沿一平面不間斷接觸的鋼軌連接結構的製作方法

2023-05-14 09:09:56 3

專利名稱：沿一平面不間斷接觸的鋼軌連接結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種沿一平面不間斷接觸的鋼軌連接結構，更具體地說，涉及在軌道上運行的各種車輛，例如火車、有軌電車、城市輕軌列車等在行駛的過程中，能夠始終沿一平面勻速直線運動的鋼軌連接結構。
傳統的鋼軌連接結構在被連接的兩根鋼軌之間留置的橫向接縫，是根據單根鋼軌在常溫狀態下最大的膨脹值設計定的。這種貫通性橫向接縫的功能在於使軌道由熱運動形成的膨脹值能以單根鋼軌的形式沿長度方向內耗，從而確保軌道形變的幅度為零，而這種連接技術最直觀的缺陷則在於，沿著速度的方向，車輪的外圓周在兩根鋼軌之間的相互接觸是間斷的。
在沒有其它外力的作用下，當緊固螺栓通過內外夾板把兩根鋼軌連接在一起時，夾板與鋼軌相互作用的力大小相等，方向與夾板上下兩端跟鋼軌兩側接觸的斜面垂直，被連接的兩根鋼軌及夾板沿縱向處於平行狀態。但是，這種沒有其它外力作用下的靜止狀態並不等於說車輪在通過兩根鋼軌的連接部分時，能夠始終在相同的水平高度上與相向鋼軌的兩個端部交替接觸，或者說這種現有技術中沿橫向相互作用的力，已經滿足了使其總保持這種狀態的必備條件。因為結構在與車輪相互作用的過程中，承重鋼軌端部和非承重鋼軌端部分別施加給夾板的重力和支持力都是作用在斜面上的，重力和支持力分別指向了兩個不同的方向，因此這兩個力的合力並不為零。也就是說，現有技術中的兩塊夾板，實質上並不具備在兩根鋼軌之間等量傳遞重力的功能。所以，當車輪在通過兩根鋼軌的連接部分時，結構對重力構成的反作用力，是結構中相向鋼軌的兩個端部在不同的時間內分別單獨完成的，在同一時間內，被連接鋼軌的兩個端部沿著重力的方向做功的大小並不相同，或者更準確地說，在重力做功的過程中，承重鋼軌端部的末位置和非承重鋼軌端部的初位置，並不在相同的水平高度上。
上述現象說明，在這個古老的設計方案中，重力和支持力，根本就沒有按著力的平衡原理，大小相等、方向相反地作用在同一條直線上。由此可知，傳統間斷式鋼軌連接結構所存在的技術缺陷，並不僅僅在於車輪與鋼軌在長度方向上的接觸是間斷的，而且，沿著速度的方向，這種間斷性的接觸還無法維持在相同的水平高度上。撞擊作用就是車輪在運動的過程中與另一根鋼軌端部階梯性接觸的瞬間形成的。而把這種由無數次的撞擊對車速、耗能、噪聲、震動以及列車運行的安全性，穩定性，舒適性等諸多方面構成的負面影響簡單地歸咎於間斷性接觸，顯然是錯誤的。
而上述非平衡受力的設計缺陷，還普遍存在於「縱向不間斷接觸的鋼軌連接結構」以及其它仍採用夾板連接的，幾乎所有的現有技術中。因此，僅在結構的表面上形成了可與車輪不間斷接觸的承重部分，而無法使結構中不同的承重組成部分在所受重力或不受重力的情況下總保持在同一水平面上，任何形式的、旨在解決上述缺陷而付出的努力，都是徒勞的。
本發明的目的，就是為了同時解決現有技術存在的上述間斷性接觸和非平衡受力的兩種設計缺陷，提供一種新穎的，多點力共同作用的鋼軌連接結構，這種連接結構在豎直方向上能夠與車輪平衡受力，在長度方向上能夠與車輪始終沿一平面不間斷地接觸，消除了撞擊作用形成的兩種因素，同時也就從根本上消除了由上述缺陷而形成的各種弊端。
