CN109895420A - 一种一体式复合材料轨枕及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种一体式复合材料轨枕及其制造方法。所述复合材料轨枕中含有纤维，所述复合材料轨枕的密度在所述复合材料轨枕的径向方向上从内到外增加，并且所述复合材料轨枕的密度的增加通过使所述复合材料轨枕中的纤维的纤维含量在所述复合材料轨枕的径向方向上从内到外增加来实现。本申请的一体式复合材料轨枕的表层强度高，而且轨枕表面的集中载荷能够得到有效分散，从而避免表层完好、内部损伤的问题，延长轨枕的使用寿命。
Description
技术领域
本申请涉及但不限于轨道交通设备技术领域，尤其涉及但不限于一种一体式复合材料轨枕及其制造方法。
背景技术
在铁路系统，轨枕是传递载荷、稳固轨道的重要部件之一。轨枕的技术水平及质量优劣，直接影响了铁路轨道的设计与运行安全。
目前，铁路设计常用的轨枕为木质轨枕和混凝土轨枕。这两类轨枕存在诸多不足，如木质轨枕易腐蚀、寿命短、原料资源紧缺等；混凝土轨枕重量大、易碎裂、阻尼效果差等。面对传统材料存在的问题，新型的复合材料合成轨枕被开发应用，其中应用突出的一类为纤维增强高分子泡沫复合材料合成轨枕。该类型复合材料制成的合成轨枕具有密度低、强度高、不吸水、耐老化腐蚀等诸多优点，重要的是具有等同于木材的加工性能，便于工程设计、现场施工及应用维护。
申请号为CN200810140888.3的中国专利公开了一种合成枕木的配方及连续成型工艺。此类型合成轨枕在应用中，上表面常出现被扣件压溃的现象，下表面也常有被道砟或其他硬物压挤受损的问题，导致轨枕寿命缩短。出现此类问题的原因是轨枕密度较低，保持了重量轻的优点，但在承受均布集中载荷时，易受损破坏。如果提高轨枕密度，轨枕重量会增大，不利于产品应用。有报道指出，可在合成轨枕表面增加保护层，但此类保护层多通过二次粘接的方式设置在轨枕表面，存在应力集中的问题，有脱落的风险。另外，增加的保护层与轨枕本体密度差异明显，当集中载荷传递到轨枕本体时，仍有应力集中的现象，导致表层完好、内部损伤的问题，不能完全保证轨枕长期使用。因此，具有保护层的合成轨枕还未见有实际应用。
发明内容
本申请提供了一种一体式复合材料轨枕及其制造方法，解决了合成轨枕表层强度差、易损伤的问题。
具体地，本申请提供了一种一体式复合材料轨枕，所述复合材料轨枕中含有纤维，所述复合材料轨枕的密度在所述复合材料轨枕的径向方向上从内到外增加，并且所述复合材料轨枕的密度的增加通过使所述复合材料轨枕中的纤维的纤维含量在所述复合材料轨枕的径向方向上从内到外增加来实现。
在本申请实施例中，所述复合材料轨枕可以包括过渡层，所述过渡层中的纤维在所述复合材料轨枕的径向方向上从内到外可以按由第一纤维含量增加至第二纤维含量的形式分布。
在本申请实施例中，所述过渡层中的纤维在所述复合材料轨枕的径向方向上从内到外可以按由第一纤维含量线性增加至第二纤维含量的形式分布。
在本申请实施例中，所述第一纤维含量可以按照公式I线性增加至所述第二纤维含量，公式I为：
y1＝k1x+b1
式中，y1为待测点的纤维含量，单位为％；
x为待测点与过渡层的内边缘之间的距离，单位为m；
k1为纤维含量增长率，为非负数，单位为1/m；
b1在2％-25％范围内。
在本申请实施例中，所述过渡层的密度可以按照公式II线性增加，公式II为：
y2＝k2x+b2
式中，y2为待测点的密度，单位为kg/m3；
x为待测点与过渡层的内边缘之间的距离，单位为m；
k2为过渡层的密度增长率，为非负数，单位为kg/m4；
b2在100-1200范围内，单位为kg/m3。
在本申请实施例中，所述复合材料轨枕还可以包括第一密度层和/或第二密度层，所述第一密度层设置在所述过渡层的靠近所述复合材料轨枕中心的一侧，所述第二密度层设置在所述过渡层的远离所述复合材料轨枕中心的一侧，并且所述第一密度层中的纤维按第一纤维含量均匀地分布，所述第二密度层中的纤维按第二纤维含量均匀地分布。
