用于铁路路轨紧固组件的变径紧固件的制作方法

本发明涉及一种用于铁路路轨紧固组件的变径紧固件，具体地但非排他地，涉及在一种在紧固件的端部之间具有凸起部分的变径紧固件。

背景技术：

图1展示了可以应用本发明的铁路路轨紧固组件10。铁路路轨紧固组件10包括基板12，其在路轨13的下方延伸，并且被配置为容纳路轨两侧的铁路路轨紧固夹14。铁路路轨紧固组件10还包括一对紧固件30，例如螺柱、螺栓或螺钉。紧固件将基板12紧固至底层地基16，例如铁路枕木或平板。弹性垫片15和/或另外的板18可以设置在基板12和底层地基16之间。由基板12固定地保持的夹子14压在路轨13的路轨基部或根部17上。凭借夹子施加在基板12和路轨13上的力，夹子14将铁路路轨13固定至底层地基16。

在使用期间，基板12承受纵向载荷和横向载荷的组合。纵向载荷分量直接向下通过基板12和弹性垫片15传递到底层地基16中。相反，横向载荷通过以下组合传递到底层地基16中：(a)在铁路路轨紧固组件10的最下层和底层地基16的上表面之间的界面处的剪切力；和(b)通过用于固定基板12的紧固件30施加的横向力。

在基板12下方设置有弹性垫片15并且紧固件30穿过这种软质层的情况下，传递剪切力的能力潜在得更弱。在这种情况下，与不具有弹性垫片的情况相比，紧固件30可能需要占更大比重的横向载荷。因此，用于具有弹性垫片的铁路路轨紧固组件10的紧固件30可能需要较大的直径以承受较高的横向载荷。然而，这种较大的紧固件增加了所需的材料的数量，这又增加了紧固组件的重量和成本。由于在路轨长度上所需的紧固件数量可能很大，所以额外的成本可能很高。

技术实现要素：

根据本发明的一个方面，提供了一种用于铁路路轨紧固组件的变径紧固件，其中紧固件包括轴，轴的第一端被配置为置于底层地基中，轴的第二端被配置为与紧固组件接合，

其中，轴包括变径部分，该变径部分纵向延伸并且被设置在第一端和第二端之间，该变径部分具有沿着轴的纵向轴线变化的直径，使得该变径部分的外表面的至少一部分在包含轴的纵向轴线的平面中是凸起的，以限定轴的凸起部分或段。

因此，(例如，与等径的轴相比)可以减小轴的直径，从而节省材料。

横向载荷可以在凸起部分和第二端之间的位置施加在轴上。轴可以例如通过底层地基被固定在与第二端相对的凸起部分的开始处。

凸起部分的直径可以变化，使得在向紧固件施加横向载荷时，变径紧固件的横截面中的最大应力可以沿着凸起部分的长度基本或近似不变。凸起部分的直径可以变化，使得在施加横向载荷时，轴中的应力可以大于从凸起部分的开始处到施加横向载荷的位置的应力的线性减小。例如，凸起部分的直径可以变化，使得在施加横向载荷时，轴中的应力可以在恒定值和从凸起部分的开始处到施加横向载荷的位置的应力的线性减小之间。

轴可以具有，例如贯穿变径部分的基本圆形的横截面，。

随着轴向位置更靠近第二端，凸起部分的直径可以减小。

凸起部分的直径可以根据轴向位置以绝对梯度变化，该绝对梯度随着轴向位置更靠近第二端而变得更加陡峭。

凸起部分可以从(在最靠近第一端的点上)基本为零的梯度开始。在凸起部分之前(即在凸起部分更靠近第一端的一侧)可以是不凸起的另一部分。

凸起部分的直径可以根据轴向位置以绝对梯度变化，该绝对梯度在凸起部分可能最靠近轴的第一端的端部可以基本为零。凸起部分最靠近轴的第一端的端部可以基本平行于轴的纵向轴线。

凸起部分的直径可以(例如近似地或基本上)根据轴向位置以立方反比关系变化。

凸起部分的直径可以在轴向上以曲率半径大致恒定的曲率变化。

轴可以包括基本等径部分，该基本等径部分可以被设置在凸起部分和轴的第二端之间。等径部分可以与凸起部分相邻，例如直接相邻。

轴可以包括另外的基本等径部分，该另外的基本等径部分可以被设置在凸起部分和轴的第一端之间。另外的基本等径部分可以与凸起部分相邻，例如直接相邻。

轴可以包括凹入部分，该凹入部分可以设置在凸起部分和轴的第二端之间。凹入部分可以设置在凸起部分和等径部分之间。在轴的轴向上，凸起部分可以凹入部分长。

第二端可以包括用于容纳螺母的螺纹部分。

轴可以包括另外的凸起部分，该另外的凸起部分被设置在凸起部分和轴的第一端之间。另外的凸起部分的直径可以沿着轴的纵向轴线变化，使得另外的凸起部分的外表面可以在包含轴的纵向轴线的平面中凸起。随着轴向位置更靠近轴的第一端，另外的凸起部分的直径可以减小。