本發明的目的是由下列技術方案達到的一種軌道車輛行駛用的鋼軌連接結構，由鋼軌，內夾板，外夾板以及各種連接用的緊固件所組成，其特徵在於，上述鋼軌兩端的中部以及上述兩夾板相向的內側，分別形成了兩翼側向的凸起部分和用以容納上述凸起部分的側滑槽；而上述內(或外)夾板的頂部及上述鋼軌兩端部的同一個側面上，還分別形成了中央承重的凸起部分和用以容納上述凸起部分凹進部分，從而沿著重力和速度的不同方向，形成了兩翼側向凸起部分及側滑槽與車輪平衡受力、鋼軌的頂面及夾板的凸起部分與車輪始終沿一平面不間斷接觸的鋼軌連接結構。
下面，參照附圖詳細描述本發明的實施例，通過以下描述，將使本發明的種種優點以及與現有技術的區別變得更加清晰明了。附圖中

圖1是本發明的鋼軌連接結構的第一實施例的示意立體圖；圖2是本發明的鋼軌連接結構的第一實施例的外夾板內側的示意立體圖；圖3是本發明的鋼軌連接結構的第一實施例的鋼軌的示意立體圖，表示鋼軌兩端的結構形狀；圖4是本發明的鋼軌連接結構的第一實施例的內夾板外側的示意立體圖；圖5是本發明的第一實施例的鋼軌連接結構的橫斷面圖，表示結構中各部件的組合關係；圖6是本發明的鋼軌連接結構的第二實施例的鋼軌的示意立體圖，表示鋼軌兩端的結構形狀；圖7是本發明的鋼軌連接結構的第二實施例的內夾板外側的示意立體圖；圖8是本發明的第二實施例的鋼軌連接結構的橫斷面圖。
請參閱圖1，標號1表示本發明第一實施例中採用的經過改進的鋼軌，標號2表示本發明第一實施例中採用的連接上述鋼軌用的內夾板，標號5表示本發明第一實施例中採用的連接上述鋼軌用的外夾板，此外，還有連接用的緊固件圓頭螺栓4，彈簧墊3和六角螺母6，但這些部件都與現有技術相同，沒有改變。需要進一步說明的是，圖1所反映的是在結構中的內(或外)夾板上設置中央承重的凸起部分、在鋼軌兩端頂部的同一個側面上形成凹進部分的情形，如果在兩塊夾板上都設置凸起部分，並且在鋼軌兩端部的兩個側面上都形成凹進部分，那麼，上述兩塊夾板的結構形狀則完全相同，在應用過程中也就不存在內外之分了。
如圖1和圖3所示，上述鋼軌1兩端的中部，沿長度方向分別形成了能與夾板側滑槽相互配合的，長度為L，寬度為t，高度為h的兩翼側向的凸起部分；而上述鋼軌1兩端的頂部，在安裝內夾板的同一個側面上還分別形成了長度為l，寬度為T的凹進部分，用以容納上述夾板的中央承重凸起部分。上述鋼軌兩翼側向凸起部分和兩端凹進部分的橫斷面的結構形狀如圖5所示。
如圖1、圖2和圖4所示，上述內夾板2和外夾板5相向的中部，平行於原夾板內凹槽的長度方向，分別形成了寬度為t，高度為h，貫通性的內側滑槽，用以容納上述鋼軌的兩翼側向凸起部分；而上述內夾板2的頂面上，還上起形成了長度為B，寬度為T的、能與上述鋼軌兩端凹進部分相互配合的中央承重凸起部分。上述兩夾板側滑槽及內夾板中央承重凸起部分的橫斷面的結構形狀如圖5所示。