在本申请实施例中，所述复合材料轨枕在径向方向上从内到外可以依次包括所述第一密度层和所述过渡层。所述第一密度层的厚度可以为所述复合材料轨枕的高度的1/10-9/10，剩余为所述过渡层。
在本申请实施例中，所述复合材料轨枕在径向方向上从内到外可以依次包括所述过渡层和所述第二密度层。所述过渡层的厚度可以为所述复合材料轨枕的高度的6/50-49/50，剩余为所述第二密度层。
在本申请实施例中，所述复合材料轨枕在径向的方向上从内到外可以依次包括所述第一密度层、所述过渡层和所述第二密度层。所述第一密度层的厚度可以为所述复合材料轨枕的高度的1/10-9/10，所述过渡层的厚度可以为所述复合材料轨枕的高度的1/100-22/50，剩余为所述第二密度层。
在本申请实施例中，所述复合材料轨枕在径向方向上从内到外可以依次包括第一密度层、过渡层和第二密度层，所述第一密度层中的纤维按第一纤维含量均匀地分布，所述第二密度层中的纤维按第二纤维含量均匀地分布，所述过渡层中的纤维按第三纤维含量均匀地分布，所述第一纤维含量＜所述第三纤维含量＜所述第二纤维含量。
在本申请实施例中，所述第一纤维含量可以为2％-25％，所述第二纤维含量可以为17％-60％。
在本申请实施例中，所述第一密度层的密度可以为100kg/m3-1200kg/m3，所述第二密度层的密度可以为500kg/m3-1900kg/m3。
本申请还提供了如上所述的一体式复合材料轨枕的制造方法，所述方法包括：
根据期望得到的复合材料轨枕的密度，计算得到纤维在所述复合材料轨枕中的纤维含量，并换算得到纤维在纤维排布架上的纤维含量；
根据纤维在纤维排布架上的纤维含量，将纤维排布在纤维排布架上，使纤维穿过排纱板进行预分布排纱；
将穿过所述排纱板的纤维牵引至浸渍设备，使树脂基体材料浸渍所述纤维；以及
将浸渍有树脂基体材料的纤维进行成型，得到所述一体式复合材料轨枕。
在本申请实施例中，所述将纤维排布在纤维排布架上可以包括：
任选地，将形成第一密度层的纤维均匀地排布在所述纤维排布架上；
在形成所述第一密度层的纤维的外周，将形成过渡层的纤维排布在所述纤维排布架上；
任选地，在形成所述过渡层的纤维的外周，将形成第二密度层的纤维均匀地排布在所述纤维排布架上。
本申请的复合材料轨枕采用特定的纤维排布方式——使所述复合材料轨枕中纤维的纤维含量在所述复合材料轨枕的径向方向上从内到外增加，使得所述复合材料轨枕的密度由内部的低密度逐渐增加至表层的高密度，不仅增强了表层的强度，还使表面的集中载荷得到了有效分散，从而避免表层完好、内部损伤的问题，延长了轨枕的使用寿命。
本申请的复合材料轨枕采用一体成型的方式制造得到，属于一体式的轨枕，避免了轨枕二次粘接存在的脱落风险。
本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本申请技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。
图1为本申请实施例的复合材料轨枕的横截面示意图。
图2为本申请实施例的复合材料轨枕的制造过程的示意图。
图3为申请实施例的一次纤维排纱板的结构示意图。
图4为申请实施例的二次纤维排纱板的结构示意图。
图中的附图标记为：
10-复合材料轨枕 11-第一密度层
12-过渡层 13-第二密度层
14-纤维 15-树脂
21-纤维排布架 22-纤维织物架
23-纤维排纱板 231-一次纤维排纱板
2311-一次排纱板排纱孔 2312-一次排纱板支架
232-二次纤维排纱板 2321-二次排纱板排纱孔
2322-二次排纱板支架 24-浸渍设备
25-成型设备 26-锯切设备
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本申请的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