另外的凸起部分可以与凸起部分相邻，例如直接相邻。或者，另外的基本等径部分可以被设置在凸起部分和另外的凸起部分之间。

变径紧固件可以包括设置在轴的第一端的锚部分。锚可以被配置为将变径紧固件锚固在底层地基中。变径紧固件可以被投在底层地基中。锚可以被投在底层地基中并且可以将紧固件固定。

变径紧固件可以被配置为使得凸起部分从底层地基的顶层开始，并且凸起部分由此朝向第二端延伸。

变径紧固件可以包括在轴的第一端和第二端之间的最大直径。最大直径可以出现在凸起部分和另外的凸起部分之间。凸起部分可以从最大直径开始并且可以由此朝向轴的第二端延伸。

凸起部分的长度可以大于轴的第一端和第二端之间的距离的5％。凸起部分的长度可以大于轴的第一端和第二端之间的距离的10％。

凸起部分的长度可以大于20mm或30mm。凸起部分的长度可以大约为37mm。

紧固件组件可以包括上述变径紧固件和配合套筒。配合套筒可以具有与变径紧固件的凸起部分相对应的内凹表面。套筒还可以包括例如，与紧固件轴的等径部分相对应的内部等径部分。套筒可以包括内螺纹部分，该内螺纹部分用于接合变径紧固件上的对应螺纹。套筒的外径可以是基本上不变的。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于铁路路轨紧固组件的变径紧固件的套筒，其中该套筒包括：

圆柱形外表面；以及

通孔，其具有内表面，该内表面的至少一部分在包含该套筒的纵向轴线的平面中是凹入的，以限定该套筒的凹入部分。

凹入部分可以被配置为与，例如，如上所述的变径紧固件的凸起部分相对应并且相邻接。

套筒通孔还可以包括内部等径部分。套筒通孔还可以包括内螺纹部分，该内螺纹部分用于接合变径紧固件上的对应螺纹。

紧固件组件可以包括上述变径紧固件和上述套筒。

铁路路轨紧固组件可以包括上述变径紧固件或上述紧固件组件。铁路路轨紧固组件还可以包括底层地基。例如，变径紧固件可以被投入、拧进或以其他方式固定到底层地基中。

铁路路轨紧固组件还可以包括用于容纳路轨夹以将路轨下压的基板和/或锚固装置。

底层地基可以包括例如在路轨底板应用中使用的枕木或平板。底层地基可以由混凝土、水泥或任何其他合适的材料形成。

附图说明

现在参考附图，其中：

图1是展示根据本发明的实例的铁路路轨紧固组件的透视图；

图2是展示根据本发明的实例的铁路路轨紧固组件的截面透视图；

图3是展示根据本发明的实例的铁路路轨紧固组件的放大截面图；

图4是展示根据本发明的实例的铁路路轨紧固组件的截面图；

图5是展示根据本发明的实例的紧固件的轮廓的局部侧视截面图。

具体实施方式

参照图1、图2、图3和图4，根据本发明的实例的铁路路轨紧固组件10包括锚固装置，例如基板12。基板12可被配置为容纳一个或多个铁路路轨固定夹14，铁路路轨固定夹14对路轨13的基部或根部17施加压力。基板12又借助穿过基板12中的开口11的紧固件30，例如螺柱、螺栓或螺钉，连接到底层地基16，例如铁路枕木或平板。在所示的实例中，在路轨13的每一侧上各设置一对紧固件30。

基板12在路轨13的下方延伸，并被配置为在路轨的两侧容纳铁路路轨紧固夹14，然而，在替代的布置中，在路轨的两侧上可以设置相应的锚固装置。

可以在路轨13和基板12之间设置弹性路轨衬垫19。另外，在所示的实例中，在基板12和底层地基16之间设置了弹性垫片15和另外的板18，然而这些部件中的任一个或两个都可以省略。另外的板18可以用作间隔垫片。因此，如图4所示，另外的板的厚度和/或另外的板的数量可以变化，以调节基板12相对于底层地基18的高度。由于紧固件30可以分别穿过弹性垫片15和另外的板18中的开口，弹性垫片15和另外的板18可以牢固地定位在安装配置中。