圖5是本發明的鋼軌連接結構的第一實施例中的兩根鋼軌相接部分的橫斷面圖，表示結構中各部件之間的組合關係。由圖5可見，當緊固螺栓通過內外夾板把兩根鋼軌連接在一起時，上述鋼軌兩翼側向的凸起部分以水平相反的方向容納在上述夾板的，兩個相向的側滑槽中；而上述內夾板的中央承重凸起部分則緊貼上述鋼軌兩端部的凹進部分，並且，其凸起部分的頂面與鋼軌的頂面齊平。
由圖1可見，本發明的鋼軌連接結構雖然在被連接的兩根鋼軌、以及鋼軌的凹進部分和夾板的凸起部分之間，仍留有可使軌道由熱運動形成的位移能以單根鋼軌的形式沿長度方向內耗的膨脹接縫，但是，傳統連接結構中貫通性的橫向接縫消除了，並且，在車輪凸緣與軌道形成擠壓或摩擦的最有效的範圍內，內夾板的凸起部分代替了那段間斷了的鋼軌及鋼軌的凹進部分，從而使車輪在行進中始終由鋼軌及夾板的凸起部分支撐著。上述技術特徵雖然與現有技術的相同，所要達到的目的也相同，但是，由於作用在結構中的力的大小和方向不同，上述相同的技術特徵所能達到的作用和效果卻截然不同，並且這種不同具備了實質性的改進，而不是顯而易見的。
由圖1或圖5可知，在本發明的鋼軌連接結構中，車輪施加給它的重力，是通過鋼軌兩翼側向凸起部分跟夾板側滑槽上下兩端相互作用時形成的支持力(或拉力)，沿著這兩個力的豎直方向在兩根鋼軌間相互傳遞的，重力和支持力(或拉力)的方向總是垂直於支持面而指向被壓或被支持的物體，它們都在同一條直線上。這樣，無論重力作用的質點是在夾板的中央承重凸起部分上，還是作用在該凸起部分兩端的鋼軌上，兩翼側向的凸起部分都能夠在同一時間內通過夾板的側滑槽，將重力等量地傳遞給結構的其它部分，並沿著相反的方向在質點兩端相等的範圍內獲得等量的支持力，從而使本發明的鋼軌連接結構中的夾板真正的具備了承受重力和傳遞重力的功能。
由圖1或圖5還可知，只有在重力介入的過程中，相向鋼軌的兩翼側向凸起部分與夾板的側滑槽才會發生相互作用的關係，從而在同一時間內形成等量支持力的，並且，車輪作用給結構的重力越大，結構對重力構成的反作用力也就越大，重力的大小恆定不變時，反作用力的大小也恆定不變，重力停止作用，結構對重力構成的反作用力也隨即消失，由此可以確定，在任意時刻，作用在結構中任意位置上的重力和支持力(或拉力)，其大小和方向都是恆定的，它們的大小相等，方向相反，彼此平衡。因此，本發明的連接結構在所受重力或不受重力的情況下，被連接的兩根鋼軌與內外夾板仍可在熱脹冷縮的過程中反方向運動，但在豎直方向上只能處於靜止狀態，即在豎直方向上沒有加速度，從而使得車輪在行進的過程中，能夠始終沿一水平面與結構中不同的承重部分不間斷地相互接觸。而結構中夾板與鋼軌沿橫向相互作用的力的大小和方向保持不變，不與重力發生相互作用的關係。這樣，結構中相互作用的力在水平和豎直兩個不同的方向上，同時滿足了使結構中不同的組成部分總保持靜止狀態的必備條件，從根本上消除了現有技術中間斷性接觸和非平衡受力的設計缺陷，達到了本發明所要達到的最終目的。
下面請參閱圖6至圖8，這幾個圖表示了本發明的第二實施例。在這個實施例中，除了鋼軌1』和內夾板2』的結構與第一實施例的不同之外，其餘構件的結構都與實施例1中的相同，並起相同的作用。