本申请提供了一种一体式复合材料轨枕，所述复合材料轨枕中含有纤维，所述复合材料轨枕的密度在所述复合材料轨枕的径向方向上从内到外增加，并且所述复合材料轨枕的密度的增加通过使所述复合材料轨枕中的纤维的纤维含量在所述复合材料轨枕的径向方向上从内到外增加来实现。
在本申请中，术语“复合材料轨枕”定义为由纤维和树脂基体材料形成的合成轨枕。
在本申请中，术语“轨枕的径向方向”定义为在垂直于轨枕的长度方向的横截面上，从横截面的中心(即方形横截面的对角线的交点)出发指向横截面的边缘的方向。
应当理解，在本申请中，“轨枕的密度”指的是局部轨枕的密度，可以通过局部轨枕的质量/局部轨枕的体积计算得到，因此“轨枕的密度”可以在所述复合材料轨枕的径向方向上从内到外增加。
在本申请中，术语“纤维含量”定义为轨枕单位体积内的纤维的体积占轨枕单位体积的百分比。
在本申请中，有变化的轨枕的密度和纤维含量均是基于1mm3-1cm3的单位体积而言。
在本申请实施例中，所述复合材料轨枕可以包括过渡层，所述过渡层中的纤维在所述复合材料轨枕的径向方向上从内到外可以按由第一纤维含量增加至第二纤维含量的形式分布。
在本申请实施例中，所述过渡层中的纤维在所述复合材料轨枕的径向方向上从内到外可以按由第一纤维含量线性增加至第二纤维含量的形式分布。
应当理解，除了线性增加的方式，从第一纤维含量增加至第二纤维含量时还可以采用其他方式，例如，指数增加、对数增加、按照抛物线中逐渐上升的部分增加或按照双曲线中逐渐上升的部分增等。
在本申请实施例中，所述第一纤维含量可以按照公式I线性增加至所述第二纤维含量，公式I为：
y1＝k1x+b1
式中，y1为待测点的纤维含量，单位为％；
x为待测点与过渡层的内边缘之间的距离，单位为m；
k1为纤维含量增长率，为非负数，单位为1/m；
b1在2％-25％范围内。
当复合材料轨枕包括第一密度层时，所述过渡层的内边缘位于过渡层与第一密度层的交界处；当复合材料轨枕不包括第一密度层时，所述过渡层的内边缘为复合材料轨枕的中心。
在本申请实施例中，所述过渡层的密度可以按照公式II线性增加，公式II为：
y2＝k2x+b2
式中，y2为待测点的密度，单位为kg/m3；
x为待测点与过渡层的内边缘之间的距离，单位为m；
k2为过渡层的密度增长率，为非负数，单位为kg/m4；
b2在100-1200范围内，单位为kg/m3。
在本申请实施例中，所述复合材料轨枕还可以包括第一密度层和/或第二密度层，所述第一密度层设置在所述过渡层的靠近所述复合材料轨枕中心的一侧，所述第二密度层设置在所述过渡层的远离所述复合材料轨枕中心的一侧，并且所述第一密度层中的纤维按第一纤维含量均匀地分布，所述第二密度层中的纤维按第二纤维含量均匀地分布。
在本申请实施例中，所述复合材料轨枕在径向方向上从内到外可以依次包括所述第一密度层和所述过渡层。所述第一密度层的厚度可以为所述复合材料轨枕的高度的1/10-9/10，剩余为所述过渡层。
在本申请实施例中，所述复合材料轨枕在径向方向上从内到外可以依次包括所述过渡层和所述第二密度层。所述过渡层的厚度可以为所述复合材料轨枕的高度的6/50-49/50，剩余为所述第二密度层。
在本申请实施例中，如图1所示，所述复合材料轨枕10在径向方向上从内到外可以依次包括所述第一密度层11、所述过渡层12和所述第二密度层13。所述第一密度层11的厚度可以为所述复合材料轨枕10的高度的1/10-9/10，所述过渡层12的厚度可以为所述复合材料轨枕10的高度的1/100-22/50，剩余为所述第二密度层13。在本实施例中，所述过渡层12和所述第二密度层13依次围绕在所述第一密度层11四周，此时，所述过渡层12和所述第二密度层13的横截面呈环形，所述过渡层12的厚度指的是围绕在所述第一密度层11一侧的过渡层12的厚度。在其他实施例中，横截面呈环形的过渡层和第二密度层的厚度与此处的定义相同。