夹子14可以被配置为使得其可以从非操作配置转变到至少一个操作配置，在操作配置中，夹子的尖端部分14a通过绝缘体22间接地对路轨施加压力。(在替代布置中，可以省略绝缘体，使得夹子直接地对路轨施加压力。)夹子的后跟部分14b可以被容纳在基板上的容纳部分21中。夹子14可以是弹性的并且可以由弹性材料的杆制成。

夹子14可以是沿着相对于路轨的纵向轴线的基本纵向方向插入以与基板12和路轨13接合的类型。然而，也可以设想其他类型的夹子，例如沿垂直于路轨的纵向轴线的方向插入的夹子。此外，尽管在图1至图3中示出了与相应的夹子配合的特定的锚固装置，但是可以设想的是，本发明可以应用于任何其他类型的锚固装置、夹子和/或无需夹子的锚固装置。

铁路路轨紧固组件10还可以包括一个或多个电绝缘耐磨件，例如上述绝缘体22。如上所述，绝缘体22可以在安装配置中压靠着轨道根部17。绝缘体22可以将路轨与夹子电绝缘和/或限制路轨和夹子之间的磨损。绝缘体22也可以在安装配置中定位在容纳部分21和轨道根部17之间，并且绝缘体22可以沿着容纳部分的宽度延伸。绝缘体22和/或路轨衬垫19可以将路轨与基板12电绝缘和/或限制路轨和基板之间的磨损。(为清楚起见，绝缘体22未在图4中示出。)

参照图2、图3、图4和图5，紧固件30包括轴32。轴的第一端32a被配置为置于底层地基16中，并且轴的第二端32b被配置为与紧固组件10接合。

在所示的具体实例中，紧固件30可以被投入底层地基16中。例如，紧固件30可以包括设置在轴的第一端部32a处的锚部分33。锚部分33可以被投入底层地基16中并且可以将紧固件30固定。锚部分33可以包括波浪形轮廓以增加对横向载荷的抵抗力并增加拔出阻力。轴的第一端32a可以以其他方式成形以实现类似的效果。

轴的第二端32b可以包括用于容纳螺母20的螺纹部分34。垫圈27可以紧挨螺母20设置，并且垫圈27可以与螺母20为一体或与其分离。垫圈27的表面可以接合弹簧23，该弹簧又压在设置在基板12上的开口11中的套环24上。弹簧23也可以直接压在基板12上并且套环24可以被省略。

轴32在第一端32a和第二端32b之间可以具有基本圆形的横截面。然而，横截面的直径可以沿着轴的至少一个纵向部分变化，以限定变径部分。特别地，轴32包括第一凸起部分35，在其上方，轴的外表面在轴的纵向方向上凸起。

随着轴32上的轴向位置更靠近第二端32b，第一凸起部分35的直径可以减小。特别地，第一凸起部分35的直径可以根据轴向位置以梯度变化，该梯度随着轴向位置更靠近第二端部32b而变得更加陡峭。如图所示，在第一凸起部分35的最靠近轴的第一端32a的一端，梯度可以基本为零。因此，第一凸起部分35的最靠近轴的第一端32a的一端，可以基本平行于轴32的纵向轴线29。

轴32可以包括在轴的第一端32a和第二端32b之间的最大直径。第一凸起部分35可以从最大直径开始，并可以由此朝向轴的第二端32b延伸。

第一凸起部分35可以在轴32的显著的纵向部分上延伸。例如，第一凸起部分35可以具有比紧固件长度的10％更大，例如为大约13％，的长度Lb。特别地，第一凸起部分35可以具有大约37mm的长度Lb。

轴32可以包括第一基本等径部分36，第一基本等径部分36可以设置在第一凸起部分35和轴的第二端32b之间。螺纹部分34可以设置在第一等径部分36上或第一等径部分36的端部。

轴32可以包括第二基本等径部分37，第二基本等径部分37可以设置在第一凸起部分35与轴的第一端32a之间。第二基本等径部分37可以与第一凸起部分35相邻，例如直接相邻。

如图2、图3和图4所示，第一凸起部分35可以从底层地基16的顶层16'开始，并且凸起部分由此朝向第二端延伸。换句话说，第一凸起部分35的最靠近轴的第一端32a的端部可以与底层地基顶层16'重合。然而，在替代布置中，紧固件30可以被定位(例如设定)在底层地基中的相对于顶层16'的不同的竖直位置。例如，底层地基顶层16'可以与第二等径部分37中的点相交。

