轨枕本体重量的20-80％。
进一步地，所述轨枕本体呈长方体状，且所述轨枕本体相对两侧的外壁面和底壁面上固设有由硬质材料制成的保护层。
进一步地，所述保护层为frp板、塑料板、钢板或铝箔板；
或所述保护层为至少一层纤维毡。
进一步地，所述长纤维为玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维和钢纤维中的一种。
本发明还提供了一种整体式纤维增强聚氨酯发泡合成轨枕的制备方法，包括以下步骤：
s1，在模压设备内形成固定模腔；
s2，将多束长纤维在固定模腔内的同一水平面中均匀间隔排布形成长纤维层；
s3，在所述固定模腔内由上至下设置多层长纤维层；
s4，将聚氨酯发泡树脂放入所述固定模腔内，将多层所述长纤维层均匀浸渍形成粗坯混合料；
s5，将步骤s4中固定模腔内的粗坯混合料在模压设备中固化成型，形成毛坯件；
s6，将步骤s5中的毛坯件按照预设长度切割形成轨枕成品。
进一步地，在步骤s1中所述模压设备为履带式层压机，所述履带式层压机上安装有挡块，所述挡块在所述履带式层压机内形成所述固定模腔。
进一步地，在步骤s1中，所述模压设备内设有模具，所述模具内形成所述固定模腔。
本发明还提供了一种整体式纤维增强聚氨酯发泡合成轨枕的制备方法，包括以下步骤：
s1，在模压设备内形成固定模腔；
s2，将多束长纤维在固定模腔内的同一水平面中均匀间隔排布形成长纤维层；
s3，在所述固定模腔内由上至下设置多层长纤维层；
s4，将聚氨酯发泡树脂放入所述固定模腔内，将多层所述长纤维层均匀浸渍形成粗坯混合料；
s5，将步骤s4中固定模腔内的粗坯混合料在模压设备中固化成型，形成毛坯件；
s6，重复步骤s1至s4；
s7，将步骤s5中的毛坯件进行打磨，并将打磨后的毛坯件放入步骤s6中的固定模腔内，聚氨酯发泡树脂、长纤维层和毛坯件混合形成在固定模腔内形成混合固化料；
s8，重复步骤s7，直至混合固化料的截面尺寸等于预设的轨枕成品的截面尺寸；
s9，将步骤s8中的混合固化料在模压设备中固化成型，形成粗坯；
s10，将步骤s9中的粗坯按照预设长度切割形成所述轨枕成品。
附图说明
本发明上述和/或附加方面的优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是采用实施例二中的方法制造的所述整体式纤维增强聚氨酯发泡合成轨枕的结构示意图
图2是采用实施例三中的方法制造的所述整体式纤维增强聚氨酯发泡合成轨枕的工作流程图；
图3是实施例二中所述整体式纤维增强聚氨酯发泡合成轨枕的流程图；
图4是实施例三中所述整体式纤维增强聚氨酯发泡合成轨枕的流程图。
其中图1至图4中附图标记与部件名称之间的对应关系为：
1、轨枕成品，11、轨枕本体，111、长纤维，112、毛坯件。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
如图1和图2所示，本发明提供了一种整体式纤维增强聚氨酯发泡合成轨枕，本包括由发泡聚氨酯树脂制成一体式的轨枕本体11，所述轨枕本体11内设有多层长纤维层，多层所述长纤维层相互平行，并由上至下并排嵌设在所述轨枕本体11内，每层所述长纤维层均包括多束长纤维111，位于同一层长纤维层中的相邻两束长纤维111水平间隔排布。
本发明提供的整体式纤维增强聚氨酯发泡合成轨枕，由发泡聚氨酯树脂制成一体式的轨枕本体11，所述轨枕本体11内设有多层长纤维层，由于所述轨枕本体11是一体成型结构的，因此其整体强度更好，避免了现有的轨枕通过粘结制作方式所造成的在使用中错位引起的安全隐患，同时大大的降低了轨枕的生产成本。并且其综合性能远远优于目前的木质轨枕及合成轨枕，可广泛应用于铁路桥梁、重载铁路、普通铁路以及地铁轻轨的建设中。