在本申请的施例中，所述复合材料轨枕在径向方向上从内到外可以依次包括第一密度层、过渡层和第二密度层，所述第一密度层中的纤维按第一纤维含量均匀地分布，所述第二密度层中的纤维按第二纤维含量均匀地分布，所述过渡层中的纤维按第三纤维含量均匀地分布，所述第一纤维含量＜所述第三纤维含量＜所述第二纤维含量。所述第一密度层的厚度可以为所述复合材料轨枕的高度的1/10-9/10，所述过渡层的厚度可以为所述复合材料轨枕的高度的1/50-44/50，所述第二密度层的厚度可以为所述复合材料轨枕的高度的1/50-40/50。
在本申请实施例中，所述第一密度层的密度可以为100kg/m3-1200kg/m3(可以通过所述第一密度层的质量/所述第一密度层的体积计算得到)，所述第二密度层的密度可以为500kg/m3-1900kg/m3(可以通过所述第二密度层的质量/所述第二密度层的体积计算得到)。
本申请实施例还提供了如上所述的复合材料轨枕的制造方法，所述方法包括：
根据期望得到的复合材料轨枕的密度，计算得到纤维在所述复合材料轨枕中的纤维含量，并换算得到纤维在纤维排布架上的纤维含量；
根据纤维在纤维排布架上的纤维含量，将纤维排布在纤维排布架上，使纤维穿过排纱板进行预分布排纱；
将穿过所述排纱板的纤维牵引至浸渍设备，使树脂基体材料浸渍所述纤维；以及
将浸渍有树脂基体材料的纤维进行成型，得到所述复合材料轨枕。
本申请实施例的复合材料轨枕制造方法采用一体成型的方式，避免了轨枕二次粘接存在的脱落风险。
在本申请实施例中，如图2所示，所述方法可以包括：
根据期望得到的复合材料轨枕的密度，计算得到纤维14在所述复合材料轨枕中的纤维含量，并换算得到纤维在纤维排布架上的纤维含量；
将形成过渡层的纤维14排布在纤维排布架21上，使纤维14穿过排纱板23进行预分布排纱；
将穿过所述排纱板23的纤维14牵引至浸渍设备24，使树脂基体材料15浸渍所述纤维14；和
将浸渍有树脂基体材料15的纤维14送入成型设备25进行发泡和固化，完成成型；
采用锯切设备26将成型后的轨枕半成品切割成期望的尺寸，得到复合材料轨枕10。
在本申请实施例中，所述方法还可以包括：在将形成所述过渡层的纤维14排布在纤维排布架21上之前，将形成第一密度层的纤维14均匀地排布在所述纤维排布架21上，然后在形成所述第一密度层的纤维14的外周，将形成所述过渡层的纤维14排布在所述纤维排布架21上。
在本申请实施例中，所述方法还可以包括：在将形成所述过渡层的纤维14排布在纤维排布架21上之后，在使纤维14穿过排纱板23进行预分布排纱之前，在所述过渡层的纤维14的外周，将形成所述第二密度层的纤维14均匀地排布在所述纤维排布架21上。
在排纱板23上，纤维束会根据轨枕的密度分布情况，进行预分布排纱。排纱板23相当于一个尺寸放大的轨枕横截面，排纱板23的孔分布与轨枕中纤维的分布相同。不同的是，为了便于制造过程中纤维束排纱，排纱板23上纤维孔之间的距离要比纤维束在轨枕中的实际距离大。根据生产线的差异，一般排纱板23上纤维孔之间的距离约为纤维束在轨枕中的实际距离的5-20倍。如果轨枕中相邻两纤维束之间的距离为3mm，其在排纱板上对应的纤维孔之间的距离为15mm-60mm(由3mm×(5-20倍)得到)。生产时，当第一纤维含量、第二纤维含量(和第三纤维含量)确定后，可以根据排纱板23上纤维孔之间的距离与纤维束在轨枕中的实际距离的倍数，计算得到纤维在排纱板23和纤维排布架21上的纤维含量，然后按照计算结果将纤维排布在纤维排布架21上。
如图3和4所示，排纱板23包括一次纤维排纱板231(包括一次排纱板排纱孔2311和一次排纱板支架2312)和二次纤维排纱板232(包括二次排纱板排纱孔2321和二次排纱板支架2322)。二次纤维排纱板232的尺寸和其上的纤维孔之间的距离均小于一次纤维排纱板231，例如，二次纤维排纱板232上的纤维孔之间的距离可以为纤维束在轨枕中的实际距离的2-10倍。但该二次纤维排纱板232上纤维孔之间的距离与纤维束在轨枕中的实际距离之间的倍数是一定的，一次纤维排纱板231上纤维孔之间的距离与纤维束在轨枕中的实际距离之间的倍数也是一定的，如此才能得到所设计的轨枕密度。
