何國(guó)華，高春雷，王　鵬，張　銳(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京　100081)

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道床烘干冷卻試驗(yàn)裝置研究

何國(guó)華，高春雷，王鵬，張銳
(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

摘要:道床烘干冷卻裝置是聚氨酯固化道床施工設(shè)備中最關(guān)鍵的組成部分，決定了設(shè)備施工效率和施工進(jìn)度。本文分析了國(guó)內(nèi)外道路工程中的烘干方式，選用暖氣直接加熱方式研制出一種聚氨酯固化道床烘干冷卻試驗(yàn)裝置，并進(jìn)行了試驗(yàn)研究，為下一步研制現(xiàn)場(chǎng)用高效、適用的聚氨酯固化道床烘干冷卻裝置指明了方向。

關(guān)鍵詞:聚氨酯固化道床道床烘干暖氣加熱試驗(yàn)裝置 應(yīng)參考《中國(guó)鐵路敘詞表》、《漢語(yǔ)主題詞表》、《鐵道科技名詞》等選取規(guī)范的科技名詞3～6個(gè)。參考文獻(xiàn)在文內(nèi)右上角注明序號(hào)。詳見(jiàn)“《鐵道建筑》參考文獻(xiàn)著錄格式”。

聚氨酯固化道床是一種不同于有砟道床和無(wú)砟道床的新型道床結(jié)構(gòu)。它是在已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定的新鋪碎石道床內(nèi)灌注液態(tài)的聚氨酯材料，這種由異氰酸酯(俗稱(chēng)黑料)、聚醚(俗稱(chēng)白料)、催化劑(胺類(lèi))混合的聚氨酯材料灌入道床后會(huì)很快發(fā)泡、膨脹，將碎石和道砟之間的空隙擠滿，經(jīng)膨化固結(jié)后道床形成一個(gè)彈性整體結(jié)構(gòu)。聚氨酯固化道床是結(jié)合了有砟軌道的彈性好、可維修性好和無(wú)砟軌道整體性好、殘余累積變形緩慢兩者優(yōu)點(diǎn)的一種新型軌道結(jié)構(gòu)。同時(shí)具備減振、降噪功能，可解決目前有砟軌道橋隧地段養(yǎng)護(hù)維修難和無(wú)砟軌道彈性差、噪聲大等問(wèn)題。應(yīng)用于重載鐵路橋梁及隧道、沙漠線路和多風(fēng)沙區(qū)域線路，將大大減少維修工作量，提高運(yùn)輸能力和行車(chē)安全，從而創(chuàng)造良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益［1］。因此，與之配套的聚氨酯固化道床施工設(shè)備的研制具有十分重要的意義。

1道床烘干冷卻試驗(yàn)裝置的研制

1. 1道床烘干技術(shù)條件

根據(jù)聚氨酯的混合工藝要求，需要先將道床道砟烘干，并冷卻至適宜溫度，然后進(jìn)行澆注。烘干效果達(dá)到道床澆注施工的技術(shù)條件:烘干深度不小于50 cm。烘干后表面道砟溫度不低于80℃，深度50 cm處道砟溫度不低于35℃。冷卻后表面道砟溫度不高于35℃，深度50 cm處道砟不高于25℃。

1. 2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)外道路工程中的烘干方式主要分為暖氣加熱、紅外加熱和微波加熱三種。

國(guó)外某公司采用暖氣加熱的方式對(duì)道砟進(jìn)行烘干冷卻，其暖氣制造設(shè)備放置在集裝箱內(nèi)，采用燃?xì)庠罱Y(jié)構(gòu)形式，并通過(guò)輸送管道將燃燒熱氣輸送到烘干區(qū)域。由于燃?xì)庠畈捎靡簤簹夂脱鯕馀浔热紵?，?jīng)常存在打不著火、燃燒不充分等問(wèn)題，液壓氣罐的存放也存在極大的安全隱患。同時(shí)，由于熱氣通過(guò)長(zhǎng)大管道傳遞，熱量損失較大，到達(dá)烘干區(qū)域時(shí)溫度下降較大，加熱效率低，影響施工進(jìn)度。