其中如图1和图2所示，所述轨枕本体11为实心结构，其中所述轨枕本体11内一体成型有多层长纤维层，每一层所述长纤维层均包括多束长纤维111，多束所述长纤维111在同一水平面内间隔排布，通过设置长纤维层来提高所述轨枕本体11的结构强度，设置多层长纤维层能够进一步提高所述轨枕本体11的结构强度，由于所述长纤维层设有多层，且每层所述长纤维层均是由多束长纤维111间隔均匀排布的，这样整个所述轨枕本体11内就均匀分布有多束所述长纤维111，能够提高所述轨枕本体11结构的均匀性；可选地，如图1和图2所示，所述轨枕本体11呈长方体状，所述长纤维层沿所述轨枕本体11的长度防线均匀布设在所述轨枕本体11内；优选地，如图1和图2所示，所述长纤维111为玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维和钢纤维中的一种。进一步地，所述轨枕本体11相对两侧的外壁面和底壁面上固设有由硬质材料制成的保护层。所述保护层为frp板、塑料板、钢板或铝箔板，通过设置保护层能够进一步地保护所述轨枕本体11的表面，防止所述轨枕本体11出现破损、腐蚀、断裂的问题。
当然，在本申请中所述保护层也可以为纤维毡，所述纤维毡可以是设置一层，也可以是多层堆叠设置，其同样能够实现本申请的目的，其宗旨未脱离本发明的设计思想，应属于本发明的保护范围。
如图1和图2所示，所述长纤维层设有四层，相邻两层长纤维层之间的距离为1-10mm，所述轨枕本体11内包含所述长纤维111的重量为所述轨枕本体11重量的20-80％，当然本申请中相邻两层长纤维层之间的距离以及轨枕本体11内长纤维111的含量并不仅仅局限于上述数值；并且所述长纤维层的设置数量也并不仅仅限位四层，也可以是三层、五层、七层等等，其同样能够实现本申请的目的，其宗旨未脱离本申请的设计思想，应属于本申请的保护范围；优选地，在本申请的所述轨枕本体11内还设有至少一束短纤维(所述短纤维的长度小于所述轨枕本体的长度)，通过设置短纤维来进一步地提高轨枕本体11的结构强度，优选地所短纤维设有多束，多束短纤维在所述轨枕本体11内均匀排布，其中所述短纤维为玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维和钢纤维中的一种。
实施例二
如图3所示，本实施例提供了一种整体式纤维增强聚氨酯发泡合成轨枕的制备方法，其包括以下步骤：
s1，在模压设备内形成固定模腔；
s2，将多束长纤维111在固定模腔内的同一水平面中均匀间隔排布形成长纤维层；
s3，在所述固定模腔内由上至下设置多层长纤维层；
s4，将聚氨酯发泡树脂放入所述固定模腔内，将多层所述长纤维层均匀浸渍形成粗坯混合料；
s5，将步骤s4中固定模腔内的粗坯混合料在模压设备中固化成型，形成毛坯件112；
s6，将步骤s5中的毛坯件112按照预设长度切割形成轨枕成品1。
本实施例提供的轨枕制造方法，其制作效率高，成本大幅度的降低，而且制作的轨枕精度高，安全性高，有效的消除了通过粘结成型所带来的安全隐患，其综合性能要远远高于通过半成品粘结成型的合成轨枕，且其强度、抗疲劳性能、螺栓抗拔强度、抗剪切强度等，得到了大幅度的提高。
其中本实施例中，在步骤s1中所述模压设备为履带式层压机，所述履带式层压机上安装有挡块，所述挡块在所述履带式层压机内形成所述固定模腔，所述挡块的尺寸与待制造的轨枕的界面尺寸相同，或略大于所述轨枕截面的尺寸，这样在所述履带式层压机内形成所述固定模腔；当然在本申请中所述模压设备也可以是其他装置只要能够实现压合制造所述轨枕本体11的面对即可，其中在所述模压设备不为所述履带式层压机时，在所述模压设备上设置模具，然后在所述模具内形成所述固定模腔，其同样能够实现鄙视你申请的目的，其宗旨未脱离本发明的设计思想，应属于本发明的保护范围。
其中在步骤s3中，设置成相邻的两层长纤维层之间的距离为10mm-20mm为一层；然后在步骤s4中通过自动浸渍装置，将聚氨酯发泡树脂把纤维均匀浸透；让均匀浸渍聚氨酯发泡树脂的纤维，在履带式层压机固定模腔的或模压设备的固定模具内固化成型；将固化成型的纤维增强聚氨酯发泡合成轨枕按照长度尺寸切割，即可形成所述轨枕成品1。