在其他实施例中，排纱板23可以不包括二次纤维排纱板232，或者包括二次纤维排纱板232和三次纤维排纱板、四次纤维排纱板等。二次纤维排纱板232、三次纤维排纱板和四次纤维排纱板等可以设置在一次纤维排纱板231与浸渍设备24之间。
在本申请实施例中，所述树脂基体材料可以包括聚醚多元醇A、聚醚多元醇B、聚醚多元醇C、偶联剂、催化剂、泡沫稳定剂、发泡剂、阻燃剂、抗氧剂、光稳定剂和异氰酸酯，所述树脂基体材料的各组分和所述纤维的重量比例可以为：
在本申请实施例中，所述聚醚多元醇A的官能度可以为4-6，且其羟值可以为200-800；
所述聚醚多元醇B的官能度可以为2-4，且其羟值可以为50-800；
所述聚醚多元醇C的官能度可以为2-3，且其羟值可以为50-500。
在本申请实施例中，所述偶联剂的官能度可以为1-4。
在本申请实施例中，所述聚醚多元醇A、聚醚多元醇B和聚醚多元醇C，各自独立地可以通过采用山梨醇、蔗糖、木糖醇、1，2-丙二醇、乙二醇、二甘醇、1，4-丁二醇、新戊二醇、丙三醇、三羟甲基丙烷、乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、乙二胺、甲苯二胺、亚甲基二苯胺和季戊四醇中的一种或多种的组合作为起始剂，并与环氧丙烷聚合得到，或与环氧丙烷及环氧乙烷共聚得到(其中，环氧丙烷的含量大于环氧乙烷的含量)。
在本申请实施例中，所述偶联剂可以为含氨基的硅烷偶联剂、含环氧基的硅烷偶联剂、含疏基的硅烷偶联剂、和含异氰酸酯基的硅烷偶联剂中的一种或多种；所述含氨基的硅烷偶联剂可以是γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550)、γ-氨丙基三氧甲基硅烷(KH-540)、N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷(KH-792)、或N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH-552)等；所述含环氧基的硅烷偶联剂可以是γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH560)、β-(3，4-环氧环己基)乙基三甲氧基硅烷(KH-566)、或γ-缩水甘油醚氧丙基三乙氧基硅烷(KH-561)等；所述含疏基的硅烷偶联剂可以是γ-疏基丙基三甲氧基硅烷(KH-590)、或γ-疏基丙基三乙氧基硅烷(KH-580)等；所述含异氰酸酯基的硅烷偶联剂可以是γ-异氰酸酯丙基三甲氧基硅烷(Siquest A-Link 35)、或γ-异氰酸酯丙基三乙氧基硅烷(Siquest A-Link 25)等。
在本申请实施例中，所述催化剂可以为叔胺催化剂和有机金属催化剂等中的一种或多种；所述叔胺催化剂可以是三亚乙基二胺、酸封闭的三亚乙基二胺、三甲基-N-2-羟丙基己酸(TMR)、酸封闭的TMR(如TMR-2、TMR-3、TMR-4等)、N,N-二甲基环己胺、或N-甲基二环己胺等；所述有机金属催化剂可以是二月桂酸二丁基锡、或异辛酸钾等。
在本申请实施例中，所述泡沫稳定剂可以为有机硅化合物，所述有机硅化合物可以为B8404、B8407、B8409、B8423和B8433中的一种或多种。
在本申请实施例中，所述发泡剂可以为物理发泡剂或化学发泡剂，所述物理发泡剂可以是141b、环戊烷、戊烷、五氟丙烷(245fa)、或1,1,1,3,3-五氟丁烷(365mfc)等；所述化学发泡剂是水做发泡剂。