如圖6和圖8所示，實施例2中的鋼軌1』除了在兩端的頂部形成凹進部分以容納內夾板2』的凸起部分之外，還在上述凸起部分上形成了凸臺階D，在上述鋼軌兩端部凹進部分中形成了容納並與上述凸臺階D相互配合的凹臺階C，連接時，上述凸臺階D的底面靠壓在上述凹臺階C的頂面上。如圖7和圖8所示。
在本發明中的第一實施例中，夾板凸起部分所受的車輪施加給它的重力，是通過側滑槽直接傳遞給相鄰鋼軌兩翼側向凸起部分的，由於兩根鋼軌之間仍留有可供軌道熱脹冷縮用的膨脹接縫，因此，當車輪靠壓在某根鋼軌端部及夾板凸起部分的豎直方向時，結構中兩根鋼軌所受重力的大小，或者說兩根鋼軌對重力構成的反作用力的大小，仍然存在著微弱的差別。而在本發明第二實施例中，由於夾板的凸臺階能夠同時靠壓在上述鋼軌兩端部的、兩個凹臺階的頂面上，從而消除了實施例1中的不足，這樣，多點力的共同作用使得結構中的重力和支持力能夠始終處於絕對平衡狀態，並最大限度地加大了結構承重強度的絕對安全值。
此外，本發明中鋼軌兩端頂部的凹進部分，可以只形成在靠近車輪凸緣的軌道內側，也可以同時形成在結構的內外兩側，並在內外兩塊夾板上都設置中央承重的凸起部分，以適應不同的技術需求；還可以只在上述鋼軌兩端的中部及兩塊夾板相向的內側，分別形成相互配合的兩翼側向凸起部和側滑槽，而鋼軌及夾板的頂部則不必進行任何改造，從而形成另一種更加簡單易行的，平衡受力間斷式接觸的鋼連接結構，並可收到與上述兩方案基本相同的技術效果。而且，本發明的鋼軌連接結構還可僅以結構本身的形式單獨作為一種產品(即產品的總長度僅略大於夾板的長度)，仍以熔接的方式在平直軌道上對另一種現有技術，即現代無縫隙軌道(或稱超長鋼軌)進行改造，這樣，既可以消除這種軌道由熱運動形成的膨脹值大幅度縱向運動而在局部範圍內引發的，不規則的軌道形變對車速及行車安全構成的制約和影響，又可以最大限度地利用現有的鐵路設施，避免了資源的浪費。
另外，本發明附圖標記反映的尺寸，應根據鋼軌和夾板的型號來選擇，並且，鋼軌兩翼側向凸起部分的長度2L，應大於夾板的長度，以加大鋼軌兩端部本身的彈性強度；而上述夾板側滑槽的高度還應等於或略大於鋼軌兩翼側向凸起部分的高度，以便於安裝使用並減小兩者間的摩擦係數。對常用的鋼軌和與之相匹配的夾板，一般長度L可在400～500毫米的範圍內，寬度t可在15～20毫米的範圍內，高度h可在40～60毫米的範圍內；而鋼軌兩端頂部凹進部分的長度l和夾板中央承重凸起部分的長度B還應相互配合，並且B應大於或等於2l，以便在兩根鋼軌之間留出間隙。對於常用的鋼軌和與之相匹配的夾板，一般長度l在60～80毫米的範圍內，B在120～160毫米的範圍內，寬度T在15～30毫米的範圍內。此外，本發明的第二實施例中的鋼軌兩端凹臺階C和夾板凸臺階D的高度h』可在20～25毫米的範圍內，寬度t』在5～10毫米的範圍內。