國(guó)內(nèi)在烘干方面的研究主要集中在公路養(yǎng)護(hù)維修方面，技術(shù)相對(duì)成熟，如圖1所示。

圖1公路瀝青路面加熱再生

采用紅外加熱技術(shù)用于公路的養(yǎng)護(hù)維修，加熱深度一般為10 cm，加熱溫度比較高，達(dá)到400～500℃［2］。如果應(yīng)用于道砟烘干，容易造成表面介質(zhì)的燒傷，也無(wú)法滿足50 cm的加熱深度。微波加熱的優(yōu)點(diǎn)是加熱速度快，溫度梯度好，熱轉(zhuǎn)化效率高［3］。由于瀝青路面一般為10 cm，用于公路養(yǎng)護(hù)的微波管采用2 450 MHz頻率，波長(zhǎng)相對(duì)較短，加熱深度淺，能夠滿足使用要求。而目前道床烘干需要加熱深度50 cm，原有產(chǎn)品無(wú)法滿足使用要求，需要采用915 MHz頻率的微波管，而目前國(guó)內(nèi)該類(lèi)型微波管只用于民用領(lǐng)域，還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。微波為有害輻射，一旦泄露對(duì)設(shè)備和人身會(huì)造成一定傷害，需要做好防護(hù)措施［4］。公路路面比較平整，防護(hù)相對(duì)容易，而鐵路道砟不平，間隙較大，微波散射會(huì)比較嚴(yán)重，對(duì)鋼軌、軌枕及施工人員的防護(hù)也是難點(diǎn)。同時(shí)，由于微波為光波形式，一般對(duì)于覆蓋區(qū)域起作用［5］，對(duì)于軌枕下部及其它照射不到的區(qū)域和存在跨軌電纜的區(qū)域無(wú)法烘干，還需要采用其他方式進(jìn)行補(bǔ)充。

1. 3試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)綜合分析，采用暖氣直接加熱方式進(jìn)行烘干冷卻裝置的設(shè)計(jì)，并研制一種試驗(yàn)裝置來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。為了研究道床烘干過(guò)程中的溫度、汽化程度、壓力等問(wèn)題，設(shè)計(jì)如圖2所示試驗(yàn)方案，其中道床按半個(gè)軌枕盒并設(shè)置邊坡進(jìn)行試驗(yàn)。外界空氣經(jīng)過(guò)高壓風(fēng)機(jī)送入燃燒加熱器，然后經(jīng)過(guò)管道送入道床。加熱器可以以液化天然氣作為能源，也可以采用柴油作為燃燒原料。

圖2試驗(yàn)裝置總體(單位: mm)

為了測(cè)量道砟不同深度和距離熱源一定位置的溫度及濕度，試驗(yàn)箱設(shè)置了若干規(guī)格的測(cè)試孔。通過(guò)孔蓋，可以密封和開(kāi)啟。在烘干過(guò)程和冷卻過(guò)程中，將這些測(cè)試孔密封;而測(cè)試時(shí)，打開(kāi)孔蓋，利用紅外線溫度和濕度測(cè)試儀來(lái)測(cè)量道砟的溫度和濕度。為了研究熱源的作用范圍，試驗(yàn)箱四周設(shè)置不同的插槽，從而調(diào)整箱子橫截面。

2　模擬道床烘干冷卻試驗(yàn)

研究氣流的流動(dòng)規(guī)律，模擬真實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)工況，積累有關(guān)烘干設(shè)備溫度、壓力、濕度等具體參數(shù)，為烘干冷卻設(shè)備的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。道床烘干冷卻試驗(yàn)裝置如圖3所示。

圖3道床烘干冷卻試驗(yàn)裝置

2. 1試驗(yàn)準(zhǔn)備

按照相關(guān)技術(shù)條件，對(duì)試驗(yàn)道砟取樣，進(jìn)行道砟粒徑、含污量和含水率的檢測(cè)和計(jì)算。將樣品道砟按照粒徑63，55，50，45，40，35. 5，31. 5，25，22. 4 mm的范圍分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并進(jìn)行稱(chēng)重，將不同粒徑道砟的重度統(tǒng)計(jì)結(jié)果繪制成柱形圖，試驗(yàn)道砟符合級(jí)配要求。經(jīng)過(guò)計(jì)算，試驗(yàn)道砟含污量為1. 6%，含水率為0. 64%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)澆注技術(shù)條件要求的含污量不大于0. 17%的要求，也超過(guò)現(xiàn)場(chǎng)澆注時(shí)含污量不超過(guò)1%的要求，試驗(yàn)道砟惡劣程度超過(guò)現(xiàn)場(chǎng)使用上限，參數(shù)具有一定富余。

試驗(yàn)箱中填充道砟，并進(jìn)行壓實(shí)，密封試驗(yàn)箱，將預(yù)先設(shè)計(jì)的透氣孔打開(kāi)，并將6個(gè)溫度傳感器和風(fēng)壓測(cè)量裝置布置在試驗(yàn)箱相應(yīng)的位置，每個(gè)傳感器進(jìn)行編號(hào)方便數(shù)據(jù)的記錄。