在本申请实施例中，所述阻燃剂可以为卤代磷酸酯添加型阻燃剂、磷酸酯类添加型阻燃剂、和卤代烃及其他含卤素添加型阻燃剂中的一种或多种；所述卤代磷酸酯添加型阻燃剂可以为三(2-氯乙基)磷酸酯(TCEP)、三(2-氯丙基)磷酸酯TCPP、或三(二氯丙基)磷酸酯TDCP等；所述磷酸酯类添加型阻燃剂可以是甲基膦酸二甲酯(DMMP)、乙基膦酸二乙酯(DEEP)、或二甲基丙基膦酸酯(DMPP)等；所述卤代烃及其他含卤素添加型阻燃剂可以为十溴二苯醚(DE-83R)或十溴二苯乙烷等。
在本申请实施例中，所述抗氧剂可以为受阻酚抗氧剂、芳香族仲胺类抗氧剂、和亚磷酸酯类抗氧剂等中的一种或多种；所述受阻酚抗氧剂可以为三甘醇双-[3-3(叔丁基-4羟基-5-甲基苯基)丙酸酯](245)、四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸](1010)、硫代二亚乙基双[3-(3，5-二叔丁基-4羟基苯)丙酸酯](1035)、3，5-二叔丁基-4-羟基苯丙酸异辛酯(1135)、或丁基辛基化二苯胺(5057)等。
在本申请实施例中，所述光稳定剂可以为紫外线吸收剂、受阻胺类光稳定剂和氨纶防黄剂中的一种或多种；所述紫外吸收剂可以为N-(乙氧基羰基苯基)-N'-甲基-N'-苯基甲脒(UV-1)、2-(2'-羟基-3'-十二烷基-5'-甲基苯基)苯并三唑(UV-571)、或羟基苯酚苯并三唑类紫外吸收剂(UV-1130)等；所述受阻胺类光稳定剂可以为292等；所述氨纶防黄剂可以为双(N,N-二甲基酰肼氨基4-苯基)甲烷(HN-150)、或4，4'-六亚甲基双(1，1-二甲基氨基脲)(HN-130)等。
在本申请实施例中，所述异氰酸酯可以为PAPI(多芳基多亚甲基异氰酸酯)或改性PAPI，可选自PM-200、和PM-100等中的一种或多种。
在本申请实施例中，所述纤维可以选自玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维和碳纤维中的任意一种或更多种。并且，所述纤维可以为连续纤维，并可以用长纤维、短纤维或纤维粉等进行辅助增强。纤维在轨枕内的排布方向可为沿轨枕长度方向、垂直于轨枕长度方向或多向无规排布。
在本申请实施例中，所述成型设备25可以为连续模压成型设备。
以下实施例中所涉及的有变化的轨枕的密度和纤维含量均是基于1mm3的单位体积而言。
实施例1
本实施例的复合材料轨枕在径向方向上从内到外(即沿从轨枕中心到表层的方向)依次包括第一密度层11、过渡层12和第二密度层13。所述第一密度层11中的纤维14按第一纤维含量均匀地分布，所述第二密度层13中的纤维14按第二纤维含量均匀地分布，所述过渡层12中的纤维14在所述复合材料轨枕10的径向方向上从内到外按由第一纤维含量线性增加至第二纤维含量的形式分布，并且所述第一纤维含量按照公式y＝0.02x+0.1线性增加至所述第二纤维含量，使得所述过渡层12的密度在所述复合材料轨枕的径向方向上从内到外按照公式y＝100x+500由所述第一密度层的密度线性增加至所述第二密度层的密度。
本实施例的复合材料轨枕的长度为4.5m，宽度为230mm，高度为140mm，其中，所述第一密度层11的宽度为100mm，厚度为60mm；所述第二密度层13的厚度为20mm，所述第一密度层11与所述第二密度层13之间为所述过渡层12。
所述第一纤维含量为10％，所述第二纤维含量为22％。所述第一密度层的密度为500kg/m3，所述第二密度层的密度为1100kg/m3。
制造本实施例的复合材料轨枕的原料如下表所示：
成型时的温度为40℃。
实施例2
本实施例的复合材料轨枕在径向方向上从内到外(即沿从轨枕中心到表层的方向)依次包括第一密度层11、过渡层12和第二密度层13。所述第一密度层11中的纤维14按第一纤维含量均匀地分布，所述第二密度层13中的纤维14按第二纤维含量均匀地分布，所述过渡层12中的纤维14在所述复合材料轨枕10的径向方向上从内到外按由第一纤维含量线性增加至第二纤维含量的形式分布，并且所述第一纤维含量按照公式y＝0.017x+0.12线性增加至所述第二纤维含量，使得在所述过渡层12的密度在所述复合材料轨枕的径向方向上从内到外按照公式y＝75x+600由所述第一密度层的密度线性增加至所述第二密度层的密度。