綜上所述，由於本發明的鋼軌連接結構在充分保障原設計方案中夾板與鋼軌相互作用的、力的大小和方向都不變的情況下，還按著力的平衡原理，將重力和支持力大小相等，方向相反地作用在了同一條直線上。這樣，就從根本上消除了傳統間斷式鋼軌連接結構以及其它仍採用夾板連接的現有技術中共有的，間斷性接觸和非平衡受力的設計缺陷，從而使得結構中不同的承重組成部分能夠始終沿一水平面與車輪不間斷地相互接觸。又由於本發明還保留了可使軌道由熱運動形成的位移，仍以單根鋼軌的形式沿長度方向內耗的功能，這樣，本發明在消除了上述缺陷的同時，還從根本上消除了以熔接的方式接連而成的，現代無縫隙軌道因鋼軌膨脹係數、軌道形變幅度以及外界自然溫度等多種確定或不確定因素分別對車速及行車安全構成的制約或影響，並最終使軌道車輛的行進過程真正的達到或實現了始終沿一光滑的平面勻速直線運動的理想狀態，因此可使列車運行得更快捷、更安全、更加平穩舒適，節能環保。同時，由於本發明只改進了鋼軌端部和夾板的結構，原有的路基、枕木、電氣化設施，甚至連最近幾年在平直軌道上剛剛投入使用的重軌都可以在改造中重新利用，所以，有利於節約能源和保護環境，改造所需投資少，可節約大量資金。
權利要求
1.一種軌道車輛行駛用的鋼軌連接結構，由鋼軌、內夾板，外夾板以及各種連接用的緊固件所組成，其特徵在於，上述鋼軌兩端的中部以及上述夾板相向的內側，分別形成了兩翼側向的凸起部分和用以容納上述凸起部分的側滑槽；而在上述內(或外)夾板的頂部及上述鋼軌兩端部的同一個側面上，還分別形成了中央承重的凸起部分和用以容納上述凸起部分的凹進部分，從而沿著重力和速度的不同方向，形成了兩翼側向凸起部分及側滑槽與車輪平衡受力、鋼軌及夾板的凸起部分與車輪始終沿一平面不間斷接觸的鋼軌連接結構。
2.如權利要求1所述的鋼軌連接結構，其特徵在於，上述具有中央承重凸起部分的夾板應用在軌道與車輪凸緣相鄰的內側。
3.如權利要求1或者2所述的鋼軌連接結構，其特徵在於，上述鋼軌兩翼側向凸起部分的長度L在400～500毫米的範圍內，上述夾板側滑槽及鋼軌兩翼側向凸起部分的寬度t在15～20毫米的範圍內，高度h在40～60毫米的範圍內；而上述鋼軌兩端凹進部分及夾板中央承重凸起部分的長度l在60～80毫米的範圍內，B在120～160毫米的範圍內，寬度T在15～30毫米的範圍內。
4.如權利要求1或2所述的鋼軌連接結構，其特徵在於，在上述鋼軌兩端部的凹進部分中形成了凹臺階C，而在上述內夾板的中央承重起部分上還形成了能與上述凹臺階C相互配合的凸臺階D，上述凸臺階D的底面靠壓在上凹臺階C的頂面上。
5.如權利要求4所述的鋼軌連接結構，其特徵在於，上述凹臺階C與凸臺階D的高度尺寸h』在20～25毫米的範圍內，寬度t』在5～10毫米的範圍內。
全文摘要
本發明提供了一種軌道車輛行駛用的鋼軌連接結構，這種結構在鋼軌兩端及內外夾板相向的中部，分別形成了用以在兩根鋼軌之間等量傳遞重力的兩翼側向凸起部分和側滑槽；而在內夾板的頂部及鋼軌兩端部的同一個側面上，還分別形成了中央承重的凸起部分和用以容納上述凸起部分的凹進部分，從而使軌道車輛進行中能始終沿一水平面勻速直線運動。消除了傳統連接結構由非平衡受力和間斷性接觸而形成的撞擊、以及現代無縫隙軌道由熱運動而形成的不規則形變分別對車速及行車安全構成的負面影響。實施這種結構能大幅度提高車速，有利於節約能源消耗和保護環境，投資少，成本低。
文檔編號E01B11/00GK1687524SQ200510063699
公開日2005年10月26日 申請日期2005年3月30日 優先權日2005年3月30日
發明者鍾國柱 申請人:鍾國柱