2. 2燃料性質(zhì)試驗(yàn)

分別采用液化氣和0號(hào)柴油作為燃料進(jìn)行道砟烘干試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中利用CO測(cè)濕儀，測(cè)量整個(gè)過(guò)程中CO的最大含量，測(cè)得液化氣為99×10－6，柴油僅為2×10－6。將烘干試驗(yàn)后的道砟樣本進(jìn)行澆注測(cè)試，由試驗(yàn)結(jié)果可知，柴油的污染遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于液化氣，烘干試驗(yàn)后的道砟表面光潔，粘結(jié)良好，符合聚氨酯固化要求。

2. 3風(fēng)壓、風(fēng)量穿透試驗(yàn)

在風(fēng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)行烘干試驗(yàn)，分別記錄顯示屏上各個(gè)傳感器的溫度。以最具代表性的2 800，2 400和2 540 r/min 3種轉(zhuǎn)速下的數(shù)值進(jìn)行比較分析。

將不同的時(shí)刻轉(zhuǎn)化成以1 min為基準(zhǔn)的時(shí)間段，按照從0開(kāi)始的順序進(jìn)行溫度曲線的描繪。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 540 r/min時(shí)6個(gè)傳感器的溫升情況如圖4所示。

圖4風(fēng)機(jī)2 540 r/min時(shí)6個(gè)傳感器的溫升情況

風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓與風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)，轉(zhuǎn)速越大，風(fēng)壓越大。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的觀察可得知，風(fēng)壓太大，風(fēng)量會(huì)從兩側(cè)泄露，真正到達(dá)底部的風(fēng)量很少，自然升溫就很差，所以轉(zhuǎn)速2 800 r/min的升溫效果沒(méi)有2 540 r/min的效果好。2 400 r/min的效果不如2 540 r/min效果好的原因可能是風(fēng)壓不大，根本到達(dá)不了底部，自然溫升上不去。由此試驗(yàn)得到的結(jié)果確定了風(fēng)機(jī)的最佳轉(zhuǎn)速。2 540 r/min的最佳轉(zhuǎn)速，不僅穿透力合適，而且烘干效果好于2 800和2 400 r/min。轉(zhuǎn)速2 540 r/min所對(duì)應(yīng)的風(fēng)壓約為15 kPa，可以按照此風(fēng)壓進(jìn)行風(fēng)機(jī)的選型。

2. 4管道高度對(duì)烘干效果的影響試驗(yàn)

在風(fēng)機(jī)出風(fēng)口制作一個(gè)過(guò)渡圓筒，測(cè)試不帶圓筒和帶圓筒兩種情況下的溫升情況。將不同的時(shí)刻轉(zhuǎn)化成以1 min為基準(zhǔn)的時(shí)間段，按照從0開(kāi)始的順序進(jìn)行溫度曲線的描繪，帶圓筒的試驗(yàn)裝置6個(gè)傳感器所顯示的溫度值如圖5所示。

圖5帶圓筒的試驗(yàn)裝置6個(gè)傳感器所顯示的溫度值

經(jīng)過(guò)分析可知，空氣流通性越好升溫效果也就越好。越靠近風(fēng)口中心線的位置，溫升越快。在關(guān)閉加熱器以后，并不是立刻降溫，加熱器中還有部分的殘熱。風(fēng)機(jī)工作過(guò)程中，不斷地與空氣發(fā)生摩擦，摩擦生熱，進(jìn)口處的常溫空氣在風(fēng)機(jī)中溫度會(huì)上升7℃左右，還會(huì)將溫度高于常溫的氣體吹入道砟中。實(shí)際工作過(guò)程中，表層道砟的溫度不一定要達(dá)到80℃再進(jìn)行冷卻，靠著余熱仍然可以使道砟升溫。風(fēng)管直接貼在道砟表面的烘干效果比風(fēng)管離道砟表面有一定高度的烘干效果要好。

2. 5烘干時(shí)間和冷卻時(shí)間匹配試驗(yàn)

加熱器加熱不同時(shí)間，記錄不同溫度值，將不同的時(shí)刻轉(zhuǎn)化成以1 min為基準(zhǔn)的時(shí)間段，按照從0開(kāi)始的順序進(jìn)行溫度曲線的描繪。加熱5 min的試驗(yàn)裝置6個(gè)傳感器所顯示的溫度值如圖6所示。

