張銳，高春雷，何國華

（中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京100081）

聚氨酯固化道床是在已達到穩(wěn)定的新鋪碎石道床內(nèi)灌注液態(tài)的聚氨酯材料，經(jīng)膨化固結(jié)后形成一個彈性整體結(jié)構(gòu)，是一種不同于有砟道床和無砟道床的新型道床結(jié)構(gòu)。由于擠入道砟顆粒之間的聚氨酯具有彈性，將道砟顆粒柔性聯(lián)結(jié)成為一個整體，受力后產(chǎn)生可恢復的擠壓彈性變形體[1]。

聚氨酯固化道床整體彈性遠好于無砟道床，也略好于有砟道床。由于道床在聚氨酯灌注前，碎石道床已經(jīng)達到穩(wěn)定工作狀態(tài)，在強度（保證承受和傳遞列車荷載）及穩(wěn)定性（保持軌道框架的幾何形狀和尺寸）方面，聚氨酯固化道床類似有砟道床，但又吸取了整體道床結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，通過阻止道砟顆粒之間的相對錯動及減小道砟顆粒接觸點（面）上的應力，延緩道床的殘余變形積累，減少道床的維修養(yǎng)護工作量［2］。因此可將聚氨酯固化道床應用于重載鐵路橋梁及隧道、沙漠線路和多風沙區(qū)域線路，可以減少維修工作量，提高運輸能力和行車安全性；應用于高速鐵路的高架車站、城鎮(zhèn)、郊區(qū)及長大鋼橋時，能夠降低行車噪聲，從而創(chuàng)造良好的社會效益和經(jīng)濟效益，是一種極有開發(fā)前景的新型軌道結(jié)構(gòu)形式。

1 道床澆注施工技術(shù)研究現(xiàn)狀

聚氨酯固化道床澆注施工需要消耗大量原料，而這種原料對于環(huán)境溫度、空氣濕度都較為敏感，因此施工過程中，對原料儲存有較高要求［3］。并且原料在存放時，容易出現(xiàn)分層現(xiàn)象，因此在使用之前，需要對原料進行攪拌，保障施工質(zhì)量。

目前國外的聚氨酯固化道床施工還處于試驗階段，只在德國等少數(shù)國家進行了短距離試驗段施工，沒有形成規(guī)模，施工過程中所用原料量較少。國內(nèi)聚氨酯固化道床施工量較大，但是現(xiàn)有的聚氨酯固化道床澆注設備中，儲料系統(tǒng)較為簡單，多使用噸桶和料桶，沒有維溫加熱功能，在氣溫較低時，無法保障原料溫度，會導致原料出現(xiàn)變質(zhì)的情況。原料使用前往往需要人工攪拌，效率較低，無法滿足大規(guī)模聚氨酯施工要求。因此，需要設計一套具有加熱維溫功能、可進行原料流動循環(huán)的大型儲料系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)原料的自動供應，保障聚氨酯澆注施工的效率和質(zhì)量。

2 儲料系統(tǒng)總體設計

聚氨酯固化道床施工設備儲料系統(tǒng)主要包括罐式集裝箱和料罐加熱系統(tǒng)、原料循環(huán)供應系統(tǒng)、控制系統(tǒng)4部分。整套儲料設備可以放置在鐵路平車上［4］，與前端用料設備采用管路連接，為其提供原料供應。儲料設備整體布局見圖1，循環(huán)供應系統(tǒng)放置在料罐出料口前端，與料罐用軟管連接，系統(tǒng)控制柜放置在料罐側(cè)面，用于控制料罐加熱系統(tǒng)、循環(huán)供應系統(tǒng)等。

圖1 儲料設備整體布局

2.1 罐式集裝箱

罐式集裝箱是將儲料罐安裝在標準6.096 m（20 ft）集裝箱框架內(nèi)部，方便吊裝、運輸，還可以擺放、鎖定在鐵路平車上［5］。料罐容積22 m3，上面安裝有浮球式液位計、壓力傳感器、溫度傳感器，用于檢測料罐內(nèi)原料液位、壓力、溫度等參數(shù)。料罐加料口、出料口和進氣口都安裝在料罐端面下部，方便與外部設備連接，加料管道和進氣管道從料罐內(nèi)部延伸到料罐頂端，防止料罐內(nèi)原料回流。料罐分內(nèi)膽、外殼兩層結(jié)構(gòu)，中間填充有保溫材料，確保良好的保溫性能［6］。

2.2 料罐加熱系統(tǒng)

