一种轨下垫板结构和制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及轨道交通领域，特别涉及一种轨下垫板的结构和制作方法。
技术背景
[0002]近年来轨道交通因其运量大、速度快、安全性高等优点得到了迅猛发展，带来便利的同时也产生了负面影响，尤为显著的是城市轨道交通列车运行过程中振动噪声对附近居民生活的影响。超标的振动噪声会影响居民的日常生活和休息，危害身心健康。
[0003]在轨道交通领域尤其是无砟轨道结构中，轨下弹性垫板位于钢轨与轨枕之间，用于均匀承载、绝缘和减振降噪等。早期的轨下垫板垂直刚度约为40-70kN/mm，振动和噪声控制效果并不理想。在城市轨道交通和人们生活质量高度发达的今天，人们对乘坐安全和舒适性提出了更高的要求，城市轨道交通系统面临着的减振降噪方面十分严峻的考验。大量工程实践告诉我们，随着使用时间的增加部分地段铺设的轨下垫板弹性呈大幅度衰减。经调查研究发现，轨道减振元件弹性衰减的主要原因是橡胶材料性能不稳定，长期承载于轮轨动态力作用下材料发生硬化现象，弹性随之衰减。而此时最行之有效的解决方法即为更换轨下垫板。为了改善并长久有效地维持良好的减振效果，同时考虑轨道结构全寿命周期经济成本，针对降低轨下垫板刚度、提高轨下垫板弹性和使用寿命的研究大量可见。有些研究偏重轨下垫板材料的改良，从而提高性能，如将传统的氯丁橡胶材料以弹性聚氨酯材料、热塑性聚酯弹性体材料，或高分子材料等代替。通过以上材料的合理选用和优化以达到轨下垫板的高韧性、高回弹性、优良的耐磨性、抗疲劳性和耐老化性。有些从轨下垫板几何结构优化的角度进行改良研究，从最初的平面板式结构，到垫板承载面设计凸起或下凹结构，上凸及凹槽结构可根据目标刚度合理设计为圆柱状、条状、块状、台状等结构形式。凸起或凹槽亦可为均匀分布或交错分布。有时采用上、下承载面对称设计上凸或下凹结构形式，而有时仅为单面凸起或下凹。通过以上的改型设计以达到降低刚度、提高弹性、节省材料等目的。
[0004]轨下垫板的改型研究具有重要的现实意义，采用经济有效的方法优化轨下垫板的几何特征，降低刚度提高回弹性能不仅有助于提高减振降噪效率，还可以延长轨下垫板的使用寿命，降低轨道系统全寿命期内局部大修次数，压缩维修成本，减少安全隐患，提高经济效益。市场需要一种新颖且优良的轨下垫板设计和制作方法，提高垫板的耐久性能和弹性性能。
[0005]图1、图2分别例举了一种具有凸起几何结构和凹槽结构的轨下垫板，二者均采用上、下承载面对称设计的几何形式，即图中第一主表面I和第二主表面2沿虚线所在平面对称。其中，虚线表示上、下弹性主体的光滑表面硫化处理后的粘结面。图1中，以虚线表示的硫化面为边界，上、下弹性主体的承载面(即第一主表面I和第二主表面2)均设计有圆柱形凸起结构，且两组凸起沿着硫化表面镜面对称。图2中，上、下主体的第一主表面I’和第二主表面2’均设计有条形凹槽结构，两表面沿硫化面镜像对称，凹槽结构横断面为小半径半圆形。以上述两种结构形式为代表的轨下垫板是现行使用的最常见形式，但轨下垫板产品的具体形式多样，不限于此。本专利将公开一种新式轨下垫板的设计和制作方法，利用该方法设计制作的轨下垫板在弹性特性和耐磨性能等方面优于传统结构形式的轨下垫板。
【发明内容】
[0006]本发明目的在于提供一种轨下垫板结构和制作方法，采用该方法制作的弹性垫板在额定轮载作用下内部应力分布合理，刚度低，预计可在不增加经济成本的前提下使减振降噪效果优于现有的传统轨下垫板结构形式，并使承载表面的耐磨性能得到改善，提高弹性垫板的使用寿命。根据本发明提出的设计方法制作的轨下垫板可用于城市轨道交通系统，并根据工程实际的弹性需求做不同程度的调整。
[0007]本发明的基本思路是，从结构优化角度，以现行使用的传统轨下垫板为原型，将上、下弹性主体承载表面设计有凸起(或凹槽)单元而底部平滑面对贴硫化为整体的结构形式修改为第一、第二主表面对贴硫化而平滑表面承载的几何结构。具体而言，本发明提供的轨下垫板的设计方法，以两块承载表面设计有凸起或凹槽结构的弹性元件为主体。现行使用的大多数轨下垫板，均采用将两块弹性主体的平滑表面进行化学处理，而上、下承载面的凸起或凹槽结构与钢轨和轨枕或扣件上铁板直接接触。弹性垫板上、下主表面的基本单元可为矩形、椭圆形或其它任意形状的凸起或凹槽。凡是上、下两弹性主体第一及第二主表面的凸起或凹槽单元保持一致且排列方式对称的轨下垫板，均适用于本发明提出的改良的设计方法。对于上、下弹性主体第一和第二承载表面不一致的弹性垫板不适用于本发明的改良方法；对于上、下弹性主体第一和第二主表面几何单元完全一致且组合形式镜像对称，而除此以外的其他几何特征有所不同的轨下垫板适用于本发明。