轴32可以包括设置在第一凸起部分35与轴的第一端32a之间的第二凸起部分38。第二凸起部分38的直径可以沿着轴32的纵向轴线29变化，使得第二凸起部分的外表面可以在包含轴的纵向轴线的平面中凸起。以类似于第一凸起部分35的方式，第二凸起部分38的直径可以随着轴向位置更靠近轴的第一端32a而减小。特别地，第二凸起部分38的直径可以根据轴向位置以梯度变化，该梯度随着轴向位置更靠近第一端32a而变得更加陡峭。如图所示，在第二凸起部分35的最靠近轴的第二端32b的端部，即与第一凸起部分35相邻的一端，梯度可以基本为零。因此，第二凸起部分38的最靠近第一端35的一端，可以基本平行于轴32的纵向轴线29。

如图所示的，第二基本等径部分37可以被设置在第一凸起部分35与第二凸起部分38之间。可选地，在省略了第二等径部分37的情况下，第二凸起部分38可以紧邻第一凸起部分35。在任一种情况下，轴的最大直径都可以出现在第一凸起部分35和第二凸起部分38之间。

轴32可以包括第三基本等径部分39，其可以被设置在第二凸起部分38与轴的第一端32a之间。

轴32还可以包括第一凹入部分40，第一凹入部分40可以被设置在第一凸起部分35与第一等径部分36之间。类似地，轴32可以包括第二凹入部分41，第二凹入部分41可以被设置在第二凸起部分38和第三等径部分39之间的。正如凸起部分35、38，凹入部分40、41可以在轴纵向方向/平面上凹入。

凹入部分40、41可以从凸起部分35、38的梯度过渡到相邻的等径部分36、39。轴外表面的梯度上的这种平滑过渡可以有助于降低紧固件30中的应力集中。

凹入部分40、41中的每一个(在纵向方向上)弯曲的曲率半径都小于其相邻凸起部分35、38的曲率半径。而且，凸起部分35、38中的每一个在轴32的轴向上都可以比其相邻的凹入部分40、41长。

紧固件组件10还可以包括配合套筒50。配合套筒50具有通孔51，通孔51具有内表面52。内表面52的至少一部分在包含套筒的纵向轴线的平面中凹入，以限定套筒的凹入部分53。凹入部分53被配置为与紧固件30的第一凸起部分35在形状上相对应并且与第一凸起部分35邻接。

套筒的内表面52还可以包括与紧固件轴的等径部分36相对应的内部等径部分54。套筒的等径部分54的至少一部分可以包括内螺纹部分55，内螺纹部分55用于与紧固件上的螺纹部分34接合。

套筒50可以包括基本圆柱形的外表面56。因此，套筒50的外径可以沿着套筒的长度基本不变。

套筒50和紧固件30可以匹配，使得套筒50基本覆盖紧固件30的第一凸起部分35。紧固件30和套筒50的组合呈现出圆柱形的外表面，使得基板12相对于紧固件30的竖直位置可以改变而不影响紧固件30和基板开口11(或在套环24中的开口)之间的水平间隔。

现在参照图5，第一凸起部分35的直径d可以根据轴向位置x变化，特别是为了使紧固件所需的材料数量最小化。

施加到紧固件的最大横向力将为F0，并且组件可以被设计为使得这个力可以被施加在底层地基16的顶层16'上方的最大高度L0处。因此，在使用中可以被施加到紧固件上的最大弯矩M是：

M0＝F0.L0，

该弯矩出现在紧固件与底层地基顶层16'相交的位置。在最大弯矩的位置，紧固件上的应力σ0为：

σ0＝M0.r0/I0，

其中r0和I0分别是紧固件的半径和轴在底层地基的顶层处的横截面(绕垂直于纵向方向的轴线)的面积的二阶矩。

紧固件的材料选择为足够得强，该材料的疲劳强度以给定的安全系数大于σ0，因此当以循环方式向该材料施加这种程度的应力时，该材料可以继续使用。有效地，连同F0和L0一起,σ0在设计中成为另一个固定值(并且由紧固件在底层地基的顶层处的直径d0确定，该直径是可以适当选择的值)。

如果紧固件是圆柱形的，当从底层地基顶表面16'朝施加横向载荷F0的底层地基上方高度L0处推进紧固件时，弯矩将减小，因此弯曲应力将减小。在给定的位置，在底层地基16的顶表面上方的高度x处，圆柱形轴上的应力是：

σ＝M.r0/I0

＝F0.(L0-x).r0/I0。

当向上移动紧固件的轴时，弯矩和弯曲应力会以线性方式减小。

但是，这样会浪费材料。所需材料的数量可以通过提供如下紧固件来减少：该紧固件的应力大于由上述表达式确定的应力，例如当紧固件向上移动时应力基本保持不变。因此，安全系数可以保持恒定，但直径可能会改变。也就是说，