由于聚氨酯施工原材料在溫度過高/低時會發(fā)生變質(zhì)，并且長時間存放后會產(chǎn)生沉淀結(jié)晶，而內(nèi)盤管式的加熱方式會導致加熱盤管周邊原料溫度過高，并且料罐內(nèi)部難以清洗維修，因此采用料罐外加熱方式更為適宜［7］。在罐體圓形內(nèi)膽外側(cè)均勻鋪設電加熱帶作為料罐加熱介質(zhì)，加熱帶蛇形排列的鋪在料罐內(nèi)膽外壁上，使用固定鎖釘和高溫膠帶固定，并且在料罐內(nèi)外膽間填充保溫材料實現(xiàn)料罐保溫。儲料罐加熱帶布置見圖2。

圖2 儲料罐加熱帶布置

在料罐內(nèi)部安裝多個液體溫度傳感器，加熱過程中可對罐內(nèi)液體進行檢測，當液體溫度達到預設值后，控制系統(tǒng)采用變頻控制的方式，自動調(diào)節(jié)加熱器加熱功率，實現(xiàn)罐內(nèi)液體保持恒溫。

2.3 加熱系統(tǒng)參數(shù)

確定加熱系統(tǒng)功率，要考慮料罐散熱量和原料溫升所需熱量。首先應計算容器罐體的表面積，并根據(jù)保溫層材料、厚度和介質(zhì)所維持的溫度，可知每平方米的散熱量，再通過計算得到罐體的總散熱量Q［8］。

式中:Q為罐體的總散熱量；k為保險系數(shù)；q為每平方米散熱量；s為容器罐體的表面積。

還需要計算出原料溫升所需功率。

式中:Kw為加熱所需功率；m1、m2為料罐內(nèi)膽、原料重量；c1、c2為料罐內(nèi)膽、原料比熱容；T為溫差；h為加熱時間。

通過計算出料罐散熱量和加熱原料所需功率，可以得出加熱系統(tǒng)總功率。

式中:P為加熱系統(tǒng)總功率。

2.4 原料循環(huán)供應系統(tǒng)

供料泵站將原料從料罐中抽出，通過氣動三通閥的管道轉(zhuǎn)換作用，能夠?qū)崿F(xiàn)原料的循環(huán)或者供應。原料供應的同時，對料罐補充純凈的氮氣，保證罐內(nèi)外壓力平衡，還可以防止原料與空氣中的水分發(fā)生反應。供料管道上安裝有壓力傳感器，實時監(jiān)控管道內(nèi)部液體壓力，當出現(xiàn)壓力超高時，控制系統(tǒng)可以自動停止泵站運轉(zhuǎn)，防止因原料管道不暢通導致的爆管現(xiàn)象。原料循環(huán)供應系統(tǒng)示意見圖3。

圖3 原料循環(huán)供應系統(tǒng)示意圖

2.5 控制系統(tǒng)

儲料系統(tǒng)的控制器采用PLC編程控制，用于監(jiān)控料罐溫度、壓力、液位等關(guān)鍵參數(shù)，并對加熱系統(tǒng)、循環(huán)供應系統(tǒng)進行自動控制。控制界面見圖4、圖5?？梢栽O定料罐溫度、液位、壓力上下限，自動調(diào)節(jié)料罐狀態(tài)，還與前端用料系統(tǒng)對接，實現(xiàn)原料自動供應。

圖4 控制系統(tǒng)控制界面

圖5 控制系統(tǒng)參數(shù)設置界面

3 結(jié)束語

針對聚氨酯固化道床施工的特點，提出一種專門用于聚氨酯固化道床施工的儲料系統(tǒng)。采用罐式集裝箱的儲料方式，保障施工現(xiàn)場原料儲備充足，并且便于安裝在鐵路通用平車上；儲料系統(tǒng)設計了智能料罐加熱系統(tǒng)，能夠?qū)υ线M行加熱，保障在低溫環(huán)境下聚氨酯固化道床施工順利進行；原料循環(huán)供應系統(tǒng)的設計，能夠根據(jù)施工用料需求，自動調(diào)整工作狀態(tài)，保證原料及時供應的同時，還可以提高原料加熱效率；智能控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)控料罐、管道的各項參數(shù)，控制原料的補給、供應、加熱、循環(huán)等，實現(xiàn)儲料系統(tǒng)的自動控制，保障施工效率。

與現(xiàn)有設備相比，聚氨酯固化道床的施工設備儲料系統(tǒng)儲料能力強、操作方便，能夠?qū)崿F(xiàn)施工中原料的智能管理，提高施工效率，保障施工質(zhì)量，對聚氨酯固化道床的順利推廣應用有重要意義。