[0008]本发明的具体技术方案为:
一种轨下垫板结构，用于无砟轨道结构中，包括两块结构对称的第一弹性主体和第二弹性主体，所述第一弹性主体包括第一主表面和承载面，所述第二弹性主体包括第二主表面和承载面，在所述第一主表面和第二主表面上有结构一致的凸起或凹槽，并且第一主表面和第二主表面贴合固接，使轨下垫板结构为一整体结构。
[0009]所述第一主表面和第二主表面上有结构一致的凸起的结构单元包括但不限于长方体、圆柱体、椭圆柱体或各类柱体形状。
[0010]所述第一主表面和第二主表面上有结构一致的下凹的结构单元包括但不限于长方体、圆柱体、椭圆柱体、条形凹槽。
[0011]需要说明的是，第一主表面和第二主表面的几何单元可为上凸或是下凹结构，可为均匀分布亦或是不规则分布。其中凸起或下凹结构是为了增加自由膨胀面积，提高垫板弹性。
[0012]其中，对第一主表面和第二主表面上的凸起结构可以为柱状凸起或条形凸起，并不拘泥任何一种固定形式；下凹结构亦可谓柱状下凹或条形凹槽，几何单元也可为不固定形式。为了使垫板内部应力分布合理，可以对凸起或下凹的分布、高度以及其他尺寸进行调整使之达到最佳受力状态。
[0013]在上述方案基础上，两个弹性主体，第一主表面和第二主表以外的几何结构允许不一致，特别是指承载面的结构可以不一致。所述第一弹性主体的承载面为光滑或者有凸起或凹槽结构。所述第二弹性主体的承载面为光滑或者有凸起或凹槽结构。两个承载面的结构的可以一致，也可以不一致。
[0014]第一和第二弹性主体的材料既可是橡胶材料，亦可是聚氨酯材料、热塑性聚酯弹性体材料或其他高分子材料制成的弹性主体。只要能满足实际工程的强度要求，同时可以提供足够的弹性，均适用于本发明所述的设计和制作方法。
[0015]所述第一主表面和第二主表面上有结构一致的凸起或凹槽可为连续形式亦可为间断形式。
[0016]所述第一主表面和第二主表面上有结构一致的凸起或凹槽可沿钢轨延伸方向布置，也可垂直于轨向布置。
[0017]—种轨下垫板结构的制作方法，将第一弹性主体的第一主表面与第二弹性主体的第二主表面对贴，对各凸起单元或槽体单元接触表面进行化学处理，将两个弹性主体硫化为整体即可。两个弹性主体形成整体的化学处理方法可以为硫化，但不仅限于硫化。
[0018]本发明提出的设计制作方法，将两块弹性主体第一和第二主表面对贴，对各凸起单元或槽体单元接触表面进行化学处理，将两弹性主体硫化为整体；而原始的硫化表面此时修改为承载面，上方直接与钢轨接触，下方与扣件系统或轨枕承轨槽接触。上述制作过程仅为了描述本发明的主要设计思路，承载面不拘于光滑平面，亦可根据实际需要有所修改。
[0019]本发明的优越性还在于，采用本发明提出的设计制作方法能确保在不增加材料成本的前提下降低同类轨下垫板的刚度，优化弹性性能及元件内部应力分布，同时提高垫板上、下承载表面的耐磨性能及使用寿命。运用本说明改良后的垫板产品与其原型相比，虽然自由膨胀面积保持不变，但承载面积有所增加导致整个垫板形状系数增加。然而，这并不会降低轨下垫板的弹性；相反，垫板整体形状由长而薄的板状修改为块状，弹性体表征压缩模量有所下降，回弹性能反而有所改善。轨下垫板上、下弹性主体的光滑平面由硫化面转变为承载面，与铁轨和承轨槽直接接触，不仅有利于提高耐磨性能，还能够减少灰尘和雨水等日积月累残留于弹性垫板沟槽缝隙内，减少垫板损伤，延长垫板的使用寿命，降低了成本，更加经济实用。
【附图说明】
[0020]图1为现有技术中上、下弹性主体承载面设计凸起几何结构的轨下垫板示意图； 图2为现有技术中上、下弹性主体承载面设计凹槽结构的轨下垫板示意图；
图3A为以图1为原型改良的轨下垫板立体图；
图3B为图3A的侧视图；
图3C为图3A的正视图；
图4为图3A轨下垫板的制作过程；
图5为以图2为原型改良的轨下垫板立体图；
图6为截面为矩形的条形凹槽式轨下垫板立体图；
图7A为承载表面具有凹槽结构的改良轨下垫板立体图；
图7B为图7A的侧视图；
图8A为承载表面具有凸起结构的改良轨下垫板立体图；
图8B为图8A的侧视图；
图9为条形凹槽垂直于轨道延伸方向的轨下垫板示意图； 图10为内部设计有圆柱体凹槽结构的轨下垫板示意图；
图11为设计有矩形的弹性主体示意图；
图12为设计有椭圆形的弹性主体示意图；
图13为设计有大曲线花纹形的弹性主体示意图。
[0021]附图中标号说明:
1、I，第一主表面;
2、2’第—■主表面；
101、101’、102、102’