通过本实施例提供的轨枕制造方法制造出来的一体式整体式纤维增强聚氨酯发泡合成轨枕的密度在600kg/m3-1400kg/m3之间连续可调；所述的整体式纤维增强聚氨酯发泡合成轨枕的厚度在50mm-300mm之间连续可调；宽度在200mm-400mm之间连续可调；长度任意可调；且所述的整体式纤维增强聚氨酯发泡合成轨枕中的纤维含量在20％-80％之间；所述的连续长纤维111，其所用纤维为玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、钢纤维等纤维中的任意一种；所述的整体式纤维增强聚氨酯发泡合成轨枕，其上下表面及侧面也可增加一层或多层连续纤维毡；所述的整体式纤维增强聚氨酯发泡合成轨枕，其上下表面及侧面也可增加一层硬质材料，如frp、塑料板、钢板、铝箔板等；所述的整体式纤维增强聚氨酯发泡合成轨枕，其成型工艺为一体成型；
本发明的整体式纤维增强聚氨酯发泡合成轨枕，具有如下优点：通过一体成型工艺，避免了产品通过粘结制作方式所造成的在使用中错位引起的安全隐患，同时大大的降低了产品的生产成本。并且其综合性能远远优于目前的木质轨枕及合成轨枕，，可广泛应用于铁路桥梁、重载铁路、普通铁路以及地铁轻轨的建设中。
如图1所示：此发明整体式纤维增强聚氨酯发泡合成轨枕，制作规格为3000×140×230mm，密度为800kg/m3的地铁用道岔轨枕。采用连续玻璃长纤维111及聚氨酯硬泡树脂，采用一体成型在履带式层压设备上制备合成轨枕。
其性能见表1。
表1一种发明高强度高抗剪切合成轨枕性能
实施例三
本实施例中主要是针对待制造轨枕尺寸过大的情况；其中当待制造的轨枕尺寸过大时，不能够一次压合成型，因此如图4所示，本实施例提供了一种整体式纤维增强聚氨酯发泡合成轨枕的制备方法，包括以下步骤：
s1，在模压设备内形成固定模腔；
s2，将多束长纤维111在固定模腔内的同一水平面中均匀间隔排布形成长纤维层；
s3，在所述固定模腔内由上至下设置多层长纤维层；
s4，将聚氨酯发泡树脂放入所述固定模腔内，将多层所述长纤维层均匀浸渍形成粗坯混合料；
s5，将步骤s4中固定模腔内的粗坯混合料在模压设备中固化成型，形成毛坯件112；
s6，重复步骤s1至s4；
s7，将步骤s5中的毛坯件112进行打磨，并将打磨后的毛坯件112放入步骤s6中的固定模腔内，聚氨酯发泡树脂、长纤维层和毛坯件112混合形成在固定模腔内形成混合固化料；
s8，重复步骤s7，直至混合固化料的截面尺寸等于预设的轨枕成品1的截面尺寸；
s9，将步骤s8中的混合固化料在模压设备中固化成型，形成粗坯；
s10，将步骤s9中的粗坯按照预设长度切割形成所述轨枕成品1。
即本实施例中的上述方法先制造出截面尺寸较小的轨枕毛坯件112，然后将毛坯件112在方式固定模腔内制造，这样能够更加有利于轨枕的成型，即实现了轨枕的一体成型，也能够克服大尺寸轨枕本体11不便于一体压合成型的问题。其中本实施例与实施例二中除了增加了轨枕制成毛坯件112然后继续合成轨枕的这些步骤外，其余的工艺、用材和制作要求与实施例二均相同。
如图2所示：此发明整体成型纤维增强聚氨酯硬泡合成轨枕，制作规格为3000×240×300mm，密度为1200kg/m3的桥梁轨枕。采用连续玻璃长纤维111及聚氨酯硬质泡沫。
其性能见表2。
表2一种发明高抗疲劳合成轨枕性能
综上所述，本发明提供的整体式纤维增强聚氨酯发泡合成轨枕，由发泡聚氨酯树脂制成一体式的轨枕本体11，所述轨枕本体11内设有多层长纤维层，由于所述轨枕本体11是一体成型结构的，因此其整体强度更好，避免了现有的轨枕通过粘结制作方式所造成的在使用中错位引起的安全隐患，同时大大的降低了轨枕的生产成本。并且其综合性能远远优于目前的木质轨枕及合成轨枕，可广泛应用于铁路桥梁、重载铁路、普通铁路以及地铁轻轨的建设中。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。