本实施例的复合材料轨枕的长度为3m，宽度为260mm，高度为260mm，其中，所述第一密度层11的宽度为150mm，厚度为150mm；所述第二密度层13的厚度为30mm，所述第一密度层11与所述第二密度层13之间为所述过渡层12。
所述第一纤维含量为12％，所述第二纤维含量为25％。所述第一密度层的密度为600kg/m3，所述第二密度层的密度为1200kg/m3。
制造本实施例的复合材料轨枕的原料如下表所示：
成型时的温度为40℃。
实施例3
本实施例的复合材料轨枕在径向方向上从内到外(即沿从轨枕中心到表层的方向)依次包括过渡层12和第二密度层13。所述第二密度层13中的纤维14按第二纤维含量均匀地分布，所述过渡层12中的纤维14在所述复合材料轨枕10的径向方向上从内到外按由第一纤维含量线性增加至第二纤维含量的形式分布，并且所述第一纤维含量按照公式y＝0.043x+0.1线性增加至所述第二纤维含量，使得所述过渡层12的密度在所述复合材料轨枕的径向方向上从内到外按照公式y＝140x+500由过渡层的最小密度线性增加至所述第二密度层的密度。
本实施例的复合材料轨枕的长度为3m，宽度为240mm，高度为240mm，其中，所述过渡层12的厚度为200mm，所述第二密度层13的厚度为20mm。
所述第一纤维含量为10％，所述第二纤维含量为53％。所述过渡层的最小密度为500kg/m3，所述第二密度层的密度为1900kg/m3。
制造本实施例的复合材料轨枕的原料与实施例1相同。
成型时的温度为45℃。
实施例4
本实施例的复合材料轨枕沿从中心到表层的方向依次包括第一密度层11、过渡层12和第二密度层13。所述第一密度层11中的纤维14按第一纤维含量均匀地分布，所述第二密度层13中的纤维14按第二纤维含量均匀地分布，所述过渡层12中的纤维14按第三纤维含量均匀地分布。
本实施例的复合材料轨枕的长度为6m，宽度为230mm，高度为160mm，其中，所述第一密度层11的宽度为130mm，厚度为60mm；所述第二密度层13的厚度为10mm，所述第一密度层11与所述第二密度层13之间为所述过渡层12。
所述第一纤维含量为12％，所述第二纤维含量为25％，所述第三纤维含量为18％。所述第一密度层的密度为600kg/m3，所述第二密度层的密度为1200kg/m3，所述过渡层的密度为800kg/m3。
制造本实施例的复合材料轨枕的原料与实施例1相同。
成型时的温度为50℃。
性能测试
按照CJ/T 399-2012(聚氨酯泡沫合成轨枕)测试上述实施例制造的轨枕的性能。测试结果请见下表。
可以看出，本申请实施例的复合材料轨枕的抗疲劳性能明显优于现有合成轨枕，说明本申请实施例的复合材料轨枕的表面强度明显较高，而且轨枕表面的集中载荷得到了有效分散；此外，本申请实施例的复合材料轨枕还具有明显优于现有合成轨枕的道钉抗拔力。
虽然本申请所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本申请而采用的实施方式，并非用以限定本申请。任何本申请所属领域内的技术人员，在不脱离本申请所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本申请的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (12)
1.一种一体式复合材料轨枕，所述复合材料轨枕中含有纤维，其特征在于，所述复合材料轨枕的密度在所述复合材料轨枕的径向方向上从内到外增加，并且所述复合材料轨枕的密度的增加通过使所述复合材料轨枕中的纤维的纤维含量在所述复合材料轨枕的径向方向上从内到外增加来实现。
2.根据权利要求1所述的一体式复合材料轨枕，其中，所述复合材料轨枕包括过渡层，所述过渡层中的纤维在所述复合材料轨枕的径向方向上从内到外按由第一纤维含量增加至第二纤维含量的形式分布。