圖6加熱5 min的試驗(yàn)裝置6個(gè)傳感器所顯示的溫度值

加熱時(shí)間長(zhǎng)的工況比加熱時(shí)間短的工況道砟的底部溫升效果好。加熱5 min的工況不但溫升效果好于加熱3 min的，在濕度測(cè)量位置測(cè)得的濕度狀況也能證實(shí)加熱5 min的工況除濕效果比較好。在烘干過(guò)程中，不僅有溫度的上升還有濕度的下降，雖然降溫難，但是最后的澆注條件還要看是否滿足濕度的要求。在夏季的施工中濕度較大，主要是滿足濕度條件。夏季在50 cm處濕度滿足＜30%使用要求，表面的濕度會(huì)很快就滿足要求。

2. 6管道布置試驗(yàn)

將入口的氣流管道一分為四，將不同的時(shí)刻轉(zhuǎn)化成以1 min為基準(zhǔn)的時(shí)間段，按照從0開(kāi)始的順序進(jìn)行溫度曲線的描繪。氣流管道一分為四時(shí)6個(gè)傳感器的溫度如圖7所示。

圖7氣流管道一分為四時(shí)6個(gè)傳感器的溫度

分管式的裝置1通道的溫升效果不如單管式1通道的溫升效果。1通道位于試驗(yàn)箱的底部，且靠近試驗(yàn)箱中心的位置，溫度幾乎沒(méi)有變化。采用分管形式，每個(gè)分管的烘干區(qū)域是以分管為中心的一定區(qū)域和一定深度，而遠(yuǎn)離分管中心的區(qū)域沒(méi)有溫升。在澆注時(shí)，澆注區(qū)域是鋼軌的兩側(cè)，采用單管形式顧及不到鋼軌外側(cè)的溫升，分管式方案卻能做到這一點(diǎn)。從5通道的溫度變化可以得知采用分管式兩側(cè)的溫升效果好于采用單管式。

3　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)道床烘干冷卻試驗(yàn)裝置的相關(guān)試驗(yàn)，總結(jié)了一些規(guī)律，為道床烘干冷卻裝置的研制指明了方向，結(jié)論如下:

1)采用柴油作為燃料比采用液化氣時(shí)尾氣排放更低，對(duì)道砟無(wú)污染，柴油燃燒氣體烘干后的道砟固結(jié)良好，符合聚氨酯固化要求。

2)風(fēng)壓太低，無(wú)法到達(dá)指定穿透厚度，風(fēng)壓太高，氣體從邊坡流出，亦無(wú)法到達(dá)指定穿透厚度。在15 kPa風(fēng)壓下進(jìn)行穿透試驗(yàn)，在95 cm厚道砟中氣體能夠穿透至底部，滿足使用要求。

3)烘干時(shí)，道床表面溫度上升很快，但底部溫度上升較慢，空氣經(jīng)過(guò)風(fēng)機(jī)后，溫度會(huì)上升。在冷卻階段，上表面道砟溫度會(huì)下降，底部道砟溫度卻會(huì)上升。采用風(fēng)管直接接觸道砟的烘干冷卻效果比風(fēng)管和道砟留有空隙要好。

4)加熱時(shí)間長(zhǎng)的工況比加熱時(shí)間短的工況道砟的底部溫升效果好。

5)氣流管道采用一分四的形式，烘干冷卻效果要比單管形式好，但分管布置及其尺寸對(duì)烘干冷卻有影響，后期需做進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)

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(責(zé)任審編趙其文)

《鐵道建筑》稿約

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《鐵道建筑》編輯部

Research of drying-cooling test device for ballast bed

HE Guohua，GAO Chunlei，WANG Peng，ZHANG Rui
( Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

Abstract:Drying-cooling test device for ballast bed is the most critical part of polyurethane curing ballast bed construction equipment，which could determine the equipment construction efficiency and construction schedule．In this paper，the drying methods of road engineering at home and abroad were analyzed，a new drying-cooling test device for polyurethane curing ballast bed drying was developed by using direct heating method with radiator，the related experiment research was carried out，which could point out the direction of developing effective and applicative drying-cooling test device for polyurethane curing ballast bed in the future．

Key words:Polyurethane curing ballast bed; Ballast bed drying; Heating with radiator; T est device

文章編號(hào):1003-1995( 2016) 01-0084-05

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中圖分類(lèi)號(hào):U216．63+2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．01．18

作者簡(jiǎn)介:何國(guó)華( 1982—)，男，副研究員，碩士。

收稿日期:2015-11-09;修回日期: 2015-12-10