σ0＝F0.(L0-x).r/I，

其中，r和I现在是变量，而应力σ0是恒定的。事实上，r和I都与轴的直径d有关，因为：

R＝d/2，并且

I＝πd⁴/64。

这样，只有一个变量d，其代表在底层地基的顶层16'上方给定高度x的位置处所需的横截面的直径。将r和I用d替代，得到：

σ0＝F0.(L0-x).32/πd³。

这样，可以通过重新排列来将d与x联系起来：

d＝{F0.(L0-x)/π.σ0}^1/3。

经过回代和重新排列后，得到：

d/d0＝{(L0-x)/L0}^1/3,

其中d0是紧固件在底层地基顶层处的直径。

将其应用于x＝L0的情况，将导致期望的直径下降到零，这将是不切实际的。因此，应用另一个条件，即上述紧固件直径的变化仅适用于计算直径超过某个预定极值d1的情况。所以可以得到：

如果(d0.{(L0-x)/L0}^1/3>d1)，那么

d＝d0.{(L0-x)/L0}^1/3

否则

d＝d1，

其中d 1是紧固件在凸起部分35之后的，即在第一等径部分36处的直径。

因此，第一凸起部分35可以具有随着轴向距离变化的直径，该轴向距离使用上述方法来确定。换句话说，第一凸起部分35的直径可以根据轴向位置以立方反比关系变化。这种变化的形状由图5中的虚线35'表示。通过这样的直径变化，从上式可知，由横向载荷引起的应力可以沿着第一凸起部分35的长度基本恒定。

然而，为了提供与第二等径部分37的更平滑的过渡，第一凸起部分35的直径也可以以近似于上述的立方反比关系的形状变化。例如，第一凸起部分35的直径可以在轴向上以具有基本恒定的曲率半径的曲率变化。这种变化的形状由图5中的实线35”表示。例如，第一凸起部分35的外表面可以是曲率半径为Ra的弧形。曲率半径可以以与第一凸起部分35的开始一致的点为中心(例如，第一凸起部分35和第二等径部分37的相交位置)。因此，第一凸起部分35的梯度在与第二直径恒定部分37的交点处将为零，由此确保平滑地过渡。形状35”也可以比由立方反比关系产生的形状35'更容易制造。

如图5所示，由线35”形成的第一凸起部分35紧密地匹配由立方反比关系产生的线35'。可以选择曲率半径Ra来提供这样的紧密匹配。(曲率半径Ra也可以选择成使得紧固件的直径超过线35'所有点的直径。)由于这种紧密匹配，由横向载荷产生的在由线35”形成的第一凸起部分中的应力可以沿着第一凸起部分35的长度近似恒定。

在任何情况下，无论是第一凸起部分直径35'还是35'的变化，轴上的应力都可能大于由从凸起部分的开始到施加横向载荷的位置的应力的线性减少产生的应力。换句话说，应力得到了优化，以减少所需材料的数量。

如上所述，第一凸起部分35(无论其如何形成)可以借助于介入其中的第一凹入部分40过渡到第一等径部分36。如图5所示，第一凹入部分40可以具有曲率半径为Rb的弧形形状。曲率半径Rb可以以与第一等径部分36的开始对齐的点(例如，第一等径部分36和第一凹入部分40的相交位置)为中心。因此，第一凹入部分40的梯度在与第一直径恒定部分36的交点处将为零，由此确保平滑地过渡。可以选择曲率半径Rb以确保与第一凸起部分35的平滑过渡，例如在它们相交的位置具有匹配的梯度。

为了使紧固件30达到其最佳效果，紧固件定位(例如，设置)在底层地基16上的高度可以对应于设计所基于的高度。例如，第一凸起部分35可以从底层地基16的顶层16'开始。然而，在替代布置中，紧固件30可以被定位在底层地基上相对于顶层16'的不同竖直位置，例如底层地基顶层16'与第一凸起部分35的起始位置下方的点的相交位置。第二等径部分37的长度La可以被设定为适应这种变化。例如，第二等径部分37的长度La可以大约为5mm。

此外，由于例如另外的板18的不同厚度，紧固组件10的高度可以变化。因此，施加横向载荷的高度也可以变化。上述用于确定第一凸起部分35的形状的设计过程基于最大高度L0，横向载荷可以施加在该最大高度处。但实际上，横向载荷高度可能较低。在这种情况下，紧固件中的应力将低于横向载荷施加在最大高度处时的应力，并且安全系数将有效增加。