3.根据权利要求2所述的一体式复合材料轨枕，其中，所述过渡层中的纤维在所述复合材料轨枕的径向方向上从内到外按由第一纤维含量线性增加至第二纤维含量的形式分布。
4.根据权利要求3所述的一体式复合材料轨枕，其中，所述第一纤维含量按照公式I线性增加至所述第二纤维含量，公式I为：
y1＝k1x+b1
式中，y1为待测点的纤维含量，单位为％；
x为待测点与过渡层的内边缘之间的距离，单位为m；
k1为纤维含量增长率，为非负数，单位为1/m；
b1在2％-25％范围内。
5.根据权利要求4所述的一体式复合材料轨枕，其中，所述过渡层的密度按照公式II线性增加，公式II为：
y2＝k2x+b2
式中，y2为待测点的密度，单位为kg/m3；
x为待测点与过渡层的内边缘之间的距离，单位为m；
k2为过渡层的密度增长率，为非负数，单位为kg/m4；
b2在100-1200范围内，单位为kg/m3。
6.根据权利要求2所述的一体式复合材料轨枕，所述复合材料轨枕还包括第一密度层和/或第二密度层，所述第一密度层设置在所述过渡层的靠近所述复合材料轨枕中心的一侧，所述第二密度层设置在所述过渡层的远离所述复合材料轨枕中心的一侧，并且所述第一密度层中的纤维按第一纤维含量均匀地分布，所述第二密度层中的纤维按第二纤维含量均匀地分布。
7.根据权利要求6所述的一体式复合材料轨枕，其中，
所述复合材料轨枕在径向方向上从内到外依次包括所述第一密度层和所述过渡层，所述第一密度层的厚度为所述复合材料轨枕的高度的1/10-9/10；或者
所述复合材料轨枕在径向方向上从内到外依次包括所述过渡层和所述第二密度层，所述过渡层的厚度为所述复合材料轨枕的高度的6/50-49/50；或者，
所述复合材料轨枕在径向的方向上从内到外依次包括所述第一密度层、所述过渡层和所述第二密度层，所述第一密度层的厚度为所述复合材料轨枕的高度的1/10-9/10，所述过渡层的厚度为所述复合材料轨枕的高度的1/100-22/50。
8.根据权利要求1所述的一体式复合材料轨枕，其中，所述复合材料轨枕在径向方向上从内到外依次包括第一密度层、过渡层和第二密度层，所述第一密度层中的纤维按第一纤维含量均匀地分布，所述第二密度层中的纤维按第二纤维含量均匀地分布，所述过渡层中的纤维按第三纤维含量均匀地分布，所述第一纤维含量＜所述第三纤维含量＜所述第二纤维含量。
9.根据权利要求2-8中任一项所述的一体式复合材料轨枕，其中，所述第一纤维含量为2％-25％，所述第二纤维含量为17％-60％。
10.根据权利要求6-8中任一项所述的一体式复合材料轨枕，其中，所述第一密度层的密度为100kg/m3-1200kg/m3，所述第二密度层的密度为500kg/m3-1900kg/m3。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的一体式复合材料轨枕的制造方法，其特征在于，所述方法包括：
根据期望得到的复合材料轨枕的密度，计算得到纤维在所述复合材料轨枕中的纤维含量，并换算得到纤维在纤维排布架上的纤维含量；
根据纤维在纤维排布架上的纤维含量，将纤维排布在纤维排布架上，使纤维穿过排纱板进行预分布排纱；
将穿过所述排纱板的纤维牵引至浸渍设备，使树脂基体材料浸渍所述纤维；以及
将浸渍有树脂基体材料的纤维进行成型，得到所述一体式复合材料轨枕。
12.根据权利要求11所述的复合材料轨枕的制造方法，其中，所述将纤维排布在纤维排布架上包括：
任选地，将形成第一密度层的纤维均匀地排布在所述纤维排布架上；
在形成所述第一密度层的纤维的外周，将形成过渡层的纤维排布在所述纤维排布架上；
任选地，在形成所述过渡层的纤维的外周，将形成第二密度层的纤维均匀地排布在所述纤维排布架上。
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